«Это была чисто формальная гипотеза, и, по правде говоря, я не ожидал от нее бог весть чего, разве лишь одного — чтобы любой ценой получился положительный результат».
А дело заключалось в том, что на протяжении шести лет он искал единую формулу для распределения энергии в спектре электромагнитного излучения нагретого тела (в идеальном варианте). То, что было найдено до него, отражало раздельными формулами крайние случаи испускания длинных и коротких волн. А общее решение проблемы никому не давалось в руки. И ему не давалось, пока… Пока он не увидел, что успех достигается, если предположить… Если предположить кое–что очень странное: свет испускается и поглощается чередою отдельных порций!
Это и явилось его идеей. Для этих–то порций излучения и нашлось слово «квант» (от латинского «квантум» — «сколько»).
Впрочем, дело было, конечно, несравненно сложней. И драматичней. Явившуюся ему идею Планк вовсе не сразу осмыслил сполна. Она, эта идея, уже служила его теоретическому построению, а он не давал ей воли. Это походило вот на что: представьте, уже сделано верное изображение действительности, но оно ведет на пленке скрытую жизнь, пока не пущен в ход проявитель. Два десятилетия спустя сам Планк в Нобелевской лекции сказал, что «первый шаг», истинно вводивший в картину природы «кванты энергии», сделал не он, а другой исследователь. Справедливости ради, надо, однако, заметить, что тот отважный исследователь, делая свой решительный шаг, честь первенства все–таки отдал Планку: он написал, что «Планк ввел в физику новый гипотетический элемент — гипотезу световых квантов».
Так или иначе, а нам сейчас нужно только в простых словах выразить суть происшедшего в физике события.
…Поле и вещество постоянно взаимодействуют. И, стало быть, обмениваются энергией. Без такого обмена нет взаимодействий. И всегда представлялось, что в этом процессе есть черта непрерывности. В каком смысле? В самом удобопонятном.
Излучая свет, тело отдает окружающему полю какую–то часть своей энергии. Но можeт отдать и чуть больше и чуть меньше. И чуть–чуть больше или меньше. И чуть–чуть–чуть больше или меньше. В общем, это «чуть» может быть сколь угодно малым. А поглощая свет, тело может принять от поля тоже любые дозы энергии. Так, от непрерывной нити можно отрезать кусок, какой нам заблагорассудится. Так, из стакана можно глотнуть столько воды, сколько сумеется. Короче: истинно–непрерывное — сплошное — делится как угодно. И такой непрерывной физической сущностью — как угодно делимой — всегда представлялась энергия. И непрерывными — дробимыми на сколь угодно малые шажки — всегда представлялись физические процессы.
Это аксиоматическое, казалось бы, не нуждавшееся в доказательствах и никем никогда не доказанное, естественное убеждение приобрело силу натурфилософского принципа: «Природа не делает скачков» («натура нон фацит сальтус»).
А Планку пришлось допустить классически недопустимое: энергия излучается и поглощается только целыми квантами! Не может быть испущен квант света и еще чуть–чуть: либо один квант, либо два, три, сто, миллион, но не миллион с осьмушкой или с четвертью. Нет осьмушек, нет долей кванта. Непрерывность исчезала из картины обмена энергией между полем и веществом.
Это пришлось допустить ради вывода правильной формулы. Правильность санкционировал эксперимент. Много лет спустя, говоря о своем историческом сообщении 14 декабря 1900 года, Макс Планк со спокойным удовлетворением вспоминал:
— На следующий день утром меня разыскал коллега Рубенс и рассказал, что после заседания, глубокой ночью, он сравнил мою формулу с данными своих измерений и всюду нашел радующее согласие.
Можно ли представить лучший повод для торжества теоретика!
Но для классика Планка это заслуженное торжество было втайне отравлено антиклассичностью его хорошо работавшей идеи. Ему вовсе не хотелось посягать на принцип непрерывности в картине физических событий…
2
С молодости Планк был верен этому принципу: двумя десятилетиями раньше — в 1879 году — на страницах своей докторской диссертации он уверял, что атомистические взгляды на строение материи приводят к противоречиям. Он полагал, что дробимость вещества не может иметь предела. А теперь принужден был сам допустить, что даже у дробимости энергии есть границы!
