Дифракцию света лучше всего можно наблюдать при прохождении света через узкие щели или отверстия, а также при отражении света от мелкой решетки. В приведенном примере штрихи логарифмической линейки и играют роль такой дифракционной решетки.
Явление дифракции света, а точнее говоря, внешняя картина, наблюдаемая при этом явлении, послужила в свое время довольно веским основанием для заключения о том, что и материальные частицы (такие, как электроны, протоны и т. п.) также имеют волновую природу.
В 1927 г. Л.-Х. Джермер и К.-Д. Дэвиссон поставили в США опыты по отражению электронов от кристаллов твердого тела, а также по прохождению пучка электронов через весьма узкие отверстия. При этом они обнаружили, что электроны рассеиваются и отражаются в этих случаях по вполне определенному закону. На флюоресцирующем экране, на который они падают, в результате такого отражения образуются изображения в виде правильных концентрических кругов различной интенсивности.
166
По внешнему виду эти круги точно такие же, какие образуются при дифракции света. Внешнее сходство наблюдаемых картин было столь поразительно и вместе с тем столь убедительно, что у авторов опытов и в особенности у их последователей невольно возникало желание перенести законы, характеризующие волновую природу света, и на материальные частицы.
В это же примерно время советский физик Валентин Александрович Фабрикант ставил опыты по прохождению электронов через малые отверстия в металлах и получил аналогичные дифракционные картины при очень малой плотности электронного тока. Суммарный эффект прохождения электронов через такие отверстия дал такую же картину, как и волновая дифракция.
Теперь мы уже не сомневаемся, что электроны и другие материальные частицы действительно при некоторых условиях ведут себя как волны. Но этот дуализм в теории познания элементарных частиц свидетельствует лишь о недостаточности наших знаний об их истинной природе и в особенности о природе их взаимодействия с другими материальными телами и полями.
Опыты Джермера и Дэвисона, одно время считавшиеся чуть ли не самым главным доказательством волновой природы электрона, в настоящее время уже нельзя толковать так просто. Новые, более совершенные опыты по дифракции электронов свидетельствуют о том, что картина, получающаяся на светящемся экране или на фотопленке, куда падают электроны после прохождения малых отверстий, может, быть почти такой же и в том случае, когда в камере мимо отражающего кристалла будет проходить не по два и не по нескольку электронов, а только по одному в каждую единицу времени.
Практически это уже осуществлено. В этом случае ни о каком одновременном взаимодействии электронов с отражающей решеткой не может быть и речи, значит, не может быть и интерференции электронов (т. е. сложения или взаимного вычитания волн) в месте падения их на экран.
Каждый электрон в этом случае будет сам по себе проходить мимо отражающей поверхности и сам по себе достигать экрана наблюдения. Однако, как показал эксперимент, конечное распределение электронов на экране наблюдения и в этом случае получается точно таким же, как и при дифракции света, 167
Выходит, что наблюдаемый факт внешне как бы один и тот же, а причины, вызывающие явление, совершенно различны. И сколько еще таких фактов, которые мы оцениваем по первому впечатлению!
Когда было открыто радио, то считалось, что для целей связи длинные волны более ценны, так как они позволяют устанавливать связь на значительно большие расстояния, чем при использовании коротких волн.
Короткие волны в этом отношении считались менее ценными. И как менее ценные для служебных целей они были отданы тогда на откуп радиолюбителям для их практической работы.
Тогда в этом не было ничего удивительного, так как казалось, что чем длиннее волны, тем сильнее они должны преломляться в земной атмосфере. С этой точки зрения волны такого рода могут распространяться на значительные расстояния, даже за горизонт земли. Они как бы огибают на некотором расстоянии поверхность земли. У коротких же волн это свойство менее выражено, поэтому они не могут распространяться так далеко за линией видимого горизонта.
Факт (т. е. практика) и теория (т. е. объяснение этого факта) находились в полном согласии.
Но радиолюбители, пользовавшиеся коротковолновыми диапазонами, очень скоро обнаружили, что на коротких волнах, вопреки предсказаниям специалистов, можно устанавливать связь на значительно большие расстояния, чем предполагалось раньше. Радиолюбители показали, что радиосвязь можно устанавливать вплоть до межконтинентальной и при очень малой мощности передатчиков.
