Чтение онлайн

Серия конгрессов, которая началась ровно пятьдесят лет назад по дальновидной инициативе Эрнста Сольвея и продолжалась под руководством основанного им Международного института физики, представляла собой уникальную возможность для физиков обсуждать фундаментальные проблемы, которые находились в центре их внимания в различные периоды. В силу этого Сольвеевские конгрессы во многих отношениях стимулировали современное развитие физики.

Тщательная запись докладов и дискуссий по ним на каждом из этих конгрессов станет в будущем наиболее ценным источником информации для тех исследователей истории науки, которые захотят получить представление о том, как разрешались новые проблемы, возникшие в начале нашего века. Постепенное выяснение этих проблем благодаря объединённым усилиям целого поколения физиков в последующие десятилетия не только сильно расширило наше проникновение в атомистическую структуру материи, но даже привело к новым взглядам на понимание физического эксперимента.

Как одному из тех, кто в этот период участвовал в некоторых из Сольвеевских конгрессов и имел личный контакт со многими участниками самых первых из них, мне было приятно принять приглашение рассказать кое-что о той роли, которую играли эти дискуссии для выяснения проблем, стоявших перед нами. Рассказывая об этом, я буду стараться представить эти дискуссии на фоне того многостороннего развития, которое испытала физика за последние пятьдесят лет.

I

Сама тема первого Сольвеевского конгресса в 1911 г.— теория излучения и кванты — указывает, что было основным предметом дискуссий в те дни. Наиболее существенным успехом физики предыдущего столетия были, по-видимому, максвелловская электромагнитная теория, предложившая теперь широко известное объяснение явлений излучения, и статистическое толкование термодинамических принципов, вершиной которого явилось установление Больцманом связи между энтропией и вероятностью состояния сложной механической системы. Однако расчёт спектрального распределения плотности излучения в замкнутой полости при тепловом равновесии обнаружил неожиданные трудности; особенно ярко подчёркнутые точнейшим анализом Рэлея.

Поворотный пункт в развитии был достигнут Планком в первом году нашего столетия, когда он открыл универсальный квант действия, обнаруживший черты целостности в атомных процессах, совершенно чуждые идеям классической физики и превосходящие доктрину древних о предельной делимости материи. На этом новом фоне Эйнштейн сразу подчеркнул явные парадоксы, связанные с любой попыткой детально описать взаимодействие между излучением и веществом; Эйнштейн не только привлек внимание к планковским идеям, использовав их при исследовании теплоемкости твердых тел при низких температурах, но в связи со своей оригинальной трактовкой фотоэлектрического эффекта ввёл также идею о квантах света или фотонах как носителях энергии и импульса в элементарных процессах излучения.

Фактически введение представления о фотонах означало возрождение старой, времён Ньютона и Гюйгенса, дилеммы о корпускулярной или волновой структуре света, которая, казалось бы, была уже решена в пользу волновой структуры в результате развития электромагнитной теории излучения. Ситуация была весьма своеобразна, так как само определение энергии и импульса фотона через произведение планковской константы на частоту или же соответственно на волновое число непосредственно относится к характеристикам волновой картины. Таким образом, мы были поставлены перед некоторым, ещё не встречавшимся типом соотношений дополнительности между различными фундаментальными понятиями классической физики. Изучение этих взаимоотношений выявило позже ограниченность области применимости детерминистического описания и потребовало существенно статистического подхода даже к самым элементарным атомным процессам.

Дискуссию на конгрессе открыл Лоренц. Он блестяще изложил аргументацию, основанную на классических идеях, ведущую к принципу равномерного распределения энергии по степеням свободы физической системы, включающей не только движение составляющих её материальных частиц, но также и нормальные колебания электромагнитного поля, связанного с электрическим зарядом частиц. Эта аргументация, аналогичная рэлеевскому анализу теплового равновесного излучения, приводила, однако, к хорошо известному парадоксальному результату, согласно которому никакое тепловое равновесие невозможно, так как вся энергия системы будет постепенно передаваться электромагнитным колебаниям всё более высоких частот.

Казалось, что единственный путь согласования теории излучения с принципами обычной статистической механики был предложен Джинсом. Он состоял в том, что экспериментальные условия следует относить не к реальному равновесию, а к квазистационарному состоянию, в котором образование высокочастотного излучения ускользает от наблюдения. Свидетельством остроты трудностей в теории излучения было зачитанное на конгрессе письмо лорда Рэлея, в котором он советовал внимательно обсудить предложение Джинса. Однако вскоре при более тщательном рассмотрении выяснилось, что аргументы Джинса нельзя было поддержать.

