О чем рассказывает свет - Сергей Суворов

Вавилов привел здесь, как видим, пример с уже известными нам кольцами Ньютона. Физика считала их типично волновыми явлениями; Вавилов же указывает, при каких условиях (чрезвычайно слабый свет) это типично волновое явление обнаруживает одновременно и свойства фотонов. В случае же сильного светового потока его корпускулярные (фотонные) свойства скрадываются, не отмечаются нами, хотя и существуют.

Таков же и второй пример Вавилова: сначала физики рассматривали процесс выцветания тканей как процесс, в котором проявляются только фотонные свойства света, а Вавилов показывает, при каких условиях можно наблюдать в том же процессе и волновые свойства («дифракционные явления»).

Марксистская философия и современная физика

В этой книжке показывалось, как физики неоднократно обсуждали вопрос: что такое свет — волны или частицы? О чем шел спор? Спор шел о физическом строении света. Физики же идеалисты вопрос о физическом строении света подменили вопросом философским: существует ли свет как нечто объективное, независимо от познающего человека? Они пытались разрешить известные трудности познания сложной природы света (также и вещества) путем отказа от признания существования вне нас объективного, материального мира.

Но ту истину, что свет существует вне нас, объективно, нельзя опровергнуть словесной акробатикой. Правильность нашего познания объективного мира проверяется практикой. Практика же людей доказывает, что мир, природа и свет, как ее часть, существуют объективно, независимо от нас, что наше познание правильно отражает свойства природы, ибо на основе наших знаний о природе мы способны сознательно изменять ее. Существование света вне человека доказывается тем, что на основе познания объективных свойств света создана мощная современная техника — радиотехника, рентгенотехника, светотехника и т. д.

Конечно, нам трудно представить себе, как может свет или поток микрочастиц одновременно обладать волновыми и корпускулярными свойствами. Но что означают слова «наглядно представить себе»? Не означают ли они, что мы волей-неволей стремимся создать механическую модель микрообъекта, которую в принципе можно построить в механической мастерской? Тогда заранее можно сказать, что создать такую модель нам не удастся, как не удалось физикам в XIX веке построить механическую модель светоносного эфира.

Моделью объекта (любого) или его образом является теория, в которой отражается поведение или закономерности объекта от его возникновения, развития до его преобразования в другой объект. Но конечно, не всякая надуманная теория, а теория, подтвержденная целеустремленной практической деятельностью человека.

Обобщая результаты всех экспериментов со светом или микрочастицами, физики стремятся создать теорию, которая объединяла бы в себе закономерности поведения объекта во всех частных случаях — как волновое его поведение, так и корпускулярное. Эта теория может быть очень сложной и абстрактной (не наглядной). Но тем не менее она может быть правильной моделью микрообъекта, если только ее подтверждает практика. Практика, подтверждающая выводы теории, — высший критерий того, что теория правильно отображает объект со всеми его «взаимоисключающими» свойствами.

В этом и состоит суть материалистической теории познания. В этом — ответ современного научного материализма на гносеологические вопросы, поставленные современной физикой.

Свет и атомы

Почему атомы светятся?

Свет рождается в веществе. Таково происхождение и видимого света, и инфракрасного, и ультрафиолетового, и рентгеновских излучений, и гамма-излучений. Естественно, что, изучая свойства света, можно в конечном счете узнать, при каких условиях атомы излучают свет, и таким путем проникнуть в тайну строения атомов. Недаром Д. И. Менделеев говорил, что свет «обещает многое выяснить в области атомов и частиц».

В конце XIX века физикам казалось, что они знают, как образуется свет в атомах: в результате колебания электрических зарядов. Ведь именно так образуются радиоволны. Чтобы получить радиоволны, мы создаем электрические колебания, например, при искровом разряде. А ведь атомы тоже излучают электромагнитные волны, только частота (длина волны) этих волн не такая, как у радиоволн. Можно предположить, что и в атомах есть электрические заряды, и когда заряды колеблются, атомы испускают свет.

Физики, конечно, стремились убедиться в этом опытным путем. Идея опыта была очень проста. Она опирается на аналогию со звуком. Известно, что если зажать (укоротить) звучащую струну, она изменит характер колебания и благодаря этому изменит тон, т. е. частоту колебаний. Этот прием применяется при игре на струнных инструментах.