В спешном порядке пришлось произвести переоценку ценностей. Было установлено, что короткие волны хорошо отражаются от верхних, ионизированных слоев атмосферы и поэтому обеспечивают прием их на невероятно больших расстояниях. Таким образом, теперь уже не длинные, а короткие волны стали считаться наиболее ценными для установления дальней связи. Оценка фактов сменилась на противоположную.
Радиотехники, работающие на коротких волнах, особенно радиолюбители, добиваются потрясающих успехов, устанавливая связи одна длиннее другой.
168
Теперь весь мир опоясан такими линиями связи. Однако никому даже в голову не приходило, что радиосигнал, посланный на коротких волнах, можно снова принять в том же самом месте, откуда он был послан. Только в 1947 г. советский инженер Н. И. Кабанов пришел к выводу, что радиосигнал, посланный в эфир на коротких волнах, многократно отражаясь от ионосферы и от поверхности земли, неминуемо должен вернуться к месту излучения. Отражение от поверхности земли не может быть строго оптическим, оно должно носить характер сложного распределенного отражения, поэтому в числе отраженных лучей должны быть и такие, которые в точности совпадают с направлением первоначального сигнала.
В зависимости от свойств и рельефа отражающей поверхности интенсивность отраженной энергии может быть различной, но она обязательно достигнет точки излучения.
Это было новое и смелое умозаключение. Многим оно казалось невероятным. Длительное время спор складывался не в пользу Кабанова, но в конце концов его точка зрения победила, и в 1960 г. Комитет по делам открытий и изобретений выдал Н. И. Кабанову диплом на открытие «эффекта Кабанова».
Теперь этот эффект очень хорошо проверен и подтвержден. Радиотехника и радиолокация обогатились еще одним мощным средством «просматривания» местности далеко за пределами горизонта земли. Эффект Кабанова дает возможность не только обнаруживать те или иные изменения на обследуемых участках земной поверхности, но и быстро определять наивыгоднейшую волну, необходимую для установления связи с любым пунктом земли. Направляя в заранее рассчитанное место радиосигнал на той или иной волне и регистрируя интенсивность пришедшего «радиоэха», нетрудно установить, какая из посылаемых волн дает наилучшие результаты.
Так было открыто еще одно очень интересное явление. в физике распространения радиоволн.
Можно ли сказать, что мы знаем уже все о радиоволнах, что в дальнейшем в этой области не будет открыто каких-либо новых явлений? Конечно, нет. Практика и теория находятся в постоянном развитии, непрерывно дополняя и оплодотворяя друг друга. Многое из того, что сегодня нам кажется абсолютно правильным, завтра - опровергается новой практикой.
169
НЕОБЫЧНОЕ В ПРИВЫЧНОМ
Каждый специалист, изучая историю своей дисциплины, обязательно найдет факты, отношение к которым с течением времени претерпевало коренные изменения.
Известь, например, тысячелетиями применялась в строительном деле только в гашеном виде. А вот изобретатель С. И. Смирнов доказал, что можно не только применять ее в негашеном виде, но и получать на ее основе камни особо высокой прочности. По методу Смирнова получены камни, пригодные даже для изготовления мельничных жерновов.
Профессор А. В. Улитовский, многое сделавший для прикладной физики, умел находить оригинальные пути решения даже тех задач, которые на основании общеизвестных фактов считались неразрешимыми. Он первым, например, предложил способ прокатки жидкого металла.
Специалисты пытались доказать, что сделать это невозможно, так как при любой системе охлаждения валки все равно разогреются и расплавятся. А Алексей Васильевич не только доказал полную реальность своего метода, но и продемонстрировал прокатку жидкого чугуна, имеющего температуру плавления около 1400° С, валками из алюминия, температура плавления которого всего 660° С.
В чем же здесь дело? Конечно, если валки охлаждать водой обычным способом, то такого теплосъема действительно будет недостаточно, чтобы снизить их температуру ниже точки плавления. Но разве охлаждение валков проточной, пусть даже холодной водой — единственный способ?
