Питер Эткинз - Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.
Нам также потребуется знать, что такое частота: если вы вообразите себя стоящим в точке, через которую перекатывается волна, то частотой будет число гребней, проходящих мимо вас за секунду. Длинные световые волны имеют низкую частоту, потому что мимо вас в секунду проходит лишь малое число гребней; коротковолновой свет обладает высокой частотой, поскольку мимо вас проходит много гребней. Для видимого света за секунду проходит около 600 триллионов (6×1014) гребней, поэтому о его частоте говорят как о частоте в 6×1014 циклов в секунду (6×1014 герц, Гц). Красный свет имеет относительно низкую частоту, всего около 440 триллионов циклов в секунду; голубой свет имеет относительно высокую частоту, около 640 триллионов циклов в секунду. Мы воспринимаем это излучение как имеющее разные цвета, потому что разные рецепторы в наших глазах соответствуют разным частотам. Реальные числа в этой иллюстрации не имеют значения для дальнейшего, но знание их типичных значений и различных областей электромагнитного спектра является частью обшей культуры.
К концу девятнадцатого века были идентифицированы и выражены в виде законов две характеристики света, излучаемого нагретым телом, так называемого «излучения черного тела». В 1896 г. немецкий физик Вильгельм Вин (1864-1928) заметил, что интенсивность излучения черного тела, то есть яркость раскаленного тела, была наибольшей на длине волны, которая зависит от температуры по простому закону. Эта характеристика знакома нам качественно по повседневной жизни; ведь мы знаем, что объект светится при нагревании сначала красным свечением, а затем, когда его температура повышается еще больше, белым свечением. Этот сдвиг свечения указывает на то, что все больше и больше синего (коротковолнового) света добавляется к первоначально красному (длинноволновому) накалу по мере возрастания температуры, так что максимум интенсивности сдвигается к более коротким длинам волн. В 1879 г. австрийский физик Йозеф Стефан (1835-93) исследовал другое знакомое нам повседневное явление, резкое возрастание полной интенсивности излучаемого света при росте температуры, и выразил эту количественную зависимость в виде закона.
Ни закон Вина, ни закон Стефана не удавалось объяснить в рамках классической физики, несмотря на напряженные усилия очень талантливых теоретиков. В лекции, прочитанной 27 апреля 1900 г. в Королевском обществе, лорд Кельвин назвал неудачу попыток объяснить излучение черного тела одной из двух маленьких черных тучек, появившихся на горизонте классической физики (другой черной тучкой была неудача попыток обнаружить движение сквозь эфир). Двум черным тучкам Кельвина суждено было перерасти в бурный шторм, которому предстояло смыть наши концепции мира, способы, которыми мы производим наши расчеты и интерпретируем наши наблюдения, и наше понимание глубинной структуры реальности.
В состоянии раздражения Макс Планк (1858-1947) непреднамеренно и невольно породил квантовую теорию. 19 октября 1900 г. он предложил уравнение, которое, как казалось, объясняет законы Вина и Стефана, и в последующие недели бился над тем, чтобы дать своему выражению теоретическое обоснование. На лекции, прочитанной перед Германским физическим обществом 14 декабря 1900 г. — эта дата теперь считается днем рождения квантовой теории, — он представил свое решение. Во-первых, он изобразил излучение как явление, управляемое колебаниями осциллирующих атомов и электронов в нагретом теле, причем каждая частота колебаний соответствовала присутствию в излучении отдельного цвета. Это была стандартная точка зрения, и все его современники поступали именно так. Его современники также молчаливо предполагали, что энергия, каждого из этих осцилляторов меняется непрерывно, так же (думали они), как качание маятника может иметь любую амплитуду. Планк, однако, принял радикально иную точку зрения. Он предположил, что энергия каждого осциллятора может меняться лишь дискретными шагами, скорее по лестнице, чем по скату. Более точно, он предположил, что энергия осциллятора данной частоты является величиной кратной ħ × частота, где ħ — новая универсальная константа, которую теперь называют постоянной Планка. То есть, он предположил, что для любого данного осциллятора лестницей допустимых энергий является величина ħ × частота, взятая 0, 1, 2, … раз.
