Одной из тех неразрешимых «мелких проблемок», которые стояли перед физиками конца девятнадцатого века и о которой говорил умудренный профессор Жолли молодому Планку, была проблема излучения так называемого черного тела. Черное тело – это придуманный физиками теоретический конструкт, вымышленный объект, который все излучения поглощает и ничего не отражает. При этом черное тело постепенно нагревается и потому переизлучает тепло уже в собственном диапазоне.
Дивиться тому, что физики взяли да и выдумали что-то, в реальном мире не существующее, не стоит. Дело в том, что физика всегда оперирует некими идеальными моделями. Как и любая другая наука. Наука ведь не гонится за истиной, как вы, быть может, ошибочно предполагаете. Наука просто строит интеллектуальные модели. И проверяет их на соответствие реальности – работает или нет, можно с ее помощью делать предсказания или нельзя. Можно – хорошая теория, берем на вооружение. Нет – ошибочная.
Все научные теории без исключения имеют ограниченную область применения и строятся для решения практических задач. А так как человеческие хотелки все растут и растут, людям хочется получить больше и больше, область решаемых задач вскоре начинает превышать возможности теории. И она перестает работать в новых условиях. Приходится строить более общую теорию, в которую старая теория входит частным случаем. Или же просто отказываться от старой теории, полностью меняя научную парадигму. Вы, я надеюсь, знаете, что такое парадигма? Парадигма – это система устоявшихся взглядов.
Так вот, в стройном здании физики позапрошлого века была одна теоретическая неясность. Исследуя излучения разных нагретых тел, физики заметили, что построенные ими красивые теории не стыкуются с отвратительной реальностью. Из теории получалось, что нагретое абсолютно черное тело должно излучать бесконечно большую энергию, что абсурдно. Теория давала сбой.
Пытаясь привести такую хорошую теорию к такой неприятной практике, буквально за волосы таща формулы к реальности. Планк сделал гениальное допущение. Оно выглядело очень искусственным, но зато сразу позволило решить проблему на бумаге. Макс Планк предположил, что энергия излучения, которое отдает нагретое тело, испускается не сплошным потоком, а порциями, которые Планк назвал квантами.
Предположение, конечно, глупое. Ну, что значит «излучается порциями»? Вот у нас есть бак, заполненный водой. Мы открыли кран, и она потекла – сплошным потоком. А почему излучение от нагретого тела должно «течь» не сплошным потоком, а каким-то пунктиром? Это же волны! Они бегут сплошняком! Что еще за порции такие дурацкие?
Однако введение этих порций в формулы дало хороший результат и позволило, что называется, подогнать решение к ответу, известному из практических наблюдений.
Работая над моделью излучения черного тела, Планк часто прогуливался по улице с сыном, не переставая думать обо всем этом. И однажды признался мальчику:
– Или то, что я делаю, абсолютная бессмыслица, или самое большое открытие в физике со времен Ньютона!
Планк, который стоял на позициях классической физики, очень расстраивался из-за того, что ему пришлось выдумать эти вот «рваные волны», которые излучаются непонятными порциями. Он рассчитывал, что кто-нибудь вскоре придумает что-то получше и исправит ситуацию, избавив мир от его дурацких квантов.
Увы! Кванты никак не хотели из теорий убираться, без них никак не получалось.
Неужели энергия тоже квантована, как и вещество? Поясню… Вещество, как мы уже знаем, делимо. Мельчайшей его частичкой является атом. Может, и энергия тоже состоит из «атомов энергии»? Стоп! А при чем тут энергия, спросите вы, ведь речь у нас об излучении? Дело в том, что энергией в физике часто называют не только такую абстрактную вещь, как энергия кинетическая или энергия потенциальная, но и вполне конкретное электромагнитное излучение. Оно считается энергией в чистом виде, так сказать… В общем, Планку формулы подогнать к реальности удалось, но по смыслу получилась какая-то ерунда, какие-то «куски волн», «куски излучения», похожие на частицы.
Пока классическая физика осмысливала получившуюся ерундень, по ней нанесли еще один удар. На сей раз постарался Эйнштейн.
Эйнштейн – не только икона современной физики, но и самый известный физик среди простого народа. Не потому, что народ понимает его теории, а потому что Эйнштейн, волосатый и озорной, – любил фотографироваться, высунув язык.
Что же натворил Эйнштейн?
Не скрою, набедокурил он изрядно. Рассказываю.
В конце XIX века физиками был открыт так называемый фотоэффект. Очень интересное явление! Оно заключается в следующем: при освещении металлической пластины светом световые лучи выбивают из этой пластины электроны. Схемка эксперимента дана ниже.
Неожиданностью в этом опыте было то, что энергия выбиваемых светом электронов совершенно не зависела от интенсивности светового потока! Слабенький он был или мощный – это влияло только на количество выбитых электронов. А вот их энергия зависела, как ни странно, от частоты света. И для любого материала катода всегда существовала такая низкая частота излучения, что фотоэффект прекращался. Это назвали «красной границей фотоэффекта», потому что чем ниже частота света, тем он ближе к красному.
Еще любопытно, что никакой медленной «накачки» электронов энергией не было, электроны начинали вылетать из металла сразу после включения лампы, словно им не нужно было «раскачиваться», набирая энергию для вылета.