Получалось, что кванты — безусловно неделимые сгусточки излучения. Наименьшие из возможных сгусточки света. Настоящие — в первоначальном смысле этого слова — «атомы» электромагнитного поля. И нельзя было сказать себе в оправдание или в утешение: «как бы атомы». Нет, хотя никто еще в 1900 году ничего не знал об устройстве атомов вещества, все же ясно было, что как–то они устроены и, стало быть, делимы. А кванты открылись теоретическому прозрению как нечто, заведомо не поддающееся дальнейшему измельчению. Иначе незачем было бы вводить их в теорию.
У Планка был один выход: отрицать физичность собственной идеи, а признавать лишь ее подсобную — математическую — ценность. Иными словами, введя кванты по необходимости в формулу, в картину природы их не вводить! «Рабочая гипотеза» — не больше. «Строительные леса» — вот и все. Так он и поступил.
(Тут для развлечения можно вообразить, как бенедиктинский монах Бертольд Шварц, изобретя порох и уже устроив громкий взрыв, сказал бы окружающим: «Нет–нет, я пошутил!..»)
Даже через десять лет после своего великого «акта отчаяния» уже стареющий Макс Планк призывал молодого Иоффе очень осторожно обращаться с идеей квантов: «не идти дальше, чем это крайне необходимо» и «не посягать на самый свет». Последнее означало: не думать, будто свет действительно представляет собою поток квантов.
Эта позиция Планка оставалась неизменной до конца его дней, а он умер уже после второй мировой войны почти девяностолетним стариком, зная, как физическая реальность квантов излучения была чудовищно продемонстрирована потрясенному человечеству атомными взрывами над Хиросимой и Нагасаки. Через полтора десятилетия после его смерти Нильс Бор, накануне собственной кончины, говорил историкам в своем заключительном интервью:
— …В известном смысле можно сказать, что Планк использовал последние сорок лет жизни, если не пятьдесят, на попытки устранить свое открытие из мира.
Почувствовав, что это утверждение звучит, пожалуй, слишком сильно, Бор добавил, что Планк все же испытывал удовлетворение от своего открытия. А как же тогда «попытки устранить»? «Все шло к этому…» — смягчил свое осуждение Бор.
…К счастью для познания природы, жизнь замечательных идей не подвластна воле или безволию их провозвестников. Планк в 10–х годах оттого и предостерегал молодого Иоффе от покушения на природу света, что несколькими годами раньше такое покушение уже предпринял другой молодой исследователь. И притом с несомненным успехом.
То был Эйнштейн. Его–то «первый шаг» и вспомнил Планк в Нобелевской лекции.
Двадцатишестилетнему эксперту 3–го класса из швейцарского бюро патентов почему–то крайне необходимо было то, чего чурался Планк: «идти дальше». В одном и том же 17–м томе немецких «Анналов физики» он опубликовал на протяжении 1905 года три работы, навсегда вошедшие в историю естествознания. Одна открывала путь к окончательному доказательству атомистической структуры вещества. Другая содержала последовательно осмысленные основы теории относительности. Третья вводила в физику квантовую теорию света.
Эйнштейн осмелился провозгласить физическую реальность квантов. Он заговорил о них как о частицах излучения. Буквально: как о тельцах, «локализованных в пространстве»! Если раскрыть это определение, то получится вот что: в своем движении сквозь пространство кванты все время занимают каким–то образом ограниченное место (или «локус» по–латыни). В этом выразилась вся рискованность мысли Эйнштейна.
Превращение, ставшее уделом идеи квантов, выглядит так…
В 1900 году Планк оповестил коллег: отныне излучающие тела отпускают свет теоретикам определенными порциями!
Только теоретикам, потому что на самом деле квантов нет, ими нельзя обладать: отмеренные в момент испускания неизвестным природным механизмом эти порции тотчас сливаются в непрерывный световой поток. Квант — не более чем капля, падающая в океан: там она немедленно теряет свою отдельность, свою локализованность, свою капельность.
В 1905 году Эйнштейн уведомил коллег об иной возможности: испущенные кванты — это корпускулы, сохраняющие в пространстве свою целостность!
Свет отпускается порциями не на мгновение и не только теоретикам: он действительно существует в виде потока квантов. Свидетельством тому законы фотоэлектрического эффекта — возбуждения светом электрического тока, когда световые лучи падают на металл.
