Природа света Макса Планка

Титульный лист брошюры: Макс Планк, «Природа света», 1922. Вверху – автограф переводчика Макса Блоха.

Автор перевода с немецкого, известный историк естествознания и химии, основатель Научного химико-технического издательства (1916) Макс Абрамович Блох уточняет: «Предлагаемый вниманию читателей перевод статьи проф. М. Планка «Природа света» представляет лекцию, читанную им в Kaiser Wilhelm Gesellschaft, вышедшую в течение одного года в Германии вторым изданием (в издательстве Springer’а в Берлине). Пропущены лишь несколько фраз, вызывавшихся характером публичной лекции. В типичной для его стиля форме знаменитый берлинский физик показывает применение своей теории квант в учении о свете».

Насколько нам известно, на русском языке эта небольшая популярная статья Макса Планка больше не переиздавалась. С некоторыми сокращениями мы воспроизводим ее. Возможно, это будет небезынтересно для историков науки. Орфография, пунктуация и написание некоторых имен – как в оригинале. Мы лишь позволили себе разбить текст Планка на отдельные главы, отбив их звездочками.

Редакция «НГ-науки»

Макс Планк

Первой задачей физической оптики, предпосылкой возможности чисто физической теории света является разложение всего комплекса процессов, связанных с ощущением света, на объек­тивную и субъективную части. И действительно, какая идея могла бы казаться для непредубежденного более ясной и определенной, чем мысль, что нельзя себе представить света без воспринимающего глаза, что такая возможность – бессмыслица. Но то, что мы понимаем в таком случае под светом, совершенно отлично от светового луча физика, и хотя ради простоты в обоих случаях мы пользу­емся одним и тем же термином, однако физическое учение о свете, или оптика, во всей своей совокупности имеет столь же мало общего с человеческим глазом или со световым ощущением, как, например, учение о колебаниях маятника с ощущением звука, и именно этот отказ от всякого чувственного ощущения, это ограничение чисто объективным реальным процессом, пред­ставляющее, конечно, значительную жертву, принесенную в инте­ресах чистого познания с точки зрения непосредственного чело­веческого интереса, расчистило путь теории, расширив ее сверх всякого ожидания, и принесло для практических потребностей человечества богатые плоды.

* * *

Для разрешения вопроса о физической природе световых лучей решающее значение имело открытие, что свет, как исходящий от звезд, так и получаемый из земных источников света, требует определенного измеряемого времени, чтобы дойти с места своего возникновения к месту восприятия. Что же это такое, что распространяется в пустом мировом пространстве или атмосферном воздухе по всем направлениям с невероятной скоростью 300 000 километров в секунду? Основатель классической механики, Исаак Ньютон, сделал простейшее и наиболее вероятное пред­положение, что определенные, чрезвычайно маленькие веществен­ные частички летят от светового источника накаленного тела по всем направлениям со скоростью, различной для разных цветов. Мы здесь встречаемся с примером, поразительным еще и в на­стоящее время, что даже и в самой точной из всех естественных наук выдающийся авторитет при известных условиях может оказать задерживающее влияние на развитие науки. Ведь эта теория эманации Ньютона в течение целого столетия несомненно господствовала, несмотря на то что другой выдающийся исследо­ватель, Христиан Гюйгенс, противопоставил ей свою теорию, ко­торая с самого начала была более пригодна. Гюйгенс в основание своей теории положил световой эфир, тонкую материю, постоянно наполняющую все бесконечное пространство, волны которой вызывают в глазу такие же световые ощущения, какое волны воздуха в ухе: подобно тому, как для слуха высота тона, так и для зрения цвет характеризуется длиной волн или, что то же самое, количеством колебаний в секунду. Теория Гюйгенса после упорной борьбы одержала решительный перевес над теорией Ньютона, между прочим, благодаря тому факту, что если два световых луча одинакового цвета встре­чаются на одном и том же пути, – их интенсивность вовсе не всегда просто слагается, но при известных условиях даже уменьшается и может совершенно исчезнуть. Это явление интерференции, по воззрению Гюйгенса объясняющееся тем, что всегда гребень волны одного луча совпадает со скатом волны другого луча. Ньютоновская теория эманации совершенно не в состоянии объяснить этого явления, так как отнюдь нельзя себе пред­ставить, каким образом две равнозначные, летящие в одинаковом направлении с тою же скоростью частицы вещества взаимно могут нейтрализоваться.

