Страница 5 из 50
Что мы понимаем под открытием? Прежде всего, экспериментальные результаты, которые позволяют включить в систему научного знания новый объект или новое явление. Не так ли? Но как быть в том случае, когда новый объект или явление начинает активную жизнь в научной теории задолго до их экспериментального обнаружения, по крайней мере, до прямой регистрации?
«А разве такое возможно?» — спросит скептик.
«Не вижу никаких сложностей, — ответит ему эрудит. — Целые планеты открывались сначала „на кончике пера“. Просто один ученый может сделать теоретическое предсказание, а потом он сам или кто другой ставит опыт и проверяет, справедливо ли оно. Только после опыта следует говорить о настоящем открытии. Но, конечно, и предсказание дает немалый вклад в общее дело- оно заставляет поторопиться с постановкой важных экспериментов».
Эрудит в основном прав. Он высказал довольно распространенное мнение, но не учел одного любопытного обстоятельства — очень часто теоретически предсказанные объекты или явления играют в науке гораздо более ответственные и полезные роли. Происходит это приблизительно так.
Во многих случаях между теоретической гипотезой и ее экспериментальным подтверждением или опровержением ученые успевают несколько раз (а то и десятки раз!) сменить календарь. Идут годы, часть предсказаний устаревает, о них потихоньку забывают, как говорится, сдают в архив. Другую же часть ожидает совсем иная судьба — интерес к ним не затухает, а, наоборот, все сильней разгорается, по поводу гипотетических объектов ведутся споры на конференциях, им посвящают научные статьи, даже целые монографии. Причины такого интереса нетрудно установить. Гипотеза начинает все шире применяться для развития самой теории, на ее основе пытаются объяснить результаты широкого круга экспериментов. Первые же успехи на этом пути еще больше подталкивают ученых к убеждению, что идея хороша и ею стоит заняться подробней. Иногда благодаря многолетней активной работе исследователей гипотетические объекты настолько хорошо вписываются в свой раздел науки, что в момент появления долгожданных прямых экспериментальных доказательств мало кто из современников способен удержаться от легкого всплеска недоумения: «Ну и что! Все и так об этом знали…»
Замечательные превращения некоторых теоретических гипотез в почти достоверные факты и составляют суть «феномена предоткрытия». Предварительность, явно звучащая в этом термине, не случайна. Многие предоткрытия, даже попавшие на страницы учебников в качестве прописных истин, так и не избавились от приставки «пред». Последующие эксперименты их не подтвердили, и они были забыты так же прочно, как и рядовые неудачные предсказания. С примерами на эту тему нам еще предстоит встретиться, а пока обратимся к рассказу о более счастливых ситуациях.
На арене появляются фотон и протон
На роли патриархов физики элементарных частиц наряду с электроном претендуют, по крайней мере, еще две частицы — фотон и протон. Помимо многих и весьма разнообразных заслуг перед наукой, они представляют собой превосходные образцы объектов, предоткрытых задолго до непосредственного экспериментального обнаружения.
В последние десятилетия прошлого века было установлено, что поверхности любых металлов способны испускать поток отрицательно заряженных лучей не только под действием разности потенциалов, но и при сильном их разогреве или при падении на их поверхность света. Эти явления были названы термоэлектрическим и фотоэлектрическим эффектами соответственно. Сразу же вслед за разгадкой природы катодных лучей исследователи доказали, что оба указанных эффекта тоже сводятся к испусканию потока электронов.
Таким образом, на пороге XX века в физику вошло довольно ясное представление об электроне как о непременной составляющей структуры вещества. Действительно, практически любой доступный экспериментатору образец вещества можно было заставить испускать поток электронов, подействовав одним из трех факторов: разностью потенциалов, теплом или светом. В общем, была понятна и роль каждого из этих факторов — они представляли собой просто разные способы сообщить электрону, заточенному в веществе, некоторую энергию, необходимую для его вызволения. Но разве физики могут удовлетвориться только таким, чисто качественным объяснением! Необходимо было согласовать основные закономерности всех эффектов с существовавшей в то время теорией. Но именно на этом пути исследователи столкнулись с неожиданными и, казалось бы, непреодолимыми препятствиями.
Надо сказать, что как раз на рубеже столетий произошло крайне важное для теоретической физики событие — окончательно оформилась классическая электродинамика, претендовавшая на полное и последовательное описание электрических и магнитных явлений. Великая заслуга создателей этой науки английских физиков М. Фарадея и Дж. Максвелла состояла в том, что они ввели в рассмотрение новый объект, особое состояние материи — электромагнитное поле. Благодаря этому все известные электрические, магнитные и даже световые явления можно было свести к нескольким фундаментальным законам распространения электромагнитного поля в пространстве и его взаимодействия с электрическими зарядами. После того, как на арену физических исследований вышла первая элементарная частица — электрон, усилия теоретиков и экспериментаторов сосредоточились на поиске конкретных закономерностей его поведения под действием электромагнитного поля.
Этот пункт оказался своеобразным средоточием веры и надежды. Физики верили в классическую электродинамику, которая позволила единым образом описать десятки разрозненных фактов в блестящем согласии с опытными данными. Поэтому они вполне серьезно надеялись на успех теории и в применении к электронам. Дело было, конечно, не только в простой надежде на успех. Вопрос ставился принципиально: справится ли существующая теория с описанием взаимодействия электромагнитного поля с электроном — мельчайшей структурной составляющей вещества? Положительный ответ на этот вопрос оказался бы величайшим триумфом теории, а отрицательный — наносил непоправимый ущерб ее основам.
В такой ситуации подробное изучение фотоэффекта давало физикам исключительную возможность для экспериментальной проверки теоретических предсказаний. Согласно классической электродинамике свет представляет собой совокупность электромагнитных волн — именно в форме волн проявляется электромагнитное поле в этом случае. Всякую волну можно характеризовать, например, интенсивностью и частотой (или величиной, обратно пропорциональной частоте, — длиной волны). Чем интенсивней поле, тем больше энергии оно несет. Что же происходит во время фотоэффекта?
Чтобы вырвать с поверхности металла электрон, каким-то образом связанный с остальными элементами вещества, электромагнитная волна должна «накачивать его энергией» до тех пор, пока эта связь не порвется, то есть кинетическая энергия электрона превзойдет по абсолютной величине его потенциальную энергию. После этого электрон покидает образец вещества с некоторой скоростью. В такой картине ясно, что чем интенсивней свет, тем большую энергию способен он передать электрону и тот будет вылетать из образца с большей скоростью.
Между тем экспериментальные данные по фотоэффекту давали совсем иную, весьма странную с точки зрения электродинамики картину. Начнем с того, что от интенсивности света, падающего на образец вещества, зависело только количество вылетающих электронов. Чем более интенсивный источник света использовался в опыте, тем больше электронов вылетало, тем сильней был вызываемый ими ток, регистрировавшийся специальным устройством. Скорость же электронов (или их кинетическая энергия) зависела только от длины волны падающего света! Удивительная ситуация — в результате облучения металлического образца, скажем, синим светом, электроны вылетали бы со значительно большими скоростями, чем в случае облучения красным светом. Но какова связь между окраской света и энергией, которую он передает электронам?