Величина ħ настолько мала, что шаги энергии для большинства форм электромагнитного излучения (особенно для излучения, которое мы называем видимым светом) являются тоже малыми, так что их невозможно зарегистрировать, не прибегая к изощренным методам. Поэтому легко понять, как физики пришли к мысли, что энергия может меняться непрерывно. Разве, глядя на маятник, мы можем заключить, что амплитуда его колебаний меняется скачками?[29] Однако скачкообразное изменение энергии является единственным способом объяснить свойства излучения черного тела, и скачкообразное изменение энергии — ее квантование — теперь установленный факт.
В частном разговоре Планк признавался своему сыну, что думал о своем открытии, как о сравнимом с открытием Ньютона. Тем не менее большую часть оставшейся жизни он отчаянно, но безрезультатно пытался объяснить квантование в контексте классической физики. Здесь заключаются два урока, полезных для нашего понимания научного метода. Один из них состоит в том, что революционные идеи набирают силы, сопротивляясь постоянным атакам. В отличие от других областей приложения человеческих сил, где сумасшедшие идеи без вопросов принимают в объятия, как дорогих и долгожданных друзей, в науке сумасшедшая идея есть предмет постоянных нападок, особенно — в самом деле, особенно — если она ниспровергает устоявшуюся парадигму. Второй урок заключается в том, что старики (и старухи, хотя для них в силу положения дел и к нашему сожалению, сегодня меньше эмпирических свидетельств) не лучшие проповедники радикальной науки, так как глубоко пропитаны условностями, заложенными в них воспитанием, которыми они, как правило, возмущались, проходя обучение. Как новые нравы, новые парадигмы принимаются только тогда, когда старое поколение вымирает.
Как бы то ни было, революционная, безумная идея Планка о том, что энергия распадается на куски, что она скорее является гранулированной, чем гладкой, что она больше похожа на песок, чем на воду, идея, которой предстояло преобразовать наше восприятие реальности, была встречена молчанием. Сначала ее считали математическим трюком. Физическая реальность этого предложения выявилась только в 1905 г., когда гладиатор Эйнштейн вступил на арену, вынул из ножен свой математический меч и сразил еще одного классического дракона.
Чтобы опознать этого дракона, нам придется снова погрузиться в атмосферу физики конца девятнадцатого века, этого лежбища драконов. На протяжении этого века все уверились, что свет — говоря шире, электромагнитное излучение — является волнообразным: он распространяется как волна. Эта уверенность существовала не всегда. Ньютон, позже поддержанный Лапласом, настаивал на том, что свет является потоком частиц, но экспериментальные свидетельства, полученные в девятнадцатом веке, убедили всех, что свет является волной. Наиболее убедительным свидетельством было явление дифракции, впервые описанное дотошным наблюдателем Леонардо да Винчи (1452-1519) и исчерпывающе и количественно изученное такими авторитетными физиками, как Гюйгенс, Юнг и Френель. Одним из наиболее драматических подтверждений волновой теории света было предсказание того, что в центре тени от сферического или круглого экрана, освещенного с другой стороны, должно находиться пятно света (рис. 7.2). В 1818 г. Огюст Френель (1788-1827) послал работу о теории дифракции на конкурс, проводимый Французской академией. Математик Пуассон, член жюри конкурса, отнесся весьма критично к волновой теории света и вывел из теории Френеля очевидно, абсурдное предсказание, за круглым препятствием должно появляться яркое пятно. Однако другой член жюри, Франсуа Араго, решил поискать яркое пятно Пуассона и обнаружил его экспериментально. В результате Френель выиграл конкурс, а волновая теория света была должным образом принята и стала неопровержимой с виду парадигмой. Итак, драконом оказался волновой характер света.
Рис. 7.2. Пятно Пуассона. В соответствии с волновой теорией света предсказано, что при помещении непрозрачного диска перед лампой в центре его тени появляется белое пятно.
Эйнштейн сразил дракона в 1905 г., когда показал, что свет все же следует считать состоящим из частиц. Эйнштейновское уничтожение парадигмы состояло из двух частей. Во-первых, он проанализировал термодинамические свойства электромагнитного излучений внутри нагретой полости и показал, что, для того чтобы соответствовать наблюдениям Планка, излучение должно состоять из частиц, а не из волн. Эти частицы света через десятилетие были названы фотонами, и мы будем далее использовать это наименование.