Новый, принципиально значительный шаг вперед в понимании природы света был сделан благодаря установлению идентичности световых и тепловых лучей. Этот факт означает собою первый шаг на уже намеченном выше пути полной абстракции от человеческих чувственных восприятий. Утверждение, что холодные световые лучи луны в физическом смысле тождественны с темными тепловыми лучами изразцовой печи, отличаясь от них лишь значительно меньшей длиною, принадлежит к числу тех постулатов, относительно которых нельзя удивляться, что они сначала вызывали большие сомнения. Весьма любопытно, что, именно, тот физик, который принимал самое выдающееся участие в доказательстве его справедливости, Меллони, первоначально производил свои опыты с целью доказать неправильность этого воззрения.

Макс Планк: «Исаак Ньютон, сделал предположение, что вещественные частички летят от светового источника со скоростью, различной для разных цветов». В Музее мадам Тюссо (Лондон) к Ньютону не зарастает народная тропа. Фото Андрея Ваганова

Не только Ньютон и Гюйгенс, но и их непосредственные последователи, при всем ином различии своих взглядов, сходились, однако, в том, что природу света можно понять, только исходя из механического воззрения на природу, и это направление науч­ного мышления получило впоследствии мощную поддержку в бле­стящем развитии механической теории теплоты, связанной с откры­тием принципа сохранения энергии. Открытие поляризации вскоре показало, что движение эфира происходит не в направлении движения воздуха, как во флейте, в продольном направлении распро­странения, а подобно колебанию струн скрипки распространяется поперечно, перпендикулярно к направлению распространения. Исходя из законов общей механики и учения об упругости, не удавалось ближе изучить природу этого движения, и чем больше возникало гипотез на почве механической теории света, то при­нимавших эфир постоянно расширяющимся, то атомистически построенным, тем яснее обнаруживалась слабость каждой из этих гипотез. В середине прошлого столетия Клерк Максуэл (Джеймс Клерк Максвелл. – «НГ-наука») выступил со смелой гипотезой, что свет представляет собою явление электромагнитное. Его теория электричества привела его к выводу, что каждое электрическое возмущение распространяется от места своего возникновения в пустом пространстве волно­образно со скоростью 300 000 километров в секунду, и совпа­дение этих чисел, полученных из чисто электрических измерений, с величиной скорости света дало ему первый повод рассматривать свет именно как электромагнитное явление.

Правда, природа электромагнитных процессов нам ничуть не понятнее, чем природа оптических, но кто поставил бы электромагнитной теории света в упрек, что она на место одной нераз­решенной загадки ставит другую, тот не понял бы значения этой теории, так как ее смысл состоит именно в том, что она сумела соединить воедино две области физики, до сих пор отличные, так что все положения, карающиеся одной области, применимы и в другой. Этого успеха не достигла и не могла достигнуть механическая теория света. Когда и где будет сделан этот последний шаг – слияние механики с электродинамикой, пока еще не ясно. Хотя как раз в настоящее время многие гениаль­ные исследователи работают над этим вопросом, но пока он еще не кажется вполне зрелым для своего разрешения. Во всяком случае, механическое воззрение на природу, которое стремилось влить электродинамику в механику, рассматривая эфир или, если это было недостаточно, его заместителей, как носителя всех электрических явлений, в настоящее время у большинства физиков сильно отступило па задний план. Одно из следствий, вытекающих из теории относительности Эйнштейна, состоит в том, что является невозможность существования объективного, то есть независимого от измеряющего наблюдателя, вещественного эфира, так как в противном случае из двух двигающихся друг против друга в пространстве наблюдателей лишь один имел бы право утверждать, что он находится по отношению к эфиру в состоя­нии покоя, в то время как по теории относительности каждому из них присущи одинаковые права.

