В канун нового 1900 года, когда на улицах Лондона зажигали праздничную иллюминацию из ярких электрических лампочек вместо тусклых масляных плошек, к старинному зданию на Флит-стрит один за другим подкатывали кебы. По широкой, ярко освещенной лестнице в зал поднимались почтенные джентльмены, облаченные в мантии. То съезжались члены Лондонского королевского общества на свое очередное собрание.
Рослый, седовласый, с окладистой бородой сэр Уильям Томсон, восемь лет назад пожалованный из рук королевы Виктории титулом пэра и лорда Кельвина, а ныне состоящий президентом Общества, начал свою новогоднюю речь. Великий физик XIX века отметил успехи, достигнутые за прошедший век, перечислил заслуги присутствующих…
Собравшиеся одобрительно кивали головами. Что скромничать, они неплохо поработали. И прав сэр Уильям, говоря о том, что грандиозное здание физики построено, что остались лишь мелкие отделочные штрихи. Правда (лорд Кельвин на минуту прервал свою речь), правда, на безоблачном небосклоне физики существуют два небольших облачка, две проблемы, не нашедшие пока объяснения с позиций классической науки… Но это явления временные и скоропреходящие.
Покойно устроившись в старинных креслах с высокими спинками, джентльмены улыбались. Все знали, о чем идет речь: во-первых, о результатах опыта Майкельсона, которому так и не удалось определить влияние движения Земли на скорость распространения света. А во-вторых, о непонятных пока расхождениях между теорией и практикой при изучении излучения «черного тела»…
Забегая вперед, скажу, что из этих небольших и безобидных облачков скоро ударили такие молнии, что одна из них привела к созданию специальной теории относительности, а другая — квантовой механики. Но это потом, позже. А пока все с удовольствием слушали признание общих заслуг, не подозревая, что через несколько лет «величественное здание классической физики» окажется всего-навсего одним из павильонов на площадке огромной стройки целого города современной физики.
По окончании собрания высокоученые джентльмены разъехались по домам, чтобы, согласно наказу своего президента, приступить к окончательной отделке величественного здания классической физики. Последний год XIX столетия наступил!
А теперь давайте оставим на время торжественный тон и попробуем подробнее разобраться в сути одного из «темных облачков на сверкающем благополучием небосклоне физики». Речь пойдет об излучении абсолютно черного тела.
Прежде всего: что это такое?
Понятие «абсолютно черное тело» ввел в 1860 году Кирхгоф, как полезную абстракцию при изучении того, каким образом нагретые материальные тела испускают свет или поглощают оный, если их тем светом освещают. Абсолютно черным телом он назвал тело, способное поглотить без отражения весь падающий на него поток излучения, все электромагнитные волны любой длины и частоты. Примером такой поглощающей поверхности могла бы служить, скажем, дырка в стенке печи. Как ни освещай саму стенку, дырка все равно будет черной. Потому что все лучи, попавшие внутрь печки, сто раз отразятся от ее закопченных внутренних стенок и поглотятся прежде, чем им удастся выбраться наружу.
Если же мы нагреем печку и закроем ее, то часть теплового излучения будет выходить из нашей дырки. В этом потоке будут присутствовать электромагнитные волны всех длин от коротких, соответствующих ультрафиолетовым лучам, и до длинных — инфракрасных или тепловых.
Разрез печи с двойными стенками
Измерения показали, что интенсивность коротковолнового излучения очень мала. Потом, с ростом длины волны интенсивность растет, достигает своего максимума и падает… Так говорил опыт. И эти результаты были хорошо известны в XIX столетии.
Но раз уж существуют результаты опыта, то они должны быть объяснены и теоретически. И вот четыре выдающихся физика, два англичанина (Рэлей и Джинс) и два немца (Кирхгоф и Вин), принялись за теорию излучения черного тела с позиций классических представлений. Увы, когда теория была готова, ее результаты оказались совершенно неудовлетворительными. Получалось, что в потоке излучения черного тела самая большая интенсивность должна быть у коротких волн, то есть в ультрафиолетовой области спектра. А по мере возрастания длины электромагнитной волны интенсивность излучения должна была падать. Это совершенно не соответствовало опытным данным. Но мало того. Если предположить, что теоретические выводы все-таки правильны, а эксперимент поставлен не чисто, то полная энергия излучения печки должна была быть бесконечно большой.
Это уже был абсурд!.. И хотя авторитет ученых, разработавших теорию, сомнению не подлежал, многие специалисты пытались на свой страх и риск внести поправки в их выводы. Одновременно экспериментаторы продолжали все более и более точные измерения спектра абсолютно черного тела, чтобы хоть как-то ликвидировать угрозу «ультрафиолетовой катастрофы». Да, да, именно катастрофы. Дело в том, что здание классической физики было построено так крепко и имело настолько законченный характер, что несостоятельность теории, опирающейся на великие классические принципы, потрясала всю постройку.
19 октября 1900 года на очередном заседании Немецкого физического общества два экспериментатора, Рубенс и Курлбаум, рассказывали о результатах новых, еще более точных измерений спектра черного тела и горько сетовали на то, что ни одна теория по-прежнему не в состоянии объяснить их результаты. Во время состоявшейся дискуссии профессор Макс Планк (1858—1947) предложил коллегам попробовать воспользоваться его формулой…
Генрих Рубенс (1865—1922) глубоко уважал Планка. Более того, между обоими профессорами существовала даже дружба. И потому вместо того, чтобы после затянувшегося заседания дома лечь спокойно в кровать, Рубенс всю ночь просидел за письменным столом, сравнивая свои измерения с результатами Планка. На этот раз практика и теория дали одинаковый результат. Рубенс был поражен, формула его друга описывала спектр черного тела до мельчайших подробностей. С трудом дождавшись утра, Рубенс сообщил Планку о результатах сравнения и от души поздравил его с успехом…
Был ли Планк рад этому? Наверное, да. Хотя он и принял сообщение Рубенса без всякого энтузиазма. Почему?..
Почему два месяца спустя, когда на заседании того же Немецкого физического общества Планк делал доклад, названный им «К теории закона распределения энергии в нормальном спектре», никто не кричал «виват» и не спешил воспользоваться его идеей? Ведь она устраняла «ультрафиолетовую катастрофу», наводила порядок в теории черного тела и ликвидировала расхождение между опытом и теорией!
Да, порядок был наведен, но какой ценой?