Совершенствование теории света связано с именами выдающихся ученных К. Максвелла, А. Эйнштейна, М. Планка. Какие новые идеи внесли они в эту теорию?

Следующий крутой поворот в понимании природы света связан с именем шотландского ученого Джемса Клерка Максвелла. Он принял из всей волновой теории только идею о распространении света в виде поперечных волн, придав им совершенно новую природу.

В 1867 году Д. Максвелл завершил разработку своей теории света. Он считал, что любое световое поляризованное колебание образуется под действием двух сил, действующих в плоскостях, перпендикулярных друг другу. Одна сила вызывает колебания электрического поля, а другая магнитного. Оба колебания являются поперечными и не могут существовать друг без друга. Открыта была неразлучная пара, не подверженная никаким раздорам и разводам.

Эта удивительная теория, названная электромагнитной, предсказала не только новые оптические явления (позже подтвержденные опытами), но также существование и свойства радиоволн! Это истинный пример могущества теории.

Новая теория вскоре позволила установить поразительную общность, казалось бы, несвязанных явлений. Ультрафиолетовый свет, видимый свет, тепловое излучение и радиоволны оказались одним и тем же электромагнитным излучением, отличающимся лишь длинами своих волн.

Теперь стало ясно, что семь цветов спектра белого Цвета есть семь световых колебаний с различной длиной волны. (И стало ясно, что человек почти слеп!

Из гигантского спектра электромагнитных колебании, существующих в природе, глаз реагирует только на ничтожную полоску видимого света.)

Вместе с тем электромагнитная теория вынуждена была наделить эфир еще одним свойством: способностью к поддержанию и распространению электромагнитных колебаний. Такая многогранность вездесущего эфира терзала ученых. И они все чаще стали задаваться вопросом: существует ли он на самом деле?

Ответ на этот вопрос взялся дать блестящий физик-экспериментатор А. Майкельсон. Он попытался обнаружить так называемый эфирный ветер около Земли, выяснив, влияет ли движение Земли по околосолнечной орбите (ее скорость составляет 30 километров в секунду) на скорость света (которая в 10 000 раз больше).

К своему величайшему удивлению, А. Майкельсон обнаружил, что не было никакой разницы в том, направлен ли луч света по движению Земли или против. Скорость света в обоих случаях оставалась неизменной. Следовательно, либо эфира не существует вообще, либо его надо снова наделять дополнительными свойствами, не позволявшими обнаружить его в опыте.

Независимость скорости света от скорости источника или приемника стала мучительной загадкой. Ломал над ней голову и двадцатипятилетний физик А. Эйнштейн. В конце концов он решился на очень смелый шаг. "Очень хорошо, - сказал он, - давайте постулируем, что скорость света всегда постоянна (именно всегда - идем ли мы рядом с лучом пешком или мчимся на сверхбыстрой ракете - скорость луча относительно нас всегда одинакова), и посмотрим, к чему все это приведет?"

А привело это к грандиозной революции, к выявлению новых неожиданных свойств материи. Например, люди всегда считали, опираясь на свой ежедневный опыт, что масса тела и его размеры есть величина постоянная. Но это оказалось жестоким заблуждением. Из строгих и вместе с тем простых расчетов А. Эйнштейна следовало, что с ростом скорости тела его масса увеличивается, а размеры вдоль движения уменьшаются. Более того, при приближении скорости тела к скорости света масса его стремится стать бесконечно большой, а длина - к нулевому значению. Эти результаты сначала выглядели фантастическими. Но скоро были подтверждены различными экспериментами.

Итак, в начале XX века родилась и получила признание теория относительности А. Эйнштейна, которая не противоречила волновой теории. Последняя успешно развивалась, приносила все новые плоды и, казалось, навеки закрепилась в седле.

Но два простых опыта упорно не хотели подчиняться этой могучей теории. Так, если нагреть кусок металла до красного каления, то он дает широкий спектр излучения. Теория утверждала, что с уменьшением длины волны энергия в этой части спектра должна возрастать, и опыт действительно давал сначала возрастание, но потом неожиданно наступал резкий спад. Появлялся необъяснимый горб в кривой излучения. Вторая неувязка выявилась при сильном охлаждении: чем ближе была температура тела к абсолютному нулю, тем меньше становилась теплоемкость, что тоже не согласовывалось с теорией.

Волновая теория, а с ней классическая физика, зашла в тупик: теория и опыт явно враждовали. Тут вспоминаются слова одного физика: "Теория подобна мыши - она пролезет сквозь девять дыр, но в десятой застревает".

Потребовалось "безумие" М. Планка, выдающегося немецкого физика-теоретика, чтобы найти выход из этого тупика.

В электромагнитной теории молчаливо предполагалось, что если тело излучает свет, то только непрерывным образом, и возможны даже бесконечно малые изменения количества излучения. М. Планк отверг эту непрерывность, считая ее принципиально ошибочной и заманившей физику в тупик.

