Занимаясь изучением законов теплового излучения черного тела, Планк получил формулу для объемной плотности электромагнитной энергии. Эта формула давала результаты, прекрасно совпадающие с опытом, однако она не только не вытекала из законов классической физики, но и находилась с ними в резком противоречии. Дело в том, что она получалась только в случае, если допустить, что световая энергия излучается или поглощается кратно некоторому наименьшему ее количеству, то есть состоит из порций, «атомов», которые Планк назвал квантами («квант» означает «порция»).
Величина этой энергии Е изменяется в зависимости от частоты колебаний ω («ни») и связана с ней простым отношением:
Е = hω,
где коэффициент пропорциональности h = 6,62 10-27 эрг/сек.
Коэффициент пропорциональности h получил название «постоянной Планка».
Эта простая формула — одна из самых фундаментальных формул современной физики.
Другая фундаментальная формула современной физики — это формула Альберта Эйнштейна, полученная им в 1905 году. С ее помощью можно рассчитать полное содержание энергии Е в теле, и выглядит она так:
Е = mс2,
где с — скорость света, равная примерно 300 тысячам километров в секунду, или 3·1010 см/сек, а т — масса движущегося тела. Если масса выражается в граммах, а скорость света в см/сек, то полная энергия тела получится в эргах.
Формулы Планка и Эйнштейна — это символы всего современного естествознания. Они настолько тесно связаны с духом и философией новой физики, так часто встречаются в ее расчетах и в то же время так просты, что их теперь знает (по крайней мере, по написанию) любой интеллигентный человек, даже далеко стоящий от физики и математики.
Открытие «атомов энергии» расширило понятие материи. Возникло представление о двух формах материи: вещественной и лучистой, как говорили раньше, или материи поля, как говорят теперь.
А какие бывают по величине кванты энергии? Интересно сравнить их значение с теми количествами энергии, с которыми имеет дело обычная человеческая практика (см. «Путаница и разъяснение понятий» в начале третьей главы).
Обратимся для примера к волнам видимого света. Это электромагнитные колебания с диапазоном частоты от 4,3·1014 колебаний в секунду (для красного света) до 7·1014 колебаний в секунду (для фиолетового света). Если помножить указанные значения на постоянную Планка, то получатся значения «атомов энергии» — квантов, выраженные в эргах для обеих границ видимого спектра: 28,46·10-13 и 46,34·10-13 эрг.
Десятитриллионные доли эрга! Из таких «атомов» складывается энергия, которую несут в себе лучи красного и фиолетового света. При этом фиолетовый свет состоит из квантов с энергией почти вдвое большей, чем кванты красного света. Чем выше частота колебаний, тем больше энергия квантов, тем большую работу они способны произвести.
В формуле Планка не отражена природа рассматриваемого физического движения. Это значит, что формулу можно считать применимой для любого движения, так как атомарное строение присуще всякой форме колебательной энергии, например и звуковой. Так, есть, например, и «кванты» звука, которые приобретают в наши дни особое практическое значение в связи с распространением ультразвуковой техники.
Вернемся к свету. Энергия света имеет атомарное строение. Но несколько позже Эйнштейн пришел к выводу, что атомарное строение присуще и другой важнейшей характеристике света — его импульсу. Это дало новый повод говорить, что и сам свет имеет атомарное строение, состоит из частиц, которые были названы фотонами. (По аналогии с фотонами «частицы» звука стали называть фононами.)
Пользуясь формулой Эйнштейна, можно вычислить, что выбранные нами выше фотоны света обладают массами 3,16·10-33 грамма и 5,15·10-33 грамма. Как видим, числовые значения, получающиеся при этом, более чем ничтожны, если подходить к ним с точки зрения обычных для нас масштабов.
Теперь в опыте Столетова все становится понятным. Световые «пульки» выбивают из вещества отрицательно заряженной пластинки электроны, последние тотчас же начинают притягиваться положительно заряженной пластинкой, в результате чего в схеме возникает электрический ток. Это явление было названо фотоэффектом.
В современной жизни фотоэффект находит себе большое практическое применение. Многие, быть может не подозревая об этом, встречаются с ним, опуская монетку в контрольный турникет метро; им пользуются в автоматических установках, предупреждающих о пожарах; экспонометры фотолюбителей, телевизионные камеры, сторожевая сигнализация — вот несколько типичных применений фотоэффекта, обусловленного квантовой структурой света.
Итак, свет состоит из мельчайших частиц — фотонов. Все же по отношению к фотону термин «частица» применим лишь с весьма существенными оговорками. Можно сказать приблизительно так: распространяясь, свет действует как волна, излучаясь или поглощаясь, — как частица. Частица ограничена в пространстве, ее поперечник можно измерить, скажем, в миллиметрах. А фотон никакого поперечника не имеет. Обладая некоторыми свойствами частицы, свет в то же время является и волнами, простирающимися в бесконечность.
Есть и другие отличия фотона от «обычной» частицы. Фотон существует лишь в движении, причем всегда с одной и той же скоростью, а именно: со скоростью света. Частица же вещества бывает и в покое и в движении с различными скоростями, но никогда не достигает скорости света. В связи с этим фотон, скорость которого неизменна, обладает и неизменной массой; масса же частицы вещества возрастает от некоторой минимальной «массы покоя» (которой не обладает фотон) до неограниченно большой величины при приближении скорости частицы к скорости света.
Если масса электрона в состоянии покоя и при относительно небольших скоростях составляет 9,1·10-28 грамма, то с достижением 0,998 скорости света она увеличивается примерно в 16 раз, при дальнейшем же приближении к скорости света масса возрастает неограниченно.
«Почему, — задал себе в начале 20-х годов вопрос французский физик Луи де Бройль, — если „световой материи“ присущи свойства корпускулярности, мы не вправе ожидать и обратного: что „вещественной материи“ присущи волновые свойства? Почему бы не мог существовать закон, единый для всякого вообще материального образования, неважно вещественного или светового?»
Если это так, то всякой частице вещества должно соответствовать определенное периодическое, волновое явление, зависящее от массы частицы и от скорости ее движения.
Гипотеза де Бройля была подтверждена опытами американских физиков К. Дж. Дэвиссона и Л. Джермера, открывших в 1927 году явление дифракции электронов. Дифракция, то есть загибание лучей после прохождения ими узких щелей или мимо малых препятствий, — типично волновое явление. Оно свойственно только волнам. И вот оказалось, что и пучок электронов, двигающихся с достаточно большими скоростями, если пропускать его через очень тонкие (порядка одной миллионной сантиметра) металлические пластинки, также обнаруживает дифракцию — аналогично рентгеновым лучам. Впоследствии дифракция была обнаружена и у более тяжелых частиц — нейтронов, атомов и молекул.
Именно с 1927 года, то есть с года открытия явления дифракции электронов, начала быстро развиваться совершенно новая физическая теория — теория движений очень маленьких частиц вещества, получившая название «квантовая механика». С этого времени два теоретических представления — о квантовых чертах оптических явлений (корпускулярная теория «световой материи») и о волновых чертах поведения частиц вещества (волновая теория «вещественной материи») слились в одно представление о корпускулярно-волновой «двойственности», или, как говорят еще, дуализме как света, так и вещества.