Опытные законы этого явления необъяснимы, если свет вымывает из металла блуждающие там электроны, наподобие того, как морские волны постепенно размывают берега. Но эти законы становятся легко выводимыми, если верна другая картина: свет не вымывает, а выбивает электроны. Он обрушивается на вещество, как ливень. Удачливые капли–кванты сталкиваются с попавшимися на их пути электронами и отдают им свой энергетический запас. Энергии квантов и вероятностей столкновений хватает как раз на то, чтобы возникало наблюдаемое истечение электронов — фототок.
Планковские порции излучения, став эйнштейновскими световыми частицами, обнаружили черты крупиц вещества!
Нет, Эйнштейн не сказал в резерфордовском духе, будто теперь он знает, «как выглядит квант». Он не искал для этого предметных сравнений: дробинка… стрела… волновой гребешок. Ему не представилось ничего такого — модельно–механического. Ему довольно было умозаключения: в квантах классического электромагнитного поля явственны свойства обыкновенных частиц.
Как просто и как непонятно! Эйнштейн задал непосильную работу нашему воображению. И непостижимо, как его собственное воображение смирилось с тем, что тут открылось…
….Вот что произошло в физике микромира еще прежде, чем появилась загадка устойчивости планетарного атома: на протяжении пяти лет — в два приема — стартовала теория квантов, чтобы со своей стороны стать, по выражению Макса Планка, источником непреходящего мучительного беспокойства для ученых.
Однако почему же мучительного?
Но сначала — для ясности ответа — кое–что о другом…
3
Пережил ли и Эйнштейн в час своей решимости хоть малейший приступ отчаяния или ему в отличие от Планка это чувство осталось незнакомым?
Впечатление такое, что за скучным конторским столом в бюро патентов и на приветливых улицах швейцарской столицы он одиноко наслаждался своими теоретическими видениями. И нимало не огорчался из–за их явной несовместимости со здравым физическим смыслом. Чудится: его вела победительная моцартовская беззаботность, когда на протяжении одного года он предлагал дисциплинированно мыслящему читателю «Анналов физики» удивительные плоды своих размышлений. Совсем по Пушкину — как в минуту встречи Моцарта с Сальери:
…Ага! увидел ты! а мне хотелось Тебя нежданной шуткой угостить…
Кажется даже, что его нежданные и сверхсерьезные шутки никак нельзя было назвать плодами долгих размышлений. Точнее, чем к кому бы то ни было в физике нашего века, подходили к нему слова, сказанные некогда о Леонардо: «Силы в нем было много, и сочеталась она с легкостью». Если в том году— 1905–м — исполнилось ему всего двадцать шесть, то откуда же было взяться сроку на томительно долгое выращивание плодов? Решали не затраченные часы и дни, а мощь и свобода мысли. Пожалуй, свобода поражает еще больше, чем мощь, и легкость — еще больше, чем сила.
Нежданными «шутками» для физического здравомыслия звучали многие утверждения теории относительности.
И ряду из них предстояло сыграть крайне важную роль в нашей хорошей истории.
…Масса всегда почиталась неизменным достоянием всякого тела, пока оно сохраняет свою цельность. А теперь вдруг обнаружилось, что масса относительна: в покое — одна, в движении — другая. Ее величина возрастет с увеличением скорости тела.
Отчего же никто в течение веков не замечал ничего подобного?
Ответ в математическом законе этого возрастания массы: оно ничтожно, пока скорость движения мала по сравнению со скоростью света, и потому совершенно неощутимо в нашем мире медленных и тяжелых вещей. В земном обиходе представляется колоссальной даже скорость звука — 340 метров в секунду. Но эта скорость почти в миллион раз меньше световой: свет пролетает в секунду 300 000 километров. И по закону, установленному Эйнштейном, современный сверхзвуковой самолет тяжелеет в полете примерно на одну триллионную долю своего первоначального веса в покое — на аэродроме. Одна триллионная (10–12) — если масса самолета, допустим, 10 тонн, то это — одна стотысячная грамма. Как ощутить и замерить такую малость? Естественно, что в прежние века, когда земные экипажи двигались совсем уж неторопливо, никакие наблюдения не могли подсказать исследователям мысль о возможной зависимости массы от скорости.
Что же подсказало ее Эйнштейну? Разумеется, тоже не прямые наблюдения. К ней привела неумолимая логика. А она опиралась на открывшиеся ему неклассические черты в устройстве времени и пространства. Ну а эти черты открылись не без участия тонкого и очень точного эксперимента.