Под знаком кванта

Эйнштейн, конечно, знал историю оптики не хуже других. Но его независимый ум равнодушно относился к ее солидному авторитету. Все прежние заслуги оптики для него не имели значения, если они не могли объяснить единственный, но бесспорный опыт. Он глубоко, религиозно, верил в единство природы, и один такой опыт значил для него не меньше, чем вся история оптики. А его честность не позволила ему пройти мимо неугодного факта.

В науке по-настоящему опасны только неверные опыты: опытам принято верить. Но любую гипотезу — какой бы привлекательной она ни была — всегда тщательно проверяют. Даже если она окажется ложной, опыты, которые ее опровергли, часто приводят к результатам более ценным, чем сама гипотеза. Проверили и гипотезу Эйнштейна — она оказалась истинной.

В 1911 г. Милликен, экспериментально проверяя уравнение Эйнштейна, определил из него значение постоянной Планка h. Она совпала с тем значением, которое* получил Планк из теории теплового излучения. А вскоре поставили опыт, идея которого в точности аналогична картине разрушения утесов на берегу моря. И снова оказался прав Эйнштейн, а не признанный авторитет волновой оптики.

Конечно, Эйнштейн не отрицал, что волновая оптика все-таки существует. И не оспаривал опытов, доказавших волновую природу света. Просто он довел возникшее противоречие до логического конца и предоставил разрешать его следующему поколению физиков. В 1909 г., выступая в Зальцбурге на собрании Общества немецких естествоиспытателей, он высказывал надежду, что «следующая фаза развития теоретической физики даст нам теорию света, которая будет в каком-то смысле слиянием волновой теории с теорией истечения». Двадцать лет спустя его предвидение сбылось.

Несмотря на единодушные протесты современников, мысль о квантах света не погибла и вскоре дала могучие всходы. Это произошло в 1913 г., когда в лабораторию Резерфорда в Манчестере пришел застенчивый и неторопливый датчанин Нильс Бор.

ПОБЕДА АТОМИСТИКИ

20 мая 1904 г. в Манчестере, где провел лучшие годы своей ученой деятельности Джон Дальтон, с торжественностью, к которой обязывают традиции англичан и значительность события, был отмечен столетний юбилей атомной теории материи.

Победа ее пришла не сразу: даже после работ Дальтона многие долгое время смотрели на атомистику просто как на «любопытную гипотезу, допустимую с точки зрения нашей познавательной способности». Единодушие, с которым философы прошлого века отрицали существование атомов, пошатнуло и у физиков веру в их реальность. Например, Артур Шопенгауэр (1788—1860) отзывался об атомах не иначе, как о «выдумке невежественных аптекарей», а философ и физик Эрнст Мах (1838—1916) называл всех атомистов «общиной верующих» и каждого, кто пытался обратить его в эту веру, прерывал вопросом: «А вы хотя бы один из них видели?» Только в 1910 г., увидав однажды сцинтилляции а-частиц на экране спинтарископа, он сдержанно и с достоинством признал: «Теперь я верю в существование атомов». Маха можно понять: человеку трудно вообразить себе нечто, далее принципиально неделимое. И все же в начале века идея атома победила окончательно: разум человека вновь оказался способным понять даже то, чего он не в состоянии представить. И случилось это гораздо раньше, чем через 300 лет, как предсказывал Людвиг Больцман (1844—1906), трагически погибший в своем одиночестве, так и не дождавшись понимания современников.

Но победа эта все-таки немного запоздала: после работ Томсона и Резерфорда понятие «атом» потеряло свой прежний смысл. Стало ясно, что атом — это не самая простая частица вещества, хотя его и нельзя расщепить средствами химии. «К сожалению, законы природы становятся вполне понятными только тогда, когда они уже неверны»,— говорил Эйнштейн. Это це означает, конечно, что однажды открытые законы вдруг теряют все свое значение. В истории атома — независимо от дальнейших успехов науки — доказательство его реальности (даже в старом смысле атоцод — «нераз-резаемый») навсегда останется одной из самых важных ее побед.

Окончательное утверждение атомистики также связано с именем Эйнштейна: в том же 1905 г. независимо от польского физика Мариана Смолуховского (1872—1917) он дал математическое описание броуновского движения. Эту теорию подтвердил экспериментально Жан Перрен, который в 1909 г. по совету Ланжевена предпринял систематические и тщательные исследования броуновского движения. И до Перрена многие физики были убеждены, что истинная причина этих движений — толчки молекул жидкости, которые сами невидимы даже в лучший микроскоп. Но удивительные по изяществу опыты Перрена не просто доказали справедливость этих утверждений — из них следовало нечто большее: непонятное движение частиц в жидкости есть точная модель истинного движения невидимых молекул, увеличенная в несколько тысяч раз. Поэтому, изучая броуновское движение частиц, мы тем самым получаем наглядную картину движений невидимых молекул. (Точно так же, как знание свойств радиоволн дает нам представление о волнах света и даже о рентгеновских лучах.) После этих работ гипотезу об атомах признали все, даже ее знаменитый противник Вильгельм Оствальд (1853—1932). А в 1909 г. тот же Резерфорд, который доказал сложную структуру атома, вместе с Ройдсом дал и наиболее убедительное доказательство атомистической структуры вещества. Вот как это произошло.

Уже давно было замечено, что в минералах, содержащих радиоактивные вещества — торий, уран, радий,— скапливается гелий. Измерили даже, что из 1 г радия в состоянии радиоактивного равновесия выделяется 0,46 мм3 гелия в день, то есть 5,32 -10“9 см3/с. После установления природы а-частиц ничего чудесного в этом факте не было. Но Резерфорд и Ройдс на этом не остановились: они сосчитали число а-частиц, которое вылетает в секунду из 1 г радия. Оно оказалось большим, но вполне определенным: 13,6- 1О10 с-1. Все эти а-частицы, вылетевшие за секунду, захватив по два электрона, превращаются в атомы гелия и занимают объем 5,32-10“9 см3. Следовательно, число атомов в 1 см3

Но ведь это и есть та самая постоянная Лошмидта, которую он вычислил на основании молекулярно-кинетической гипотезы! Действительно, один моль гелия (как и любого одноатомного газа при 0 °C и атмосферном давлении) занимает объем 22,4 л и содержит 6,02 • 1023 атомов, то есть

6,02-Ю23моль

см

-з

22,4 • 103 см3/моль

Совпадение убедительное.

К 1912 г. насчитывалось уже более десяти способов определения постоянной Авогадро и от ее значения зависело объяснение многочисленных и на первый взгляд не связанных между собой явлений, таких, как броуновское движение и голубой цвет неба, вязкость газов и спектр абсолютно черного тела, радиоактивность и законы электролиза. Число Na оказалось очень большим, и, чтобы продемонстрировать его огромность, лорд Кельвин предлагал провести мысленный эксперимент: стакан воды с каким-то образом помеченными атомами вылить в океан и, хорошо перемешав его, вновь зачерпнуть воды из океана на другом краю Земли — в стакане окажется 200 меченых молекул воды (в действительности еще больше: около тысячи). Как и количество людей на Земле, число Авогадро не может быть дробным. Более того, это число мы знаем сейчас значительно точнее, чем численность жителей Земли: МА = 6,022136 • 1023.

«Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания вдруг оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это — атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом — это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому.