Пионеры атомного века (Великие исследователи от Максвелла до Гейзенберга) - Фридрих Гернек

В этих особых условиях, которые он сам оценивал как счастливую случайность, Лауэ совершил свое гениальное открытие. В своем нобелевском докладе он рассказал, как в феврале 1912 года ему пришла в голову та идея, которая оказалась такой плодотворной и богатой последствиями в научном отношении. Пауль Эвальд, докторант Зоммерфельда, пришел к Лауэ посоветоваться по поводу трудностей, с которыми он столкнулся в работе по волновой оптике. Лауэ много лет работал в области оптики и считался глубоким знатоком этого круга проблем. И хотя в данном случае он не мог дать совет, но во время беседы он высказал мысль, что нужно попробовать пропустить через кристаллы рентгеновские лучи.

Если рентгеновские лучи действительно имеют волновую природу и длина их волны в какой-то степени соответствует оценке Вина и Зоммерфельда и если кристаллы действительно построены из пространственных решеток, то, по мнению Лауэ, при просвечивании кристаллов рентгеновскими лучами должны будут обнаружиться явления дифракции и интерференции, которые уже давно были известны у обычного света. Согласно расчетам кристаллографов, атомные пространственные решетки в кристаллах были таких размеров, что могли служить естественными "оптическими решетками" для рентгеновского света. Искусственные оптические решетки, штриховые и крестообразные, применявшиеся в том виде, в каком они впервые были процарапаны на стекле с большой точностью мюнхенским оптиком Фраунгофером, были слишком грубы для очень коротких, как предполагали, волн рентгеновских лучей. Поэтому экспериментаторы напрасно пытались получить с их помощью явления интерференции для рентгеновских лучей.

Итак, Лауэ связал друг с другом две гипотезы из двух различных областей науки: волновую теорию рентгеновских лучей и гипотезу о пространственных решетках кристаллов. В основе своей это было не что иное, как простое соединение двух уже существующих, но до сих пор, однако, совершенно не зависимых друг от друга логических рядов.

Как и все простое, эта операция оказалась трудной, и до Лауэ такая мысль никому не приходила в голову. "Лежавшая в основе идея, - говорил позднее исследователь о своем открытии, - казалась мне после того, как я к ней однажды пришел, настолько само собой разумеющейся, что я никогда не мог понять удивления, которое она вызвала в мире специалистов, равно как и сомнения, с каким ее встречали еще несколько лет спустя".

Творческая идея Лауэ была, как считал Планк, не случайной внезапной мыслью, а "неизбежным результатом логической цепи идей". У Лауэ она созрела раньше, чем у любого другого физика, потому что она находилась в тесной связи с вопросами, которые занимали его научное мышление. При этом сыграл свою роль "оптический инстинкт", который он приобрел в Берлине у Луммера. "Сколько физиков уже пропускали рентгеновские лучи через кристаллы, не замечая дифракции лучей, - говорил Макс Борн в юбилейной речи, посвященной открытию Лауэ. - Нужна была способность мысленно увидеть лучи прежде, чем они появятся на пластинке. Именно в этом заслуга Лауэ".

В зоммерфельдовском институте теоретической физики, в котором Лауэ был приват-доцентом, незадолго до этого появился ассистент Вальтер Фридрих, защитивший диссертацию у Рентгена. Еще будучи учеником старших классов, Фридрих, который родился 25 декабря 1883 года в Магдебурге в семье инженера, экспериментировал с рентгеновскими лучами. Делал он это настолько основательно, что наряду с блестящими оценками по физике приносил домой едва ли не худшие оценки по филологическим и историческим дисциплинам. После сданных наконец выпускных экзаменов он некоторое время учился в Женеве - все еще колеблясь: не заняться ли ему музыкой, - а затем в Мюнхене под руководством Рентгена посвятил себя экспериментальной физике. Результат его докторской работы опирался на понимание рентгеновских лучей в духе волновой теории. Фридриху было тогда 28 лет. Он уже обладал богатым опытом работы с рентгеновскими лучами и мастерски владел техникой научной фотографии. Когда он услышал о соблазнительной идее Лауэ, то тотчас же с юношеским воодушевлением изъявил готовность экспериментально проверить это предположение. Однако он сразу же столкнулся с трудностями.

