Пуанкаре

Этот решающий эксперимент дал величайший из всех «отрицательных» результатов в истории науки. Сам Майкельсон расценивал его как доказательство известной гипотезы об увлечении эфира движущейся Землей. Но совокупность имевшихся тогда экспериментальных данных и проведенный вскоре теоретический анализ всей проблемы не позволили согласиться с его выводами. Опыт привел к совершенно противоречивой ситуации в физике того времени, потребовал пересмотра основных ее понятий и представлений.

Глубокий кризис

Намереваясь посвятить себя физике, будущий великий физик-теоретик Макс Планк в 1875 году обратился за советом к декану физического факультета Мюнхенского университета. "Физика — область знания, в которой уже почти все открыто. Все важные открытия уже сделаны. Едва ли вам имеет смысл поступать на физический факультет" — такую бесперспективную картину нарисовал ему авторитетный профессор.

Меньше всего ожидалось, что это безмятежное состояние завершенности физики как науки может быть нарушено какими-либо сенсационными экспериментами. Возникнув в результате анализа и обобщения первоначальных опытных данных, физика давно уже превратилась в точную математическую науку, значительно опередив технические возможности эксперимента. Экспериментаторам предназначалась как будто бы незавидная роль: непрерывно уточнять свои же результаты, удивляясь безотказности всегда подтверждаемых теоретических предсказаний. В лучшем случае они могли открывать некоторые новые особенности уже известных физических явлений, недостаточно подробно изученных теоретическими методами. Поэтому велико было всеобщее изумление, когда именно со стороны экспериментов последовало первое потрясение основ классической физики.

Теория классической физики оказалась совершенно беспомощной перед опытами, в которых были установлены особенности распространения света в движущихся системах. «Отрицательный» результат опыта Майкельсона — Морли, доказав принципиальную неуловимость, ненаблюдаемость эфира, исключил последние возможности традиционного, согласующегося с законами классической теории объяснения экспериментально установленных свойств света. Эксперимент Брадлея, в котором наблюдалась аберрация звездного света, вызванная движением Земли вокруг Солнца, и эксперимент Физо, в котором устанавливалось частичное суммирование скоростей при распространении света в движущейся воде, совершенно исключали гипотезу полного увлечения эфира движущейся Землей, как будто бы согласующуюся с результатом опыта Майкельсона — Морли. Вся совокупность этих опытов в целом создавала безвыходную ситуацию в физике конца XIX века.

Кризис физической теории, вызванный проблемой объяснения установленных на опыте свойств света, усугубился неожиданно последовавшими как из рога изобилия величайшими экспериментальными открытиями совершенно новых и удивительных явлений. Начиная с 1895 года, когда Рентген открыл проникающие лучи, буквально каждый следующий год приносил ошеломляющее открытие: 1896 год — открытие явления радиоактивности, 1897 год — открытие электрона, 1898 год — открытие радия и полония, 1899 год — открытие сложного состава радиоактивного излучения. Пуанкаре пристально следил за крутой ломкой, происходящей в физике конца XIX века, нередко первым регистрируя наиболее острые моменты, как, например, обнаружение кажущегося несохранения энергии при радиоактивном распаде. Он неоднократно подчеркивал фундаментальный характер явления радиоактивности. Ему принадлежит меткая фраза о "радии — великом революционере нашего времени".

Каскад сенсационных открытий окончательно подорвал претензии классической физики на полное знание и объяснение физической действительности. Неспособность истолковать наблюдаемые на опыте особенности распространения света дополнялась теперь отсутствием каких-либо представлений о природе вновь открытых явлений. Экспериментальная физика обрела могущество, развеяв миф о полноте и близком завершении физики.

Одна из острейших проблем того времени была поставлена самой теоретической физикой. Расчеты распределения энергии в спектре излучения

Одна из острейших проблем того времени была поставлена самой теоретической физикой. Расчеты распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела приводили к явно несуразному результату. В теоретически рассчитанном спектре энергия излучения неограниченно возрастала с уменьшением длины испускаемой волны. Это означало, что вся энергия нагретого тела должна была уходить в коротковолновое излучение. Неприемлемость такого теоретического предсказания была очевидна и без обращения к специальному опыту. Над решением этой проблемы, получившей название ультрафиолетовой катастрофы, безрезультатно бились крупнейшие физики мира.

Все эти вставшие перед физикой проблемы настоятельно требовали выработки новых физических понятий и представлений и создания на их основе теоретического обобщения всей совокупности недавно полученных экспериментальных данных.

Глава 10 НА РУБЕЖЕ ВЕКОВ

Успех неподтвердившейся гипотезы

В последние дни февраля парижское солнце, не ведая о том, что его включили в состав действующего экспериментального оборудования, спряталось за плотной завесой облаков. Это срывало план исследований, намеченный Анри Беккерелем. Не оставалось ничего иного, как положить приготовленные материалы в ящик стола и терпеливо дожидаться солнечных дней. Беккерель даже не подозревал, что, поступая таким образом, он начинает новую серию интереснейших опытов, далеко не самых сложных и мудреных, но, безусловно, наиболее значительных из всех экспериментальных работ, проводившихся в то время. Для него это был только досадный перерыв в столь успешно разворачивающемся исследовании.