Мысль его сводилась к следующему: если тело излучает на некоторой определенной частоте, то оно излучает лишь в количествах, которые могут изменяться только скачкообразно. Таким образом, вся излучаемая энергия является суммой величин, кратных некоторому минимальному количеству, которое он назвал квантом. Оказалось, что квант легко вычислить; для этого надо частоту, на которой происходит излучение, умножить на некое постоянное для всех частот число, впоследствии названное постоянной Планка. Получилась очень простая и очень знаменитая формула: F = h · υ, то есть энергия кванта равна постоянной Планка, умноженной на частоту излучения.

Итак, по новой теории в акте излучения: теплового, светового или радиоволн - энергию нельзя рассматривать как непрерывную величину, а только как сумму отдельных квантов. При этом М. Планк рассматривал молекулы излучающего вещества как элементарные вибраторы, колебания которых и создают излучения.

На основе этих двух идей М. Планк вывел новую формулу для излучения, которая с замечательной точностью согласовывалась с опытом.

Вскоре А. Эйнштейн, воспользовавшись идеей квантов, вывел новый закон удельной теплоемкости. Он считал при этом, что если излучение происходит квантами, то и поглощение тепла обязательно должно происходить квантами. В этом законе также фигурировав ла постоянная М. Планка, и он также хорошо подтверждался опытом.

Следующий революционный шаг в теории света был сделан в связи с исследованием фотоэффекта. Суть этого явления сводится к выбиванию светом электронов из металла. Так свет, падающий на фотоэкспонометр, выбивает электроны, которые создают ток, поворачивающий стрелку. А. Эйнштейн не только установил количественную связь между энергией света, падающей на некоторую поверхность, и энергией вырываемых из нее электронов, но и показал, что свет есть град отдельных квантов. При этом каждый квант несет полную порцию энергии, определенную М. Планком.

Хотя теория М. Планка и до этого требовала, чтобы энергия излучалась и поглощалась определенными порциями, при этом безоговорочно предполагалось, что порции эти движутся в пространстве как непрерывная электромагнитная волна. А. Эйнштейн снова сделал гигантский шаг вперед, открыв, что свет не только излучается и поглощается квантами, но и перемещается в пространстве в виде отдельных порций, дискретных пакетов.

Но ведь это почти возврат к ньютоновским корпускулам! Если хотите, то да! А. Эйнштейн приписывает электромагнитному излучению свойства частиц! Эти частицы получили название фотонов.

И фотоэффект, и ряд других явлений абсолютно не возможно объяснить, не приняв идею фотонов - неких частиц, перемещающихся со скоростью света и несущих определенную порцию энергии.

Таким образом, свет приобрел своего рода атомистичность, угаданную еще гением И. Ньютона. Гипотеза эфира к этому времени настолько захирела, что стала достоянием истории (в память о ней остались лишь словечки в словаре радистов, вроде "выйти в эфир" и тому подобное).

Если читатель, дочитав до этого места, решит, что наконец-то загадка света решена окончательно, то боюсь, что он будет слишком оптимистичен. Несмотря на гениальные открытия, мы опять находимся в тупике. В самом деле, для объяснения таких явлений, как дифракция и интерференция света, мы вынуждены применять волновую теорию света, а для объяснения фотоэффекта мы не можем обойтись без фотонов. Что же существует на самом деле - волна или фотон? Какой лик у этого Януса настоящий?

Надо честно признаться, что полное досье на эту двуликую фигуру не составлено современной физикой. И эта дилемма - волны или частицы - выходит далеко за рамки теории света. Она .существует и в физике элементарных частиц, и в физике волновых явлений.

Любопытно отметить, что в некоторых экспериментах свет ведет себя только как волны, в других только как поток фотонов, но никогда свет не вел себя одно временно и как волны и как частицы. Было сделано несколько попыток выйти из этого тупика, как-то объяснить механизм, с помощью которого Янус показывает нам то одно, то другое лицо и никогда оба сразу.

Но пока они довольно туманны и неубедительны. Однако это отнюдь не останавливает физиков, они ловко маневрируют волнами и фотонами, забывая то об одних, то о других в зависимости от решаемой задачи. И это продолжает приносить прекрасные плоды.

Что же следует из нашего рассмотрения?

Мы увидели, что такой, казалось бы, простой носитель информации, как световой луч, оказался невообразимо сложным по своей природе и до сих пор его, тайна полностью не раскрыта. Вместе с тем изучение света приводило к ряду воистину революционных идей, которые коренным образом изменяли представления людей не только об этом явлении, но и о природе материи вообще.

В процессе эволюции большинство представителей животного царства научилось воспринимать информацию, приносимую световым лучом. (Зрение не облегчило бы растениям, прикованным корнями к одному месту, борьбу за существование. Поэтому эволюция и не дала им этой изумительной возможности - видеть окружающий мир.)

Сначала это был солнечный свет, редкие вспышки молний да лесные пожары. Затем человек научился сам добывать огонь, и у него появился свой источник света. Он уже мог сражаться с тьмой. Сейчас для создания света человек широко эксплуатирует электроны, которые до этого просто "бесполезно", хаотически двигались в металлах. Но и этого было ему мало, он поднял руку на само... солнце, которому не так уж давно молился. Он создал источник света в тысячу солнц: известный всем лазер.