Даниил Данин - Неизбежность странного мира

Раньше промелькнула перед нами картинка: камень на удочке опущен в пруд и колеблется, возбуждая все новые и новые волны в воде. Чем быстрее он колеблется, тем чаще отчаливают волны. На более быстрые колебания нужна в единицу времени затрата большей энергии. Она передается от камня волнам, и они уносят ее на своих гребнях к берегам. Пусть камень совершит за секунду одно полное колебание — отчалит одна волна. Пусть в другой раз число колебаний будет в десять раз больше — за секунду отчалят десять волн, и они унесут соответственно больше энергии.

Теперь нужно совершить маленький подвиг воображения: представим себе, что пруд наш разросся в гигантский океан, так что от камня до берегов — 300 тысяч километров, а в океане этом пусть не будет никакой воды — пусть камень на удочке сам источает нечто волнообразно колеблющееся и это «нечто» спешит к берегам со скоростью света. Одно колебание в секунду — и одна волна докатывается за секунду до берега. Сто колебаний камня — и сто волн ударяют о берег в течение такого же секундного промежутка. А размах колебаний камня один и тот же, и поэтому сто волн приносят пропорционально больше энергии.

Как просто: энергию, переносимую нашим «нечто», что источает воображаемый камень — источник волн, можно определять по числу гребешков в океане! Довершим этот маленький мысленный подвиг — проследим за первой и второй секундными порциями колебаний. Первая дала всего одну волну, но «нечто», испущенное камнем, раскинулось на все пространство океана. Волна пронеслась пологая, неощутимая. А вторая порция породила сто волн, но и они распространили «нечто» на весь океан, ибо это «нечто» движется от камня в обоих случаях с одинаковой скоростью. И вот там, где была одна волна, теперь уместились сто. Каждая в сто раз короче, но потому и круче, выраженней, ощутимей.

И нельзя не заметить, что на создание ста волн камень должен был израсходовать больше своего «нечто», потому что, как и при одной волне, оно все равно за секунду покрыло весь океан. Не нужно быть женщиной, чтобы сразу понять: на гофрированную юбку уходит больше материала, чем на гладкую. И не надо быть строителем, чтобы сообразить: крыша из волнистой черепицы тяжелее, чем из плоской…

Сто волн доставили к берегам больше израсходованного камнем «нечто» и вместе с тем больше потерянной камней энергии. Так, может быть, это «нечто» и энергия — просто одно и то же?

Так, колеблющийся электрон излучает в пространство электромагнитное поле. Что оно такое? Тоже «нечто»! Как о самом электричестве, об этом поле нам нечего больше сказать. Но нам всего важнее, что оно несет в себе энергию. Оно уносит энергию источника колебаний порциями. И теперь мы можем хотя бы отдаленно представить себе, как проявляется в этих порциях волновая природа излучения. Частотой колебаний электромагнитного поля или длиною электромагнитных волн отличаются одна от другой разные порции, или кванты, световой энергии.

Можно записать математическими значками эту закономерность, и мы увидим, как выглядит знаменитая формула Планка:

E = hν

где h — всегда неизменная величина, «мировая постоянная»,

ν — частота колебаний,

E — энергия кванта.

Эта формула столь же прекрасна в своей удивительной простоте, как закон Эйнштейна для связи энергии и массы частиц. Нет, она еще проще. И в ней, как мы увидим, уже исчезает различие между полем и веществом…

«Фотон фиолетового света в два раза больше красного фотона». Услышав такую фразу, мы теперь вряд ли будем рисовать себе более «пухлую» фиолетовую корпускулу.

Как заманчиво было бы сравнить фотоны с плитками волнистой черепицы: все они одинаковы по размерам, но у фиолетовой плитки волнистость в два раза гуще, чем у красной, а стало быть, волны на ней в два раза короче, и материала пошло на нее в два раза больше, чем на красную соседку. Да вот несчастье — ничего нельзя сказать о геометрических размерах фотонов, и колеблется в них не сама энергия-масса, а напряженности (или силы) электрического и магнитного полей. Словом, угодить всем особенностям фотона в житейски понятном сравнении невозможно. Бесцельно искать для него механическую модель. Поиски обречены на неудачу!

Когда фотон взаимодействует с электроном и отдает ему свою энергию, ученые вспоминают бильярдные шарики — их столкновение. И невольно создается впечатление, что частица света — действительно частица, и только частица! Масса у нее есть? Есть. Это масса ее энергии. Направление движения есть? Есть. Это направление луча. Что еще нужно?