Сумрачные, серые дни не портили ему настроения. Главной цели он все-таки достиг: блестяще подтвердилась смелая гипотеза Пуанкаре. Беккерель вновь обращается мыслями к памятному разговору с прославленным коллегой по Академии наук. Когда 20 января 1896 года на очередном заседании академии Пуанкаре сделал сообщение об открытии Рентгеном невидимых глазу всепроникающих лучей, он был поражен не меньше других и долго разглядывал только что повторенные в Париже снимки просвеченной кисти руки человека. Потом докладчик показывал полученный им в начале января отдельный выпуск "Известий Вюрцбургского физико-математического общества", в котором Рентген в лаконичной форме тезисов сообщал "о новом роде лучей". Таинственные «х-лучи», как их назвал автор, свободно проходили сквозь непрозрачные предметы и, вызывая почернение фотопластинки, давали изображение внутренних, скрытых деталей. В статье утверждалось, что новое излучение возникает при работе разрядных трубок, а для его обнаружения достаточно иметь обычную фотопластинку, завернутую в светонепроницаемую бумагу.

Разрядные трубки не были к тому времени экспериментальной новинкой. Вот уже около сорока лет буквально во всех европейских университетах студентам демонстрировалось эффектное и поучительное зрелище свечения газового разряда в этих запаянных вытянутых стеклянных колбах с двумя электродами. Удивительно, что никому еще до сих пор не приходилось наблюдать это необычное излучение. Можно понять ту торопливость, с которой Рентген поспешил оповестить всех видных ученых других стран о своем приоритете. [37] Просто не верилось, что такое потрясающее открытие могло быть сделано со столь скромной экспериментальной техникой. Беккерель, конечно, не мог знать, что ему предстоит совершить не менее значительное открытие с помощью еще более простых экспериментальных средств.

37

[37] Но даже эти меры не помешали другому немецкому физику, Филиппу Ленарду, претендовать на соучастие в открытии новых лучей на том основании, что в его исследованиях катодных лучей уже содержались первые указания на эффекты, обусловленные проникающим излучением. Видимо, учитывая, что исследования Ленарда в значительной мере подготовили открытие, сделанное Рентгеном, Лондонское королевское общество отметило обоих ученых медалью Румфорда, а нобелевский комитет Шведской академии, присудив первую Нобелевскую премию Рентгену за открытие х-лучей, отметил одной из следующих премия Ленарда за исследование катодных лучей.

После заседания Пуанкаре просит Беккереля немного задержаться. Раскрыв выпуск вюрцбургских «Известий», он перевел ему отмеченный на полях абзац: "…наиболее сильно флуоресцирующее место стенки разрядной трубки является также и главным исходным пунктом расходящихся во все стороны х-лучей".

— Как, по-вашему, не может ли быть какой-нибудь глубокой связи между новым излучением и этим флуоресцирующим пятном на стенке трубки? — слышит Беккерель обращенный к нему вопрос.

В последовавшем затем обмене мнений Пуанкаре посвятил Беккереля в свое предположение о том, что незримые лучи являются компонентой излучения, сопровождающей флуоресценцию или фосфоресценцию. [38]

38

[38] Свечение, испускаемое некоторыми веществами после облучения их ультрафиолетовым или видимым светом, называется флуоресценцией или фосфоресценцией в зависимости от того, наблюдается ли оно в течение короткого или длительного периода времени.

— Не хотите ли проверить мою гипотезу? — предлагает он, уже прощаясь.

Пуанкаре совсем не случайно обратился именно к Беккерелю. Продолжая семейные традиции академической династии Беккерелей, Анри был известным специалистом по флуоресценции и фосфоресценции. Его дед, член Парижской академии, заинтересовавшись этими явлениями, создал при Музее естественной истории специальную лабораторию для их исследования. Отец Анри, тоже известный физик и член академии, разработал классификацию процессов фосфоресценции, установил ряд закономерностей этого явления и изучил фосфоресценцию многих веществ, в том числе урановых соединений. Унаследовав от них увлеченность "холодным свечением", Анри Беккерель с первых же шагов своей научной карьеры занялся исследованиями в этой области физики. Идея Пуанкаре сразу же захватила его воображение, и он решает проверить, не испускаются ли х-лучи обычными веществами при их фосфоресценции. К опытам можно было приступить незамедлительно, благо в лаборатории Беккерелей была богатая коллекция минералов. Появившаяся в конце января статья Пуанкаре, в которой он высказывал то же самое предположение тесной связи между фосфоресценцией и рентгеновскими лучами и ставил вопрос о проведении необходимых экспериментов, только подстегнула его рвение.