Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская

так близко одна к другой, что световые волны, рассеянные в стороны отдельными молекулами, должны полностью гасить друг друга. В соответствии с расчетом должна оставаться только волна, бегущая вперед без всякого рассеяния. Но этот расчет, опровергающий теорию Релея, в свою очередь имел слабое место: он был проведен лишь для неподвижных молекул. В случае движущихся молекул, как казалось Релею, все должно быть иначе. Он был убежден, что неизбежные тепловые движения молекул препятствуют взаимному гашению рассеянных волн. Поэтому Релей думал, что голубой цвет неба все же может быть объяснен рассеянием света на молекулах.

Впоследствии мы еще вернемся к этому вопросу. Сейчас для нас важно лишь то, что релеевская теория рассеяния света молекулами связала яркость свечения неба с числом молекул, содержащихся в каждом кубическом сантиметре воздуха. Это дало возможность проверить правильность теории на опыте. Впервые такой опыт выполнил в 1906 году американский астрофизик Аббо, изучавший голубое свечение неба в обсерватории на горе Маунт-Вильсон. Обработка результатов измерения яркости свечения неба показала, что в каждом кубическом сантиметре содержится огромное количество молекул. Полученное число обычно записывают так: 27 1018 (после числа 27 следует приписать 18 нулей). Это значит, что в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится 27 миллиардов раз по миллиарду молекул. Если раздать молекулы, содержащиеся в одном кубическом сантиметре воздуха, всем людям, населяющим земной шар, то каждому достанется по 5 с лишним миллиардов этих молекул.

Впоследствии аналогичные измерения неоднократно с успехом повторялись другими учеными. Полученный результат был чрезвычайно важным. Дело в том, что количество молекул в кубическом сантиметре газа можно измерять по крайней мере двумя десятками разных способов на основе совершенно различных и независимых между собой явлений. Все они приводят к близко совпадающим результатам и дают число, называемое числом Лошмидта. Оно с большой точностью совпадает с числом, полученным при измерении свечения неба. Таким образом, измерения показали, что молекулярное рассеяние света действительно существует.

Казалось, теория Релея была надежно подтверждена опытом; все ученые считали ее безупречной. Она стала общепризнанной и вошла во все учебники оптики.

Тем более удивительно, что в 1907 году на страницах известного научного журнала вновь был поставлен вопрос: почему же небо голубое?

Тайна природы раскрыта

Человеком, указавшим на недостаточность общепризнанной теории, был замечательный русский ученый Леонид Исаакович Мандельштам.

Вот как охарактеризовал Л. И. Мандельштама академик С. И. Вавилов:

«Природа одарила Леонида Исааковича совсем необычным прозорливым тонким умом, сразу замечавшим и понимавшим то главное, мимо чего равнодушно проходило большинство. Так была понята флуктуационная сущность рассеяния света, так появилась идея об изменении спектра при рассеянии света, ставшая основой открытия комбинационного рассеяния».

История раскрытия тайны голубого цвета неба прекрасно иллюстрирует слова академика С. И. Вавилова.

Мандельштам обнаружил принципиальную трудность в самой основе теории Релея. Он показал, что простой факт движения молекул не может воспрепятствовать взаимному гашению световых волн, рассеиваемых в стороны отдельными молекулами. Дело в том, что если газ однороден и плотность его достаточно высока, то движение молекул не изменяет средней плотности газа. Оно ведет лишь к замене одних молекул другими, а так как молекулы одинаковы, то такая замена не приводит ни к какой существенной разнице. В этих условиях движущиеся молекулы рассеивают свет так же, как неподвижные, а значит, волны света, рассеянного отдельными молекулами, будут погашены в результате их взаимодействия.

Проще всего уяснить себе суть дела на примере волн на поверхности воды. Если волна встречается с неподвижными или плавающими предметами (сваи, бревна, лодки и т. п.), то во все стороны от этих предметов разбегаются мелкие волны. Это есть не что иное, как рассеяние. Часть энергии падающей волны расходуется на возбуждение вторичных волн, которые вполне аналогичны рассеянному свету в оптике. При этом первоначальная волна ослабляется — она затухает.

Плавающие предметы могут быть намного меньше, чем длина волны, бегущей по воде. Даже мелкие зерна будут вызывать вторичные волны. Конечно, по мере уменьшения размеров частиц образуемые ими вторичные волны ослабевают, но они все же будут забирать энергию основной волны.

Примерно так представлял себе процесс ослабления световой волны при прохождении ее через газ Планк, но роль зерен у него играли молекулы газа.

Процесс рассеяния света, несомненно, гораздо сложнее, чем рассеяние волн на воде, — ведь свет это не механические волны, а электромагнитные колебания, — но наблюдение над обычными волнами помогает уяснить законы оптики.

Планк поставил своей целью с помощью математического расчета объяснить причину ослабления света при прохождении его через оптически однородное вещество, то есть через вещество, не обладающее мутностью. Для этого он построил теорию, в которой принималось за основу, что сами молекулы вещества, через которое проходит свет, являются источниками вторичных волн. На создание этих вторичных волн, утверждал он, тратится часть энергии проходящей волны, которая при этом ослабляется. Мы видим, что эта теория основывается на релеевской теории молекулярного рассеяния и опирается на ее авторитет. Этой работой Планка заинтересовался Мандельштам.

Ход мыслей Мандельштама также можно пояснить с помощью примера волн на поверхности воды. Нужно лишь рассмотреть его более внимательно. Уже указывалось, что даже мелкие зерна, плавающие на поверхности воды, являются источниками вторичных волн. Но что будет, если насыпать эти зерна так густо, что они покроют всю поверхность воды? Тогда окажется, что отдельные вторичные волны, вызванные многочисленными зернами, будут складываться так, что они полностью погасят те части волн, которые бегут в стороны и назад, и рассеяние прекратится. Останется лишь волна, бегущая вперед. Она побежит вперед, совершенно не ослабляясь. Единственным результатом присутствия всей массы зерен окажется некоторое уменьшение скорости распространения первичной волны. Особенно важно, что все это не зависит от того, неподвижны ли зерна или они движутся по поверхности воды.

Мандельштам произвел математический расчет для случая, когда число молекул в воздухе так велико, что даже на таком маленьком участке, как длина световой волны, содержится очень большое число молекул. Оказалось, что при этом вторичные световые волны, возбуждаемые отдельными молекулами, складываются так же, как волны в примере с зернами на поверхности воды. Значит, в этом случае световая волна распространяется без рассеяния и ослабления, но с несколько меньшей скоростью. Это опровергало теорию Релея, считавшего, что движение рассеивающих частиц во всех случаях обеспечивает рассеяние волн и основанную на ней теорию Планка.

Так под фундаментом теории рассеяния был обнаружен песок. Все величественное здание заколебалось и грозило рухнуть.

Но как обстоит дело с определением числа Лошмидта из измерений голубого свечения неба? Ведь этот опыт подтверждал релеевскую теорию рассеяния?

«Это совпадение должно рассматриваться