65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
А что на этот счет говорит теория? К концу XIX века уже были известны уравнения Максвелла для электромагнитного поля[47]. Так что два британских физика, Джон Уильям Стретт (1842–1919), более известный как Рэлей, и Джеймс Хопвуд Джинс (1877–1946), решили применить эти уравнения классической электродинамики для описания теплового излучения. Они получили формулу, описывающую закон распределения энергии теплового излучения по частотам в зависимости от температуры источника излучения. Согласно закону Рэлея – Джинса, нагретые тела должны излучать электромагнитные волны всех частот. Причем наибольшая энергия излучения приходится на область самых больших частот, т. е. ультрафиолет, рентген и даже гамма-излучение. Мощность излучения неограниченно возрастает при увеличении частоты / уменьшении длины волны. Получается, что каждое нагретое тело должно, подобно звезде, чрезвычайно ярко светиться, излучая всю свою тепловую энергию, и за очень короткое время остыть до абсолютного нуля. Чего мы, конечно же, не наблюдаем в реальности.
Этот вывод противоречил не только экспериментальным наблюдениям, но и здравому смыслу. Никто не видел, чтобы нагретые тела излучали рентген или ультрафиолет в таких количествах. Классическая физика оказалась неспособна объяснить механизмы теплового излучения, разбившись о такую, казалось бы, простую задачу. Бессилие классической физики в этом вопросе получило название ультрафиолетовой катастрофы. В попытках разрешить этот парадокс и объяснить природу теплового излучения родилась новая физическая парадигма – квантовая механика, давшая начало неклассической физике, о которой мы поговорим в следующей главе.
К концу XIX века в физике накопилось некоторое количество явлений, которые невозможно было объяснить на основе существовавших на то время представлений. Классическая физика оказалась неспособна корректно их описать, либо классические уравнения давали абсурдные ответы. Одной из проблем стала ультрафиолетовая катастрофа, которую мы рассмотрели в предыдущей части книги. Все это выглядело довольно странно, ведь классическая физика отлично описывала множество явлений и прекрасно согласовывалась практически со всеми экспериментами. Тем не менее, как и любая теория, классическая механика и классическая электродинамика имеют границы своей применимости, за рамками которых уже перестают работать. Одну из таких границ к тому времени как раз удалось нащупать. Конечно, это не означает, что вся классическая физика теперь оказалась неправильной. Просто физики поняли, в каких областях она неприменима. А значит, нужны какие-то принципиально новые идеи. И самой первой из них стала идея квантов.
Часть 4
Квантовая механика
Вопрос 32. Что такое кванты и зачем они нужны?
В середине 1890‐х годов немецкий физик Макс Планк (1858–1947) взялся построить непротиворечивую теорию теплового излучения. Он понял, что классическая электродинамика дает совершенно неверные предсказания относительно того, как должен выглядеть спектр такого излучения[48], ведь к тому времени уже физики-экспериментаторы провели большое число наблюдений и составили графики таких спектров для разных тел и разных температур. И тогда он решил поступить так, как часто делают хитрые школьники – просто подогнать свое решение под существующий ответ. В данном случае – подогнать свою теорию под экспериментальные данные. Сделать это в рамках классических представлений об электромагнитном излучении у него не получалось, поэтому после долгих сомнений и размышлений в качестве временного решения проблемы Планк добавил в теорию одно допущение. Он предположил, что все нагретые тела испускают тепловое излучение не непрерывно, а дискретно, т. е. исключительно порциями. Минимальную порцию энергии Планк назвал квантом. 14 декабря 1900 года он представил свою революционную гипотезу на заседании Берлинского физического общества. Этот день можно считать днем рождения квантовой механики.
Проиллюстрируем гипотезу квантов на такой аналогии. Приходя в магазин, вы можете купить только целое количество порций газировки: одну, две, три бутылки и т. д., но никто не продаст вам половину бутылки или одну четверть. В данном случае квантом газировки будет одна бутылка. Т. е. несмотря на то, что объем газировки – это непрерывная величина, которая может принимать любые значения, все равно вы можете купить только такое количество газировки, которое будет кратно объему одной бутылки. С излучением происходит нечто подобное. Как будто природа не может разрешить излучать электромагнитные волны непрерывно, а только определенными порциями – квантами.
Оказалось, что если сделать такое (вообще говоря, довольно неочевидное) предположение относительно теплового излучения и попробовать заново вывести формулу для его спектра, то новое решение прекрасно согласуется с экспериментальными данными. Вот оно, решение проблемы! Однако платой за это решение стало радикальное изменение представлений о природе электромагнитного излучения. Изначально Планк, будучи весьма консервативным ученым, конечно же, не считал кванты чем-то реально существующим и рассматривал эту гипотезу исключительно как математический трюк, временную «заплатку» теории, необходимую ровно до тех пор, пока не найдется какое-то более разумное (с точки зрения классической физики) объяснение. Планк потратил довольно много времени и сил на то, чтобы как-то иначе получить нужное решение. Но без квантов у него ничего не получалось, ведь тогда он еще не понимал всей глубины и продуктивности этой идеи.
Более того, всего через пять лет после революционной работы Планка, в 1905 году, тогда еще никому не известный эксперт патентного бюро в Цюрихе смог на основе гипотезы квантов объяснить еще одно явление, которое не вписывалось в классическую теорию, – фотоэлектрический эффект. Этим неизвестным экспертом патентного бюро был Альберт Эйнштейн (1879–1955).
Вопрос 33. За что Эйнштейну дали Нобелевскую премию?
Имя Альберта Эйнштейна знакомо сегодня практически каждому. Его образ прочно закрепился в массовой культуре как эталон физика-теоретика. Если спросить рядового обывателя, чем так прославился Эйнштейн, то наверняка вы получите ответ – теорией относительности. И это действительно так. Эйнштейну принадлежат основополагающие работы в этой области, о которой мы поговорим в следующем разделе (стр. 199). Поэтому многие думают, что Нобелевскую премию ему присудили именно за создание теории относительности. Однако на самом деле Нобелевскую премию он получил за совсем другую работу.
В 1987 году Нобелевский комитет рассекретил материалы, связанные с подготовкой решений о присуждении Нобелевских премий с 1901 по 1937 год, поэтому сегодня мы можем восстановить логику принятия решений. Впервые Эйнштейна номинировали на премию в 1908 году за создание специальной теории относительности. Но тогда его
