Квант

Открытие Комптона заставило усомниться в справедливости волновой теории рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи — электромагнитные волны, коротковолновый невидимый свет. Зоммерфельд сообщил, что теперь волновая теория света, несмотря на все свидетельства в ее пользу, оказалась в серьезной опасности. “Не знаю, должен ли я рассказывать о его результатах, — предупреждал он Бора (статья Комптона еще не была опубликована). — Хочу обратить Ваше внимание, что в итоге может оказаться, что нам предстоит усвоить еще один вполне серьезный, принципиальный урок”⁹⁶. Этот урок Эйнштейн с 1905 года пытался заставить усвоить всех: свет квантуется.

Комптон был одним из ведущих американских молодых экспериментаторов. В 1920 году, когда ему исполнилось двадцать семь лет, он стал профессором и деканом физического факультета Университета им. Джорджа Вашингтона в Сент-Луисе (штат Миссури). А его исследование, выполненное два года спустя, стало “поворотной точкой в физике XX века”⁹⁷. Суть опыта Комптона в следующем: пучок рентгеновских лучей направлялся на небольшие образцы разных веществ, таких как углерод (в форме графита), и измерялось “вторичное излучение”. Когда рентгеновские лучи ударяются о мишень, большая их часть проходит прямо через нее, но некоторые отклоняются на различные углы. Именно эти “вторичные” (рассеянные) рентгеновские лучи интересовали Комптона. Он хотел понять, меняется ли их длина волны по сравнению с рентгеновскими лучами, ударяющимися о мишень. Он обнаружил, что длина волны рассеянных рентгеновских лучей всегда несколько больше длины волны “первичных”, или падающих, лучей. В соответствии с волновой теорией длина волны должна была оставаться точно такой же. Комптон понимал, что эта разница длин волн (следовательно, и частот) означает, что вторичные рентгеновские лучи не остаются такими же, как направленные на мишень. Это было настолько же странно, как если бы мы осветили металлическую пластинку лучом красного света и обнаружили, что отраженный свет — голубой⁹⁸. После того как Комптону не удалось объяснить свои экспериментальные результаты с помощью волновой теории рентгеновских лучей, он обратился к квантам света Эйнштейна. Практически сразу он обнаружил, “что длина волны и интенсивность рассеянных лучей такие, какими они должны быть, если квант излучения отскакивает от электрона, как один бильярдный шар от другого”⁹⁹.

Если рентгеновские лучи состоят из квантов, их пучок напоминает пригоршню микроскопических бильярдных шаров, ударяющих в мишень. Хотя некоторые из них, ничего не задев, пройдут сквозь мишень, другие натолкнутся на электроны в атомах мишени. Во время столкновения из-за рассеяния рентгеновский квант теряет энергию, а электрон в результате удара отскакивает. Поскольку энергия рентгеновского кванта есть E = hν, где h — постоянная Планка, любая потеря энергии приводит к уменьшению частоты, а поскольку частота обратно пропорциональна длине волны, то длина волны рассеянного рентгеновского кванта возрастает. Комптон провел тщательный математический анализ зависимости потерь энергии падающего рентгеновского луча и изменения длины волны (частоты) рассеянного рентгеновского луча от угла падения.

Никто никогда не видел отскакивающих электронов, которые, по убеждению Комптона, должны сопровождать рассеяние рентгеновских лучей. Но никто никогда и не старался их обнаружить. Когда Комптон поставил перед собой соответствующую задачу, он вскоре нашел такие электроны. “С очевидностью следует, — заявил он, — что рентгеновские лучи, как и вообще свет, состоят из отдельных элементов, двигающихся в определенном направлении. Каждый элемент обладает энергией hν и соответствующим ей импульсом hλ.”¹⁰⁰. Эффект Комптона (увеличение длины волны рентгеновских лучей при рассеянии на электронах) — неопровержимое свидетельство существования квантов света, которые многие считали в лучшем случае научной фантастикой. Предположив, что при столкновении рентгеновского кванта с электроном энергия и импульс сохраняются, Комптон смог объяснить свои экспериментальные результаты. Первым человеком, еще в 1916 году выдвинувшим предположение, что квант света обладает импульсом — характеристикой, свойственной частицам, — был Эйнштейн.