В 1912 году немецкий физик Макс Феликс Теодор Лауэ (1879—1960) предложил своим коллегам Вальтеру Фридриху и Паулю Книппингу программу опыта, который безоговорочно бы доказал, что рентгеновские лучи — электромагнитные волны.
Опыт по дифракции рентгеновских лучей был поставлен, и его результаты действительно подтвердили предсказание Лауэ. И хотя автор идеи эксперимента, заканчивая свои расчеты, и допускал, что природа первичного рентгеновского луча могла быть в принципе корпускулярной (в понятие «корпускулы» Лауэ включал и световые кванты), сторонники классической физики были довольны. Да и как могло быть иначе, когда все эффекты, сопровождавшие рентгеновское излучение, достаточно хорошо объяснялись теорией Максвелла.
Работа Лауэ произвела на современников такое большое впечатление, что в 1914 году ему была присуждена Нобелевская премия «За открытие дифракции рентгеновских лучей в кристаллах». Вы, конечно, помните, что дифракция — явление чисто волновое.
Это было действительно значительное открытие, следом за которым началось бурное развитие и изучение рентгеновских спектров. А эти исследования сыграли немаловажную роль в подготовке и становлении боровской теории атома.
Но пристальное внимание ученых к одной какой-нибудь области науки никогда «не доводило до добра». И действительно, скоро у исследователей стали появляться одна за другой трудности. Не во всех случаях поведение рентгеновских лучей удавалось объяснить с помощью классической волновой теории.
В 1922 году американский физик Артур Холли Комптон (1892—1962) обнаружил новое явление, которое уж никак не подчинялось теории Максвелла. В опыте Комптона излучение рентгеновских лучей с молибденового антикатода рассеивалось на графите и частота рассеянных лучей отличалась от частоты лучей падающих. Почему?..
Результаты американского физика обсуждались во всех ведущих лабораториях мира. Многие ученые предпринимали попытки объяснить это явление с «полуклассических» позиций. Некоторые, отчаявшись, пытались попросту отрицать эффект Комптона.
Бильярдные шары как пример упругих столкновений
Но вот несколько месяцев спустя после появления первого сообщения об открытом явлении в журнале была напечатана статья самого Комптона, в которой он использовал для объяснения открытого им явления… квантовые представления…
Это было коренным изменением общей точки зрения. Вот как Комптон писал об этом: «Согласно классической теории, каждый рентгеновский луч воздействует на каждый электрон в веществе, сквозь которое он проходит, и наблюдаемое рассеяние связано с суммарным действием всех электронов. С точки зрения квантовой теории мы можем допустить, что каждый конкретный рентгеновский квант рассеивается не всеми электронами излучателя, а расходует свою энергию, взаимодействуя с каким-то одним определенным электроном… рассеивающий электрон будет испытывать отдачу… Энергия рассеянного луча равна энергии падающего луча минус кинетическая энергия отдачи рассеивающего электрона, поскольку рассеянный луч должен быть целым квантом, его частота уменьшится в том же отношении, что и энергия. Таким образом, на основании квантовой теории мы должны ожидать, что длина волны рассеянных рентгеновских лучей будет больше длины волны падающих лучей».
Эксперимент Комптона был парадоксален по самой своей сути. Исследователь измерял с помощью чисто волнового явления — интерференции — длину волн падающих и рассеянных лучей. А вот влияние рассеивателя на длину волны можно было понять и объяснить только представив себе, что рентгеновские кванты ведут себя как частицы…
Таким образом, рассеяние света на электроне оказывалось очень похожим на обычное столкновение двух биллиардных шаров.
Интересно, что сразу же вслед за статьей Комптона появилась в печати еще одна статья на ту же тему. Написал ее известный физик Питер Йозеф Вильгельм Дебай (1884—1966). После работ Лауз он много занимался рассеянием рентгеновских лучей и теоретически пришел к тем же результатам, что и Комптон — экспериментально. Его публикация буквально всего на несколько дней отстала от сообщения Комптона.
В своем исследовании Дебай развивал квантовую теорию рассеяния, опираясь на идеи Эйнштейна. И с помощью иного метода получил те же результаты, что и Комптон. Такая ситуация, когда независимо друг от друга к одному выводу приходят несколько ученых, в истории науки не редкость. И вполне естественно, что при этом кто-то запаздывает с публикацией. Не менее естественно и то, что опоздавшему обидно…
Открытие эффекта Комптона еще больше обострило противоречия между волновой и квантовой теориями. В 1924 году на Четвертом съезде российской ассоциации физиков проблема «взаимоотношений» между двумя конкурирующими точками зрения и теориями была в центре обсуждения. На съезде выступали такие известные в мировой науке фигуры, как О. Д. Хвольсон, П. С. Эренфест, А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравов, Д. В. Скобельцын. Большинство участников дискуссии защищали квантовую теорию.
И все-таки вопрос о том, что предпочесть — волны или частицы — в утверждении природы света, оставался открытым. А может быть, прав был Эренфест, высказавший в Ленинграде мысль о том, что «ни волновая, ни квантовая теория не в состоянии охватить всей области световых явлений».
В заключение, чтобы оправдать заглавие этого раздела, мне осталось сообщить вам, что в 1927 году Артур Холли Комптон был удостоен Нобелевской премии как раз за то, что, казалось бы, опроверг выводы Лауэ о чисто волновой природе рентгеновских лучей, отмеченные той же премией десять лет назад.