То, что Максуэл лишь мог пророчески предсказать, по прошествии человеческой жизни превратилось в факт. Гейнрих Герц научил нас действительно получать вычисленные Максуэлем электромагнитные волны, и, таким образом, он содействовал окончательной победе электромагнитной теории света, по которой электрические волны отличаются от термических и оптических лишь длиной волны. Таким образом, оптический спектр расши­рился непредвиденным образом в сторону медленных колебаний; вскоре эта теория могла также успешно развиться в противопо­ложном направлении благодаря открытию рентгеновских лучей и еще значительно скорее колеблющихся, так называемых γ-лучей (гамма-лучей. – «НГ-наука») радио­активных веществ. Эти лучи имеют характер световых лу­чей, они также представляют электромагнитные колебания лишь значительно более коротких волн. Недавно открытое Лауэ явление интерференции рентгеновских лучей еще более подтверждало подчинение их тем же законам. Интересно отметить, как легко и, так сказать, незаметно в физической литературе совершился переход от механического к электромагнитному воззрению. Это является хорошим примером того, что суть физи­ческой теории не лежит в воззрениях, из которых она исходит, а в тех законах, к которым она приводит.

* * *

Не впервые важная и широко поставленная задача разрешается таким путем, который затем оказывается неправильным. Можно было бы сделать попытку вывести отсюда заклю­чение, что для теории было бы лучше вообще отказаться от разработки гипотез, выходящих за пределы непосредственного опыта, и ограничиться чисто фактическими результатами, то е.сть результатами измерений; она, таким образом, отказалась бы от важного вспомогательного средства, которое ей необходимо для дальнейшего логического развития поступательного хода научного мышления. Для этого нужен не только ум, но и фантазия. На самом деле, если даже механическая теория света отслужила свою службу, не будь ее, несомненно, оптика не достигла бы так быстро своего современного развития. Теория колебаний Гюйгенса также сохранила и после возникновения электромагнитной теории свой основной смысл, гласящий, что каждое возбуждение передается от центра возбуждения по всем направлениям в виде концентрических шаровых волн, с тою только разницею, что теперь то, что распространяется, не рас­сматривается больше как механическая, а как электромагнитная энергия, так как периодические колебания эфира заменяются колеблющейся электрической и магнитной силой поля.

С этой более широкой точки зрения учение о свете или, как теперь часто точнее говорят, о лучистой энергии предста­вляет собою картину прочного, однородного, замкнутого, испо­линского строения, в котором все электромагнитные колебания, как бы они ни были совершенно различны, находят в порядке свое место и, как волны Герца длиной в километр, с одной сто­роны, так с другой стороны, жесткие -лучи, миллиарды волн которых приходятся на один-единственный сантиметр, все под­чиняются одним и тем же законам передвижения, согласно теории волн Гюйгенса. Таким образом, в оптике отделение физического основного понятия от специфически чувственного ощущения произошло совершенно так же, как в механике, где понятие силы уже давно потеряло свою первоначальную связь с ощущениями мускулов.

Макс Планк: «Согласно смелой гипотезе датского Физика Нильса Бора, эмиссия света происходит в виде ударов… Остающийся при этом избыток энергии оставляет атом и вылетает в пространство в виде световых квант».  Конверт Почты Гренландии, посвященный Нильсу Бору.

Если бы я читал свою лекцию лет 20 тому назад, то я на этом место закончил бы ее, так как едва ли мог бы сообщить что-нибудь новое, увеличившее эффект величественной картины, но, вероятно, я бы тогда вообще не читал своей лекции из опасения сообщить только очень мало нового. В настоящее время все это преобразилось, так как с того времени кар­тина совершенно изменилась. Незыблемое здание, которое я только что показал вам, дало в новейшее время в своих основах весьма значительные трещины, и немало физиков уже ныне считают необходимым новое его фундаментирование. Хотя электро­магнитное воззрение, вероятно, навсегда останется незыблемым, но теория волн Гюйгенса кажется серьезно поколебленной, по крайней мере в своей существенной части, вследствие открытия некоторых новых фактов. Вместо того, чтобы из накопившегося многообразного материала сообщить вам возможно больше, я подробно остановлюсь лишь на одном из этих фактов.

