Читать книгу "Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс"

Можно подумать, что все здесь сводится к простой проблеме отсутствия у нас доступа к информации о местоположении частицы до тех пор, пока мы не проведем измерение. Однако эксперимент Юнга с двойной щелью, проведенный над электронами, ясно показывает, что в действительности дело обстоит совершенно не так. Любая «здравая» классическая картина того, что происходит в промежутке между измерениями, расходится с имеющимися данными.

* * *

Странное поведение электронов было не первым свидетельством того, что микроскопический мир невозможно понять при помощи интуитивной классической логики. И вновь, в продолжение идущей со времен Платона традиции революционных перемен в наших представлениях о природе, открытие квантовой механики началось с рассмотрения света.

Вспомним, что, выполняя эксперимент Юнга со световыми лучами и двумя щелями в Платоновой пещере, мы получаем на стене обнаруженную Юнгом интерференционную картину, наглядно демонстрирующую, что свет на самом деле волна. Пока все в порядке. Однако, если источник света достаточно слаб, а мы пытаемся определить, через какую из двух щелей проходит свет, происходит нечто странное. Мы видим, что световой луч проходит либо через одну щель, либо через другую, но не через обе сразу. И, как в случае с электронами, картина на стене меняется и будет выглядеть так, как выглядела бы, если бы свет представлял собой не волну, а поток частиц.

На самом деле свет тоже ведет себя и как частица, и как волна, в зависимости от обстоятельств, при которых вы его измеряете. Отдельные частицы света, которые мы сегодня называем фотонами, впервые назвал квантами немецкий физик-теоретик Макс Планк. В 1900 г. он предположил, что свет может приниматься или поглощаться только мельчайшими порциями (хотя идею о том, что свет, возможно, существует в виде дискретных пакетов, еще раньше, в 1877 г., пустил в ход великий Людвиг Больцман).

Я еще больше зауважал Планка, когда узнал подробности его жизни. Подобно Эйнштейну, он читал лекции без оплаты, и после завершения работы над диссертацией ему не предложили академической должности. Все свое время в этот период он посвящал попыткам разобраться в природе теплоты, результатом чего стали несколько значительных работ по термодинамике. Через пять лет после защиты диссертации Планку наконец предложили пост в университете, а затем он быстро поднялся по служебной лестнице и в 1892 г. стал штатным профессором престижного Берлинского университета.

В 1894 г. Планк обратился к вопросу о природе света, излучаемого нагретыми телами, причем отчасти он руководствовался при этом коммерческими соображениями (это первый известный мне пример, когда фундаментальная физика мотивировалась материальными соображениями). Ему поручили разобраться, как получить максимальное количество света от новоизобретенных лампочек, используя минимальное количество энергии.

Мы все знаем, что при включении нагревательный элемент в электрической печке сперва светится красным, а затем, раскаляясь все сильнее, начинает светиться голубым. Но почему? Как ни удивительно, ни один традиционный подход к этой проблеме не мог объяснить эти наблюдения. После шести лет упорных исследований Планк представил миру революционную теорию излучения, вполне соответствовавшую наблюдениям.

Первоначально ничего революционного в его выводах не было, но не прошло и двух месяцев, как он пересмотрел свой анализ с включением в него идей о том, что происходит на фундаментальном уровне. Рассказ Планка о своей работе расположил меня к нему сразу же, после первого же прочтения; он писал, что его новый подход возник как «акт отчаяния… Я готов был пожертвовать любыми прежними своими убеждениями в физике».

Для меня это заявление отражает то фундаментальное качество, которое делает научный процесс таким эффективным и которое так ясно представлено в картине рождения квантовой механики. «Прежние убеждения» – это всего лишь убеждения, ждущие своего ниспровержения – эмпирическими данными, если необходимо. Мы отбрасываем прежние взлелеянные представления, как вчерашнюю газету, если они не работают. А в деле объяснения природы излучения, испускаемого веществом, они откровенно не работали.

Планк вывел свой закон излучения из фундаментального предположения о том, что свет, представляющий собой волну, тем не менее испускается только «пакетами» некоторой минимальной энергии, пропорциональной частоте излучения, о котором идет речь. Он назвал константу, связывающую энергию с частотой, квантом действия; сегодня мы называем эту величину постоянной Планка.

Возможно, это звучит не слишком революционно, и Планк, подобно Фарадею с его электрическими полями, рассматривал свою гипотезу всего лишь как формальный математический костыль, призванный помочь в анализе явления. Позже он писал: «На самом деле я не слишком много об этом думал». Тем не менее предположение Планка о том, что свет излучается частицеподобными пакетами, откровенно трудно примирить с классической картиной света как волны. Энергия, переносимая волной, непосредственно связана с размахом ее колебаний, который может меняться непрерывно, начиная с нуля. Однако, согласно Планку, количество энергии, которое может быть испущено в виде световой волны заданной частоты, имеет абсолютный минимум. Этот минимум получил название кванта энергии.

Впоследствии Планк попытался развить классическое физическое представление об этих квантах энергии, но потерпел неудачу, что причинило ему, как он выразился, «большое огорчение». И все же, в отличие от многих коллег, он сумел признать: Вселенная существует не для того, чтобы облегчать ему жизнь. Имея в виду физика и астронома сэра Джеймса Джинса, не желавшего отказываться от классических представлений даже перед лицом верных доказательств, представляемых излучением, Планк сказал: «Я не в состоянии понять упрямство Джинса – он служит примером теоретика, какого и существовать-то не должно, как Гегеля в философии. Тем хуже для фактов, если они не укладываются в теорию». (Для пояснения замечу – на случай, если у читателей возникнет желание написать мне: эту хулу на Гегеля возвел Планк, а не я!)

Позже Планк подружился еще с одним физиком, который позволил фактам навести себя на революционную идею, – с Альбертом Эйнштейном. В 1914 г., когда Планк стал ректором Берлинского университета, он организовал в нем для Эйнштейна новую профессорскую должность. Поначалу Планк не мог принять замечательную гипотезу Эйнштейна, выдвинутую в том же 1905 г., когда была создана специальная теория относительности, о том, что не только вещество излучает свет квантовыми пакетами, но и сами световые лучи существуют как пучки этих квантов, то есть что свет как таковой состоит из частицеподобных объектов, которые мы сегодня называем фотонами.

Эйнштейн пришел к этой гипотезе в попытке объяснить явление, известное как фотоэлектрический эффект, или просто фотоэффект; явление это открыл в 1902 г. Филипп Ленард – физик, чей антисемитизм сыграл ключевую роль в том, что присуждение Нобелевской премии Эйнштейну так долго откладывалось, и в том, что странным образом он в конечном итоге получил ее не за работы по теории относительности, а за объяснение фотоэффекта. Суть фотоэффекта заключается в том, что свет, падающий на металлическую поверхность, может выбивать электроны из атомов и порождать электрический ток. Однако, каким бы интенсивным ни был свет, если частота его окажется ниже некоторого порогового значения, электроны испускаться не будут. Фотоэлектрический ток возникнет только тогда, когда частота поднимается выше порогового значения.