В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность
Шрифт:
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
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.
7
См. статью Кляйна в книге «Некоторая странность в пропорциях» под редакцией Гарри Вульфа. В том же сборнике Томас Кун из Массачусетского технологического института более яро, чем остальные авторитетные ученые, доказывал, что у Планка «не было концепции о дискретном энергетическом спектре, когда он представил свои первые выкладки закона об излучении абсолютно черного тела» и что Эйнштейн был первым, кто понял «существенную роль квантования в теории абсолютно черного тела». Кун утверждает, что «именно Эйнштейн, а не Планк первым проквантов ал осциллятор Планка». Этот спор можно оставить на откуп академикам, но нет никаких сомнений в том, что исследования Эйнштейна внесли решающий вклад в становление квантовой теории.
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.
Все это объясняется очень просто, если вы готовы забыть о прочно укоренившихся идеях классической физики и посчитать уравнения Планка физически значимыми. Важность этой оговорки становится очевидна, когда узнаешь, что за пять лет, прошедших с начальной работы Ленарда над фотоэлектрическим эффектом и введения Планком концепции кванта, никто не предпринял этот, казалось бы, простой шаг. В сущности, Эйнштейн лишь применил уравнение Е = hv к электромагнитному излучению, а не к маленьким осцилляторам внутри атома. Он сказал, что свет не является непрерывной волной, как целое столетие считали ученые, а распространяется отдельными пакетами – квантами. Весь свет определенной частоты v, то есть определенного цвета, распространяется пакетами, обладающими одинаковой энергией Е. Каждый раз, когда один из этих квантов света ударяет электрон, он передает ему одинаковое количество энергии, а следовательно, одинаковую скорость. Большая мощность света означает лишь то, что квантов света (теперь мы называем их фотонами), обладающих одинаковой энергией, становится больше, но изменение цвета света изменяет его частоту, а значит, и количество энергии, переносимое каждым фотоном.
Именно за эту работу Эйнштейн в итоге получил Нобелевскую премию, которую вручили ему в 1921 году. И снова пришлось подождать, пока теоретический прорыв обретет полное признание. Идею о фотонах приняли не сразу, и, хотя опыты Ленарда в целом совпадали с теорией, потребовалось больше десяти лет, чтобы экспериментально доказать точное предположение о взаимозависимости скорости электронов и длины световых волн. Это удалось американскому экспериментатору Роберту Милликену, который в процессе опыта провел очень точное измерение значения h, постоянной Планка. В 1923 году Милликен тоже получил Нобелевскую премию по физике за свою работу и точные измерения заряда электрона.