Если действовать ультра-фиолетовым светом на кусок металла, находящегося в разреженном пространстве, то из металла выделится с большей или меньшей скоростью определенное количество электронов, и так как величина этой скорости зави­сит, главным образом, не от состояния металла, в особенности не от его температуры, то весьма вероятно заключение, что энергия выделяющихся электронов исходит не от металла, но от световых лучей, которые падают на металл. В этом не было бы ничего удивительного, нужно было бы только допустить, что электромагнитная энергия световых волн превратилась в кинетическую энергию движения электронов. Но непреодолимое затруд­нение теория волн Гюйгенса встретила в впервые установленном Филиппом Ленардом факте, что скорость электронов зависит не от интенсивности излучения, но от длины волны, то есть цвета применяемого света, причем она тем значительнее, чем короче применяемые волны. Если удалять металл на все большее расстояние от источника света, каковым служит, например, электри­ческая искра разряда, то, несмотря на более слабое освещение, электроны все-таки будут вылетать с тою же скоростью. Единственное отличие заключается в том, что с уменьшением силы света количество пролетающих в секунду электронов постоянно уменьшается.

Представляется затруднительным ответить на вопрос, откуда пролетающие электроны получают свою энергию движения, если, наконец, расстояние от источника света настолько увеличится, что интенсивность света почти совершенно исчезнет, в то время как не замечается никаких следов уменьшения скорости электронов. Очевидно, мы здесь имеем дело с некоторым видом накопления световой энергии на тех местах, куда выбрасываются электроны – накопле­ния, которое совершенно чуждо всестороннему равномерному распределению электромагнитной энергии по теории волн Гюй­генса.

Единственно возможным объяснением этого своеобразного факта является предположение, что выделяемая источником света энергия не только во времени, но и в пространстве дли­тельно концентрируется в известных местах накопления, или, другими словами, что световая энергия не распространяется со­вершенно равномерно по всем направлениям в бесконечно увеличивающемся разбавлении, а что она постоянно остается кон­центрированной в известных, определенных, зависящих только от цвета, квантах, которые со скоростью света летят по всем направлениям; каждая такая кванта, свет которой встречает ме­талл, может тут же передать одному электрону свою энергию, и эта последняя тогда, конечно, остается одной и той же, как бы велико ни было расстояние от источника света.

Мы видим здесь возрождение теории эманации Ньютона в другой, энергетически видоизмененной форме, но то, что в свое время являлось преградой для дальнейшего развития теории эманации – явление интерференции света, представляет такое же чрезвычайное затруднение для теории световых квант, так как в настоящее время еще труднее предвидеть, каким образом могут две однородные самостоятельно летящие через пространство световые кванты, встречающиеся на общем пути, взаимно нейтрализоваться без нарушения принципа энергии.

Здесь перед теорией излучения встает настоятельная необходимость попытаться выйти из дилеммы, опасной с обеих сторон. Естественно предположить, что энергия электронов, отбрасываемых от металла, принадлежит не излучению, но металлу, так что излучения здесь действуют только активирующим образом, подобно тому как небольшая искра в бочке пороха может осво­бодить любое количество энергии. В таком случае следовало бы сделать дальнейшее предположение, что количество выделенной энергии зависит, исключительно, от того способа, которым это выделение произведено.

Представляет ли намеченное здесь воззрение действительно спасительный выход для находящейся в опасности теории волн или же приводит и оно в конце концов в тупик, можно будет решить, лишь проверив описанный путь и убедившись, куда он приводит. Здесь, значит, прежде всего должна начаться работа теоретика: он должен, во-первых, углубиться в обе противостоя­щие гипотезы и, совершенно безотносительно к тому, к какой из них он относится с большим или меньшим доверием, разра­ботать все вытекающие из них следствия и привести их в форму, доступную проверке опытом. Для этого, кроме знания физических дисциплин и необходимого математического образова­ния, нужно еще правильное суждение о количестве тех требо­ваний, которые можно предъявить к точности измерения, так как ожидаемый эффект находится у предела ошибок наблюдения. Когда мы этим путем достигнем совершенно точных результатов, в настоящее время еще нельзя точно предсказать.