Зоммерфельд, руководитель института, не желал и слышать о таком эксперименте своего ассистента. По его мнению, в задуманном опыте не следовало ожидать четких явлений дифракции из-за теплового движения атомов. Фридрих, перегруженный другими заданиями, мог поставить свои первые эксперименты только в промежутках между прочими занятиями, тайком, поздними вечерами. Ему помогал другой молодой физик, Пауль Книппинг, который, закончив свою докторскую работу, готовился через несколько недель покинуть институт Зоммерфельда.

Вначале Фридрих и Книппинг использовали в опытах кристалл медного купороса, который просвечивали в произвольно выбранном направлении: без учета положения оси кристалла или других кристаллографических особенностей. Уже на втором снимке обнаружилось явление, предсказанное Лауэ, хотя еще и недостаточно четко. "Для меня это было незабываемое событие, - писал Вальтер Фридрих, - когда я поздно вечером в полном одиночестве стоял в моем институтском кабинете у ванночки с проявителем и смотрел, как на пластинке проступают следы отклоненных лучей".

Решающим для удачного исхода эксперимента было то, что на основе своей ренттенофотографической практики Фридрих заранее выбрал многочасовую экспозицию, так как он был уверен, что лишь таким образом можно будет сделать фотографически активными слабые искривленные лучи. В противном случае они вполне могли бы быть замечены предыдущими физиками-экспериментаторами, так как кристаллы просвечивались уже более 15 лет. Сам Рентген уже делал такие опыты, не получив при этом картины дифракции.

Очевидный успех Фридриха произвел впечатление на Зоммерфельда и побудил его предоставить своему ассистенту возможность проводить обширные эксперименты, пользуясь средствами института. Он интересовался опытами, давал ценные советы и позднее очень гордился тем, что это крупное открытие было сделано в его институте. Просвечивание цинковой обманки, каменной соли и других кристаллов с упорядоченным расположением атомов - с учетом кристаллографических закономерностей - дало теперь те превосходные фотографические изображения дифракционных спектров решеток, те образцы интерференции, которые в короткий срок под названием "диаграмм Лауэ" стали известны во всем мире.

Открытие интерференции рентгеновских лучей Планк рассматривал как один из самых впечатляющих примеров плодотворности образцового взаимодействия теории и эксперимента. "Насколько остроумны и все-таки фантастичны были комбинации идей Лауэ, которые дали первый толчок к постановке опытов, настолько же нужна была огромная искусность в экспериментах г. г. Фридриха и Книппинга для того, чтобы претворить идеи в действительность". Далее Планк писал: "Теория и эксперимент связаны друг с другом, одно без другого остается бесплодным. Теории без экспериментов пусты, эксперименты без теории слепы. Поэтому оба, теория и эксперимент, требуют с одинаковой настоятельностью подобающего им внимания".

Фридрих, Книппинг и Лауэ в совместной работе сообщили о "явлениях интерференции рентгеновских лучей". То, что в публикации на первое место была поставлена теоретическая часть, автором которой был Лауэ, не соответствовало действительному ходу событий, приведших к открытию. Исчерпывающее количественное объяснение явлений Лауэ дал лишь тогда, когда были уже получены снимки дифракции. Но так как направляющая мысль исходила от Лауэ и Фридрих с Книппингом без его инициативы и его теоретического плана не осуществили бы опытов, то последовательность работ, установленная в совместной публикации, правомерна. Она также и с внешней стороны характеризует ведущую роль, которая выпала на долю теоретического мышления в этом открытии, пролагавшем новые пути в науке.

Вскоре Лауэ разработал геометрическую теорию интерференции рентгеновских лучей, уточненную позднее им самим и другими исследователями и замененную, наконец, динамическим объяснением. Заслуга Лауэ в математике состояла в том, что он так изменил имевшую хождение в то время теорию дифракции света на плоских решетках, что она оказалась применимой к пространственной решетке и к рентгеновским лучам.

Еще до того, как была напечатана статья об открытии, Лауэ рассказал о ее содержании на заседании Немецкого физического общества. Физики, собравшиеся в аудитории Физического института на Рейхстагуфер перед началом заседания, еще не знали, о чем пойдет речь. Тем неожиданнее был для них сюрприз.

В своем юбилейном докладе по поводу 25-летия открытия интерференции рентгеновских лучей Планк рассказал о ходе этого памятного собрания, которое происходило там же, где он сам за 12 лет до этого выступал с обоснованием своей формулы излучения.