Возникает вопрос: а что, если повлиять на характер движения зарядов в атоме? Если и в самом деле свет есть результат движения зарядов, то это должно сказаться на частоте излучаемого света.

Эффект Зеемана

Повлиять на характер движения зарядов в атоме — дело вполне возможное. Для этого нужно поместить излучающее вещество между полюсами очень сильного магнита. Между полюсами магнита создается очень сильное магнитное поле. Оно подействует на заряды, движущиеся внутри атомов, и изменит характер их движения. Тогда надо наблюдать, что делается с линиями спектра, который испускается данным веществом. Это был трудный опыт. Он дал определенный результат лишь тогда, когда физики научились создавать сильные магнитные поля и стали применять дифракционные решетки, широко разбрасывающие спектр лучей.

Рис. 34. Расщепление одной из линий цинка на три под влиянием сильного магнитного поля

Опыт показал, что магнитное поле действительно изменяет излучение: каждая линия в спектре под действием сильного магнитного поля расщепляется при одних условиях на две, при других — на три линии (рис. 34). По имени немецкого ученого, открывшего это явление, оно было названо эффектом Зеемана.

Эффект Зеемана убедительно показал, что свет рождается в результате движения электрических зарядов в атомах.

Природа солнечных пятен

В наше время были исследованы спектры солнечных пятен. Было обнаружено, что линии поглощения этих спектров расщеплены точно так же, как расщеплены линии испускания в опыте Зеемана. Из этого ученые сделали вывод, что атомы в области солнечных пятен находятся под воздействием сильных магнитных полей. Таким образом природа солнечных пятен стала ясней.

Задача расшифровки природы солнечных пятен, как видим, по ходу выводов обратна той, которая ставилась в опыте Зеемана: там с помощью сильного магнитного поля воздействовали на атомы и наблюдали расщепление линий (испускания); здесь по расщеплению линий (поглощения) сделали вывод о наличии сильного магнитного поля, воздействующего на атомы.

Существенно то, что открытие факта воздействия магнитного поля на характер излучения позволяет затем по спектрам излучения (расщепление линий) расшифровывать процессы, которые непосредственному наблюдению недоступны.

Надежды на быстрое раскрытие тайн строения атомов

Факт воздействия сильных магнитных полей на атомные спектры был установлен в 1896 году. Уже тогда расчеты показали, что заряды, движущиеся в атомах,— это электроны, мельчайшие частицы вещества, обладающие отрицательным электрическим зарядом, только что перед тем открытые.

Первая тайна возникновения света в атомах была раскрыта. Физики были полны надежд, что скоро они раскроют и другие тайны: узнают, как движутся электроны в атомах, какие возможны колебания электронов и как эти колебания связаны с излучаемым светом, почему атомы испускают не одну, а много световых волн.

Обычно, исследуя новую область явлений, физики опираются на уже известные знания, на хорошо изученные и проверенные законы физики. Эти законы служат им надежным компасом в еще не изведанных областях природы.

Оказалось, что в области атомных явлений этот компас кое в чем стал отказывать.

Новый закон частот

В XIX веке в физике уже имелось, казалось бы, законченное учение о колебаниях. Согласно этому учению, всякое колеблющееся тело возбуждает волны той частоты, какова частота колебаний тела. Например, если струна колеблется с частотой 400 циклов, от нее идет звуковая волна той же частоты. Это — основной тон струны. Кроме основного тона, струна может одновременно издавать и другие тоны, так называемые обертоны. Частоты их в 2, 3, 4, вообще в целое число раз больше частоты основного тона.

Физики предполагали, что то же самое должно иметь место и в случае колебаний электронов в атомах. Если в атоме какого-либо элемента имеется один электрон, то между частотами излучений у таких атомов должны быть те же соотношения, что и у струны. Если же у атомов по нескольку электронов, то частоты их излучений должны представлять набор тонов и обертонов, аналогичный тому, какой имеет музыкальный инструмент с подходящим количеством струн. Так полагали физики на основе ранее известных теорий.