Доклады и дискуссии на конгрессе были во многих отношениях просто великолепными. Так, после докладов Варбурга и Рубенса об экспериментальных наблюдениях, подтверждающих планковский закон теплового излучения, сам Планк изложил аргументы, которые привели его к открытию кванта действия. Обсуждая трудности согласования этой новой особенности с системой понятий классической физики, он подчеркнул, что существенным моментом было не введение новой гипотезы о кванте энергии, а, скорее, видоизменение самого понятия действия, и выразил убеждение, что принцип наименьшего действия, который сохранил свою силу также и в теории относительности, может оказаться путеводной нитью для дальнейшего развития квантовой теории.

В последующем докладе на конгрессе Эйнштейн подвёл итоги многочисленным приложениям квантовой концепции и, в частности, рассмотрел основные аргументы, использованные в его объяснении аномалий теплоемкости при низких температурах. Обсуждение этих явлений содержалось в докладе Нернста, посвящённом приложению квантовой теории к различным вопросам физики и химии; в этом докладе он специально рассмотрел свойства вещества при очень низких температурах. Чрезвычайно интересно вспомнить, как Нернст в своем докладе отметил, что хорошо известная теорема об энтропии при абсолютном нуле, важные приложения которой были найдены после 1906 г., оказались специальным случаем более общего закона, выведенного из теории квантов. (Однако явление сверхпроводимости некоторых металлов при крайне низких температурах, об открытии которого доложил Камерлинг-Оннес, представляло хитрую загадку, объяснение которой было найдено лишь многие годы спустя.

Новую идею, получившую различное истолкование, представляла собой мысль Нернста о квантовании вращения молекул газа; со временем она получила превосходное подтверждение в измерениях тонкой структуры инфракрасных линий поглощения. Об аналогичном же применении квантовой теории было рассказано в докладе Ланжевена; ему удалось успешно развить теорию зависимости изменения магнитных свойств вещества от температуры; в этом докладе Ланжевен специально остановился на идее магнетона, предложенного Вейсом для объяснения замечательных количественных соотношений между величинами элементарных магнитных моментов атомов, полученных из анализа его измерений. Как показал Ланжевен, значение магнетона, по крайней мере приближённо, могло быть вычислено из предположения, что электроны в атомах вращаются с моментом импульса, соответствующим планковскому кванту.

Другие смелые и эвристические попытки выявления квантовых особенностей в других свойствах вещества были описаны Зоммерфельдом, который подробно исследовал образование рентгеновых лучей с помощью быстрых электронов, а также рассмотрел проблемы, связанные с ионизацией атомов при фотоэффекте и электронных соударениях. Говоря о последних проблемах, Зоммерфельд обратил внимание на сходство некоторых своих рассуждений с рассуждениями, изложенными в последней статье Гааза; Гааз пытался применить квантовые идеи к электрону, связанному в атомной модели в виде равномерно положительно наэлектризованной сферы; эта модель подобна модели Дж. Дж. Томсона. При этом Гааз получил циклические частоты того же порядка величины, что и частоты оптических спектров. Что касается его собственных взглядов, — добавил Зоммерфельд, — то вместо того, чтобы пытаться вывести планковскую константу из некоторых рассуждений, он скорее принял бы существование кванта действия в качестве основы для решения любых вопросов, касающихся структуры атомов и молекул. На фоне современных тенденций развития физики ясно, что это высказывание и в самом деле оказалось почти пророческим.

Хотя во время конгресса, конечно, не могло быть и речи об исчерпывающей трактовке всех проблем, возникших в связи с открытием Планка, всё же на конгрессе было достигнуто единодушное мнение, что для физической науки раскрылись новые огромные перспективы. Несмотря на то, что оказался необходимым радикальный пересмотр оснований для однозначного применения первичных физических понятий, всех ободряло то, что именно в эти годы была очень ярко продемонстрирована устойчивость физического фундамента благодаря новому триумфу классического подхода при определении свойств разреженных газов и использовании статистических флуктуаций для подсчёта числа атомов. Соответствующие, подробно аргументированные доклады, посвящённые этим достижениям, были сделаны на конгрессе Мартином Кнудсеном и Жаном Перреном.