В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность - Джон Гриббин

В начале 1900-х годов физики были заняты тем, что осваивали новые открытия в области атомного излучения, и новый «математический трюк» Планка, призванный объяснить спектр излучения абсолютно черного тела, не казался особенно важным в сравнении с ними. В самом деле, Нобелевскую премию за свою работу Планк получил лишь в 1918 году – а это очень большой промежуток времени по сравнению с тем, как быстро были оценены работы Кюри или Резерфорда. (Отчасти это было связано с тем, что требуется больше времени для признания кардинально новых теоретических прорывов. Новая теория не так осязаема, как новая частица или рентгеновские лучи, и она должна выдержать проверку временем или получить экспериментальное подтверждение, прежде чем получит всеобщее признание.) Также было нечто странное в новой постоянной Планка – h. Это очень маленькая постоянная: 6,6 × 10-34Дж·с. Но это не должно удивлять, ведь если бы она была гораздо больше, то ее присутствие стало бы очевидно для физиков гораздо раньше, до того, как они стали решать проблему излучения абсолютно черного тела. Странность постоянной в другом – в величине, которой она измеряется: энергия (Джоули), умноженная на время (секунды). Такая величина называется «действием» и не особенно часто появляется в классической механике. Не существует «закона сохранения действия», аналогичного законам сохранения массы или энергии, однако действие имеет одно интересное свойство, которое среди прочего есть и у энтропии. Постоянное действие является абсолютно постоянным и имеет одинаковую величину для всех наблюдателей в пространстве и времени. Оно имеет четыре измерения, и значение этого стало очевидным, лишь когда Эйнштейн вывел свою теорию относительности.

Поскольку Эйнштейн является следующим человеком, который появится на квантово-механической сцене, стоит немного отклониться в сторону, чтобы пояснить несколько основных принципов. Специальная теория относительности рассматривает три пространственных измерения и время как четырехмерное целое – пространственно-временной континуум. Наблюдатели, движущиеся в пространстве на разных скоростях, видят вещи по-разному: например, они получат различные значения длины палочки, которую они измеряют по мере прохождения мимо нее. Однако можно представить, что палочка существует в четырех измерениях и, по мере того как она движется «сквозь» время, она оставляет за собой четырехмерный след – гиперпрямоугольник, длина которого – это длина палочки, а ширина – количество прошедшего времени. «Площадь» этого прямоугольника измеряется как длина, умноженная на время, и эта площадь является одинаковой для всех наблюдателей, которые измеряют ее, хотя при этом они получают различные значения длины и времени. Таким же образом действие (энергиях время) является четырехмерным эквивалентом энергии, и действие оказывается одинаковым для всех наблюдателей, даже когда они получают различные значения компонентов действия – энергии и времени. В специальной теории относительности существует закон сохранения действия, и он настолько же важен, как и закон сохранения энергии. Постоянная Планка выглядела особенной лишь потому, что была открыта до теории относительности.

И это, возможно, указывает на холистическую природу физики. Из трех великих вкладов Эйнштейна в науку, опубликованных в 1905 году, один – специальная теория относительности – кажется совершенно отличным от двух других: работ о броуновском движении и фотоэлектрическом эффекте. И тем не менее все они связаны воедино форматом теоретической физики, и, несмотря на известность, которую получила теория относительности, самым главным вкладом Эйнштейна стала его работа о квантовой теории, которая оттолкнулась от работы Планка с помощью фотоэлектрического эффекта.

Революционный аспект работы Планка 1900 года заключался в том, что она показывала границы классической физики. По сути не так важно, что это за границы. Одного лишь факта, что существуют явления, которые не могут быть объяснены лишь с помощью классических идей, основанных на работе Ньютона, было достаточно, чтобы начать новую эру в физике. Впрочем, первоначальный вид работы Планка был гораздо более ограничен, чем зачастую кажется сегодня. Существует школа приключенческих романов, в которой

герой чудесным образом выходит из сложнейших ситуаций в конце каждого эпизода и все заканчивается фразой: «Один прыжок – и Джек освободился». Многие популярные тексты о рождении квантовой механики будто бы рассказывают о научном аналоге прыгуна Джека. «В конце XIX века классическая физика наткнулась на стену. И Планк одним прыжком изобрел квант, освободив физику». Далеко от действительности. Планк лишь предложил квантование электрических осцилляторов внутри атома. Он лишь подразумевал, что они способны испускать энергию только порциями, поскольку что-то мешает им поглощать и излучать «промежуточные» значения энергии.

