Глава 3. Квантовая физика и кончина материального реализма

 

Почти век назад в физике был сделан ряд экспериментальных открытий, требовавших изменения нашего мировоззрения. То, что обнаруживалось в этих экспериментах, представляло собой, по словам философа Томаса Куна, аномалии, которые не могла объяснить классическая физика. Эти аномалии открывали путь к революции в научной мысли.

Представьте себе, что вы — физик на пороге нового столетия. Одна из аномалий, которые хотите понять вы и ваши коллеги, касается того, как нагретые тела испускают излучение. Будучи физиком ньютоновской школы, вы считаете, что вселенная — это классическая машина, состоящая из частей, ведущих себя в соответствии с законами ньютоновской механики, которые почти все полностью известны. Вы верите, что, располагая всей информацией о частях и справившись с немногими оставшимися трудностями в отношении законов, вы сможете навсегда предсказать будущее вселенной. Однако эти немногие оставшиеся трудности неприятны. Вы не готовы отвечать на вопросы, касающиеся, например, того, каков закон излучения нагретых тел.

Вообразите, что в то время как вы ломаете голову над этим вопросом, ваша жена удобно устроилась рядом с вами перед горящим камином.

Вы (бормоча): Я просто не могу этого понять.

Она: Передай мне орешки.

Вы (передавая орешки): Я просто не могу понять, почему мы сейчас не загораем.

Она (смеясь): Ну, это было бы мило. У нас могли бы даже быть основания пользоваться камином в летнее время.

Вы: Понимаешь, теория говорит, что излучение от камина должно быть так же богато ультрафиолетом, как солнечный свет. Но что делает именно солнечный свет, а не свет камина, богатым этими высокими частотами? Почему мы сейчас не загораем, принимая ультрафиолетовую ванну?

Она: Подожди, пожалуйста. Чтобы я могла слушать это серьезно, тебе придется чуть замедлить темп и объяснить. Что такое частота? Что такое ультрафиолет?

Вы: Извини. Частота — это число периодов в секунду. Это мера того, как быстро колеблется волна. Для света это означает цвет. Белый свет состоит из света разных частот, или цветов. Красный — это низкочастотный свет, а фиолетовый — высокочастотный свет. Если частота еще выше, то это невидимый черный цвет, который мы называем ультрафиолетовым.

Она: Ладно, значит, и свет от горящих дров, и свет от солнца должен содержать массу ультрафиолета. К сожалению, солнце подчиняется вашей теории, а горящие дрова — нет. Быть может, в горящих дровах есть нечто особенное...

Вы: В действительности, все еще хуже. Все источники света, а не только солнце или горящие дрова должны давать большие количества ультрафиолета.

Она: А, это уже становится интересно. Инфляция ультрафиолета вездесуща. Но разве за всякой инфляцией не следует спад? Разве не поется в песенке, что все поднимающееся должно падать? (Она начинает напевать без слов.)

Вы (раздражаясь): Но как?

Она ( протягивая миску с орешками): Хочешь орешков, дорогой?

(Беседа заканчивается.)

 

 

Планк совершает первый квантовый скачок

 

В конце XIX в. многие физики испытывали разочарование, пока один из них не нарушил общую тенденцию — это был Макс Планк из Германии. В 1900 г. Планк совершил смелый концептуальный прорыв, заявив, что старой теории необходим квантовый скачок (он заимствовал слово квант, означающее «количество», из латыни). Излучение света раскаленными телами — например, горящими дровами или солнцем — вызывается электронами, крохотными колеблющимися электрическими зарядами. Эти электроны поглощают энергию из нагретой среды, например камина, и затем испускают ее обратно в виде излучения. Эта часть старой физики была верной, но затем классическая физика предсказывала, что испускаемое излучение должно быть богато ультрафиолетом, чему противоречили наши наблюдения. Планк (весьма храбро) объявил, что проблему испускания разных количеств ультрафиолета можно решить, если допустить, что электроны испускают или поглощают энергию только определенными дискретными порциями, которые он назвал «квантами» энергии[1].

Чтобы понять смысл кванта энергии, рассмотрим такую аналогию. Сравните случай шарика, катящегося по лестнице, со случаем, когда он катится по наклонной плоскости (рис. 1), на наклонной плоскости может занимать любое положение, и его положение может меняться на любую величину. Таким образом, это модель непрерывности, представляющая то, как мы думаем в классической физике. По контрасту, шарик на лестнице может находиться только на той или иной ступени; его положение (и его энергия, которая связана с положением) «квантовано».

 

Рнс. 1. Квантовый скачок. На наклонной плоскости классическое движение шарика является непрерывным; на лестнице квантовой движение происходит в виде дискретных стадий (квантовых скачков)

 

Вы можете возразить — что происходит, когда шарик падает с одной ступени на другую? Разве во время своего спуска он не занимает промежуточные положения? Именно здесь проявляется необычность квантовой теории. Для шарика на лестнице ответ, очевидно, должен быть положительным, но для случая квантового шарика (атома или электрона) теория Планка дает отрицательный ответ. Квантовый шарик никогда не может быть обнаружен в любом промежуточном положении между двумя ступеньками; он находится либо на одной, либо на другой. Это — квантовая прерывистость.

Итак, почему вы не можете получить загар от огня дров в камине? Представьте себе маятник на ветру Обычно в такой ситуации маятник будет раскачиваться, даже если ветер не очень сильный. Предположите, однако, что маятник может поглощать энергию только дискретными порциями большой величины. Иными словами, это квантовый маятник. Что тогда? Ясно, что если только ветер не способен давать требуемое высокое нарастание энергии за один шаг, то маятник не будет двигаться. Поглощение небольших значений энергии не позволит ему накопить достаточно энергии для преодоления порога. Так и с колеблющимися электронами в камине. В результате небольших квантовых скачков возникает низкочастотное излучение, но для высокочастотного излучения требуются большие квантовые скачки. Большой квантовый скачок должен вызываться большим количеством энергии в среде, окружающей электрон; энергия дров, горяших в камине, просто недостаточно сильна, чтобы создавать условия для выделения большого количества голубого света, не говоря уже об ультрафиолете. Вот по какой причине нельзя загореть, сидя у камина.

Насколько известно, Планк был довольно традиционным ученым и с неохотой обнародовал свои идеи относительно квантов энергии. Он даже занимался своей математикой стоя, как в то время было принято в Германии. Ему не особенно нравились следствия его новаторской идеи; однако ученым, которым предстояло продвинуть революцию намного дальше, становилось ясно, что они указывают на совершенно новый способ понимания нашей физической реальности.