Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
Последовал период мучительных раздумий, в результате которых Планк обнаружил, что, не противореча термодинамике, можно получить решение, справедливое для длинных волн, добившись того, чтобы та же функция оказалась пропорциональной не энергии, а ее квадрату. Но в этом случае результат был бы эквивалентен закону Ре-лея а значит, терял бы смысл в диапазоне коротких волн, приводя к ультрафиолетовой катастрофе.
Тогда Планк решил, хотя бы временно, отказаться от лобового решения коварной задачи и ограничиться полумерой. Он задался целью скомбинировать полученные результаты так, чтобы, приходя со стороны коротких волн к формуле Вина, а со стороны длинных к формуле Релея, они в середине совпадали с известным из опыта законом Стефана — Больцмана. Это было
Формула, сработанная таким образом, действительно отражает истинные свойства излучения абсолютно черного тела, соответствует условиям равновесия излучения и вещества внутри замкнутой полости…
19 октября 1900 года Планк представил свои результаты Берлинскому физическому обществу и рекомендовал проверить полученную формулу. На следующее утро его разыскал экспериментатор Рубенс и взволнованно сообщил, что в ночь после заседания он сравнил формулу с результатами своих прежних измерений и всюду нашел удовлетворительное совпадение…
Это был сугубо теоретический расчет, сделанный первым профессиональным физиком-теоретиком. Головоломка с излучением абсолютно черного тела казалась кабинетной забавой, заумью, настолько далекой от повседневной жизни, от потребностей и интересов людей, что могла занимать только коллег Планка. Однако все дальнейшее развитие физики подтвердило потенциальную мощь работы Планка, ее значение для теории и практики.
А когда, уже в наши дни, другие физики-теоретики предприняли неслыханный мысленный эксперимент — решили представить акт рождения Вселенной и воссоздать секунду за секундой все этапы ее развития вплоть до сегодняшнего дня, оказалось, что главной опорой в этой неслыханной попытке стал Планк. Именно его расчеты стали путеводными в составлении сценария, главными героями которого были элементарные частицы, рожденные в момент Большого взрыва, и электромагнитное поле. Именно игра вещества и излучения сформировали мир, который нам посчастливилось увидеть.
В своей замечательной книге «Первые три минуты», переведенной у нас в 1981 году, Стивен Вайнберг, специалист в области элементарных частиц, Нобелевский лауреат, прослеживает, как Вселенная расширялась, как клокотал космический «суп», как варились в нем все те составные части, которые сейчас составляют плоть мира. Весь расчет взаимоотношений между излучением и веществом строится на модели «черного тела».
Вайнберг пишет: «В течение первого миллиона лет или около того, когда излучение и вещество находились в состоянии теплового равновесия, Вселенная должна была быть заполнена излучением черного тела с температурой, равной температуре того вещества, из которого она состояла».
Расширяющаяся Вселенная уподоблена черному телу, заполненному излучением. Энергия в любом интервале длин волн, плавно растет с уменьшением длины волны, достигает максимума, а затем плавно падает. Это распределение Планка, оно универсально и не зависит от природы вещества, которым взаимодействует излучение, а зависит только от его температуры. Сегодня излучение черного тела означает любое излучение, в котором распределение энергии по длинам волн подчиняется формуле Планка независимо от того, действительно ли оно испущено черным телом или нет. И это обстоятельство дает возможность ученым провести еще более немыслимый мысленный эксперимент — проследить не только прошлое нашей Вселенной, но и проанализировать достоверные пути к будущему…
Вайнберг подчеркивает: «Важность планковского расчета выходит далеко за пределы проблемы излучения черного тела, так как в этом расчете Планк ввел новую идею — энергия может существовать в виде отдельных порций, или квантов».
Итак, в расчетах Планка родился квант энергии.
Казалось, следует торжествовать — задача решена. Может быть, другие и могли восторгаться. Но не Планк. Его мучительные сомнения достигли высочайшего предела.
Что это, удачная находка, счастливое сочетание математических кривых, неожиданное решение математического кроссворда или за этим скрывается физический смысл?
«После нескольких недель напряженнейшей в моей жизни работы, темнота рассеялась и наметились новые, неподозреваемые ранее дали». Заметьте, Планку открылась не тихая гавань, не решение, а дальнейший путь в неведомое.
Речь шла о сложнейших взаимоотношениях между неизбежностью и случайностью в природе, нащупанных и введенных в науку Больцманом, человеком с могучей интуицией. Он поразительно красиво примирил Второе начало термодинамики (неизбежность течения всех тепловых процессов лишь в одну сторону — от теплых тел к холодным) с вероятностью случайного всплеска энергии в той или иной области Вселенной, что спасает мир от тепловой смерти. «Примирил» — даже не то слово. Великий немецкий физик подглядел в сложном борении сил природы один из самых таинственных и непостижимых поединков — поединок случайности с неизбежностью.
Неизбежность — предсказанное Вторым началом остывание мира. Оно является следствием принципа, установленного, вернее, понятого, Карно — все виды энергии переходят в тепло без остатка, а тепло течет только в одном направлении — от более горячих тел к менее нагретым и не может полностью переходить в другие формы энергии. Мир остывает — и это неизбежно. Ни бог, ни дьявол не могут спасти мир от постепенного охлаждения. Больцман понял — если мир все еще существует, его спасает случай! Где-то в безбрежном океане остывающей Вселенной обязательно возникает всплеск энергии — и он прервет, нарушит умирание мира, вольет в него новую энергетическую кровь!
Много позже того как Планк закончил свою удивительную работу вслепую, он тоже будет вынужден признать, что в его формулах скрыта возможность стихийных всплесков энергии, но не где-то в глубинах космоса, а в недрах вещества, в атомах и молекулах. Именно там — время от времени и тоже по закону случая — электроны, вращаясь вокруг ядер и перескакивая с орбиты на орбиту, излучают порции энергии, которые получили название квантов. Подобные процессы можно понять только с новых позиций, приняв новую точку зрения, примирившись с необходимостью дополнить прежние законы, которые добыла классическая физика, новыми законами микромира, квантовыми законами. Классическая физика не знала этих законов. Познать их и учесть предстояло Планку, Эйнштейну, Бору и другим создателям новой, квантовой физики. А познав их, они поняли причины неувязок, которые произошли вследствие попыток изучить микромир с помощью физики, созданной для познания макромира.
Но понимание пришло после. А пока Планк, мучаясь и сомневаясь, боролся с собственной интуицией. Нечто подобное происходило и с Больцманом. Ученые не сразу поверили ему Было трудно, почти противоестественно признать власть такого ненаучного понятия, как случай, над непреклонным закономерным развитием природы… Открытие Больцмана должно было «созреть». Но сам великий ученый не дожил до этого. Споры, нестерпимое интеллектуальное напряжение, непонимание привели его к самоубийству. Конечно, ученые понимали, что случай — вовсе не произвол. Это не значит, что законы природы ускользают из-под контроля, не подвластны предсказанию. Но предсказать единичный случай тем не менее невозможно. Как же учитывать вероятность того или иного события? В дополнение к статистической теории явлений макромира были созданы — не одна, а даже две разные — теории, которые помогли физикам ориентироваться в микромире, предсказывать события микромира, и в том числе такие события, как перескок электронов с орбиты на орбиту внутри атома и связанное с этим событием следствие — всплеск энергии, излученной из него. (Оказалось, что многообразные микрочастицы разделены на две группы, принадлежат к двум семействам, что и привело к необходимости двух статистических теорий микроявлений. Но об этом позже.)