Банкомат во многом работает сходным образом. Когда я снимаю деньги, банкомат выдает необходимую сумму, но лишь если она кратна 10 фунтам. Он не может выдавать промежуточные значения (и не может дать меньше, чем 10 фунтов), но это не означает, что таких значений, например 12,47 фунта, не существует. Сам Планк не сказал, что квантуется излучение, и он, вероятно, всегда настороженно относился к более глубоким следствиям квантовой теории. Позже, по мере развития квантовой теории, Планк внес свой вклад в эту науку, однако провел большую часть времени, пытаясь согласовать новые идеи с классической физикой. Не то чтобы он изменил свое мнение, просто он никогда не был доволен тем, как далеко от классической физики оказалось его уравнение для абсолютно черного тела – он вывел его, используя две классические теории: термодинамику и электродинамику. Вместо того чтобы изменить точку зрения, Планк пытался найти промежуточный вариант между квантовыми идеями и классической физикой, что было для него глубоким сдвигом в сторону от классических идей, на которых он был взращен. Однако его корни в классической физике были настолько крепки, что нечего удивляться тому, что настоящий прогресс был сделан новым поколением физиков, которые были меньше связаны со старыми идеями и привержены им. Они были воодушевлены новыми открытиями в атомном излучении и искали новые ответы как на старые, так и на новые вопросы.

Эйнштейн, свет и кванты

В марте 1900 года Эйнштейну был 21 год. Как известно, летом 1902 года он устроился на работу в Швейцарское патентное бюро и в те первые годы XX века в основном уделял свое внимание проблемам термодинамики и статистической механики. Его первые научные публикации были так же традиционны по стилю и затрагивали такие же классические проблемы, как и труды предыдущего поколения физиков, включая Планка. Но в первой же опубликованной работе, которая ссылалась на идеи Планка о спектре излучения абсолютно черного тела (она была опубликована в 1904 году), Эйнштейн нацелился на новые горизонты и начал развивать свой собственный стиль решения физических загадок. Мартин Кляйн свидетельствует, что Эйнштейн первым всерьез воспринял физические следствия работы Планка и расценил, что они являются не просто математической уловкой[7]. А через год его уверенность в том, что уравнения имеют под собой физическое основание, привела к совершенно новому озарению – возрождению корпускулярной теории света.

Помимо работы Планка, существовала и другая отправная точка для публикации 1904 года – исследования фотоэлектрического эффекта, осуществленные в конце XIX века Филиппом Ленардом и Дж. Дж. Томсоном, которые работали независимо друг от друга. Ленард родился в 1862 году в той части Венгрии, которая сейчас принадлежит Чехии, и в 1905 году получил Нобелевскую премию по физике за свое исследование катодных лучей. В 1899 году в ходе экспериментов он продемонстрировал, что катодные лучи (электроны) могут производиться светом, который светит на металлическую поверхность в вакууме. Каким-то образом энергия света заставляет электроны выпрыгивать из металла.

В опытах Ленарда использовались одноцветные пучки света (монохроматический свет), а это означает, что все световые волны обладают одинаковой частотой. Изучив, как интенсивность света влияла на процесс вырывания электронов из металла, Ленард пришел к удивительному результату. При использовании более яркого света (он просто передвигал тот же источник света ближе к металлической поверхности, что оказывало тот же самый эффект) на каждый квадратный сантиметр металлической поверхности попадало больше энергии. Если электрон получает больше энергии, он должен быстрее вырываться из металла и вылетать с большей скоростью. Однако Ленард обнаружил, что если длина световой волны оставалась неизменной, все вырванные электроны вылетали с одинаковой скоростью. Когда источник света придвигали ближе к металлической поверхности, количество вырываемых электронов увеличивалось, но каждый из этих электронов вылетал с той же скоростью, что и электроны, вырванные более слабым пучком света того же цвета. С другой стороны, электроны действительно двигались быстрее, когда использовался пучок света большей частоты – скажем, ультрафиолет вместо синего или красного цвета.