То, что я пытался высказывать вам здесь о действии света, совершенно подобным же образом касается и причины света, то есть возникновения световых лучей. И здесь, наряду с пора­зительно глубоким проникновением, сделанным в новейшее время в области закономерности естественных процессов, мы стоим перед многими трудно разрешимыми загадками. Несомненно лишь то, что и при возникновении света те же кванты играют выдаю­щуюся роль.

Согласно смелой гипотезе датского Физика Нильса Бора, успех которой как раз в последнее время поразительно распространился, в каждом электроне (sic! Так в оригинале. По-видимому, правильно будет – «в каждом атоме». – «НГ-наука») светящегося газа происходят колебания электронов, которые в большем или меньшем количестве и в различных состояниях вращаются вокруг тяжелого атомного ядра по точно определенным путям и по тем же точно законам, как планеты вращаются вокруг солнца, но свет, возникающий от этих колебаний, вовсе не передается непрерывно и равномерно от атома в окружающее пространство, подобно звуковым волнам. Эмиссия света происходит в виде ударов, так как не обусловливается регулярным колебанием самих электронов, а происходит лишь, когда эти колебания электронов вызывают внезапные изменения, известную катастрофу, переводящую электроны из их первоначальных путей на другие, более стабильные, снабженные большей энергией. Остающийся при этом избыток энер­гии оставляет атом и вылетает в пространство в виде световых квант.

Самое поразительное при этом процессе, что период эмитированного света, то есть цвет, ни в малейшей степени не зависит от периода колебаний электронов, ни в их первоначальных, ни в их позднейших путях; он зависит исключительно от количества эмитированной энергии. Так как световой квант тем больше, чем скорее следуют колебания, то большому количеству энергии, в виде светового кванта, соответствует более короткая волна. Если, например, выделено много энергии, то образуются или ультрафиолетовые, или даже рентгеновские лучи; если выделено мало, то образуются красные или инфракрасные лучи, но почему колебания образующегося таким образом света происходят с чрезвычайной аккуратностью, строго монохроматически, до сих пор совершенно покрыто мраком неизвестности.

* * *

Право, можно было бы предположить, что все эти представления являются игрой, хотя блестящей, но пустой фантазии, но если, с другой стороны, принять во внимание, что с помощью этой гипотезы удается сразу осветить полную таинственности структуру спектров различных химических элементов, исследо­вавшихся в течение десятилетий рядом непрерывных усилий многочисленных физиков, в особенности разъяснить запутанные закономерности в расположении спектральных линий, по поводу которых уже собран и критически рассмотрен громадный цен­ный опытный материал не только в целом, но, как впервые показал Арнольд Зоммерфельд, и в частности до мельчайших по­дробностей с точностью, которая конкурирует с самыми точней­шими измерениями и даже местами их превосходит, если все это, повторяю, принять во внимание, то тогда получается впечатление, что снова удалось, в буквальном смысле слова, хотя немного проникнуть в тайны природы, и тогда придется при­знать за этими световыми квантами известное реальное существование, по крайней мере в момент их возникновения. Что за­тем образуется из них после дальнейшего распространения света в окружающее пространство, остается ли энергия кванта пространственно и длительно неизменной в смысле Ньютоновской теории эманации или же распространяется она по теории волн Гюйгенса по всем направлениям, растворяясь в бесконечности, это другой вопрос, на основное значение которого уже раньше мною было указано.

Таким образом, мой сегодняшний доклад о наших познаниях о физической природе света явится не гордым утверждением, а скромным вопрошением. Вопрос, сами ли световые лучи предста­вляют собою кванты, или действие квант происходит только в материи, действительно является первой и самой трудной дилеммой, которая стоит перед основной теорией квант и от ответа на которую зависит ее дальнейшее развитие.

В своем изложении я завел вас дальше, может быть, чем многим казалось бы правильным, к крайнему фронту научной работы, до одного из тех мест, где в настоящее время пионеры всех наций в бескровном соревновании стремятся найти твердую точку опоры на неисследованной ниве.