Вообще-то, волновая теория света предсказывала совершенно другой результат – электроны должны сначала какое-то время накапливать энергию, причем их энергия должна была зависеть от интенсивности излучения (яркий источник света или тусклый), а не от его частоты, то есть цвета лучей. Это что же получается? Теория плохая? Но в других случаях она прекрасно работает. А тут чего-то спотыкается. Мы уже знаем: так бывает. Любая функция имеет область определения, а любая теория имеет границы своего применения. Ученые как раз вышли на эту границу. И значит, пришла пора расширять теорию!
Явление фотоэффекта. Берется стеклянная лампа хитрой формы и из нее откачивается воздух. С разных сторон в стекло впаяны два электрода – катод и анод. На них подается напряжение от батареи. Однако никакого тока в сети нет, потому что цепь не замкнута. Но если начать облучать светом катод (К), световые волны станут выбивать из металла электрончики. Освободившись из металлического плена, они под действием притяжения со стороны положительно заряженного анода (А) летят к нему, образуя электрический ток и замыкая электрическую цепь
Это и сделал Эйнштейн. Он внес в ситуацию точно такое же предположение, какое внес Планк: излучение происходит «порциями». Ну то есть излучение – это не какая-то сплошная волна, как думали раньше, а короткие «кусочки», больше похожие вообще-то на частицы. Порция – это ведь часть, и само слово «частица» произошло от слова «часть».
Впоследствии эти «кусочки света» назвали фотонами.У фотонов нет никакой массы. Они не могут находиться в состоянии покоя. Они электронейтральны, то есть не имеют заряда. Фотон – это квант, то есть частица электромагнитного излучения. Порция живой энергии.
Один фотон попадает в один электрон и целиком передает ему свою энергию, всю порцию, после чего электрон, получивший эту энергию, пулей вылетает из кристаллической решетки металла, как подорванный.
Интенсивность (яркость) света – это количество фотонов. Много фотонов – яркий свет, мало – тусклый. Поэтому интенсивность света и влияет на число выбитых электронов, а не на их энергию, ведь один фотон выбивает только один электрон: больше яркость света – больше выбитых электронов. Энергия же выбитых электронов (то есть скорость их вылета из металла) зависит от энергии фотона, а та зависит от частоты фотона. Высокочастотные – высокоэнергичные. Поэтому если частота (то есть энергия) фотонов становится слишком маленькой для выбивания электронов из металла, фотоэффект просто пропадает. Вот такое объяснение «красной границе фотоэффекта» дал Эйнштейн.
Вроде логично. Но при этом какой-то бред вообще, вы не находите?
Ну, в самом деле, как волна может состоять из частиц, фотонов этих? Ведь волна – это, строго говоря, процесс. А частица – это, друзья мои, объект. Вот молекула, например, объект. Если мы собираем множество молекул в огромный массив, мы получаем среду. И по этой среде могут распространяться колебания, то есть синхронизированные движения объектов среды (молекул). Групповой танец молекул – это колебание. Как колебание может состоять из «частиц колебания»? Как процесс может быть объектом?
Велосипед – это объект. Езда на велосипеде – процесс.
Буханка хлеба – объект. Нарезание хлеба – процесс.
Велосипед – это объект. Езда на велосипеде – процесс.
Буханка хлеба – объект. Нарезание хлеба – процесс.
Антилопа – это объект, хоть и живой. Бег антилопы – процесс.
Вода – это объект, хоть и жидкий. Волны на воде – процесс.
Это же принципиально разные вещи!
Нос – это не сморкание. Потому что нос – объект, а сморкание – процесс, который с объектом происходит.
Мозг – это объект. Мышление – процесс, который в мозгу творится.
Как частица может быть волной?
Со времен Ньютона, который утверждал, будто свет – это поток корпускул, прошло много времени, за которое наука блистательно доказала не корпускулярную, а именно волновую природу света. Все свойства волн были у света обнаружены – дифракция, интерференция, преломление. Свет – это волны, а не частицы!..
И вдруг приходят Эйнштейн с Планком и говорят: да нет, вообще-то это частицы, кванты, только так и можно объяснить целый ряд физических явлений, включая фотоэффект. Электроны поглощают частицы света целиком, порционно. Был бы свет сплошными волнами, вся картина фотоэффекта выглядела бы совершенно иначе. А она выглядит так, как если бы электроны не раскачивались постепенно непрерывными колебаниями, а бомбардировались потоком частиц.
Погоревали немного физики да и махнули рукой: эх, ладно, пусть будет околесица! Согласимся, что иногда свет обладает свойствами волны – когда он свободно летит себе и никого не трогает. А иногда свойствами частиц – когда бомбардирует вещество. Пусть у нас будут теперь две взаимоисключающие теории, объясняющие свет, и пусть они счастливо дополняют друг друга, решили физики. Поженили две несовместимые теории и радуются.
Но тут пришел один француз по имени Луи де Бройль, тоже физик, и сказал:
– У меня идея! Если свет, который мы всегда считали волной, теперь обладает свойствами частиц, то быть может, и электроны, которые мы всегда считали частицами, тоже обладают свойствами волн, ну то есть могут интерферировать – складываться друг с другом?
Тоже идея дикая, если задуматься. Электроны – это точно малюсенькие шарики! Давным-давно известна их масса, известен размер – эти характеристики электрона в любом физическом справочнике написаны. Ну, какие волны? Какая интерференция?! Это же горох! Разве может одна горошина сложиться с другой? Бред!
– Ничего, ничего, – успокоил научное сообщество де Бройль. – Давайте проверим.
Проверили…
Помните, как физик Юнг пропускал свет через две параллельные щелки, после прохождения которых световая волна начинала складываться друг с другом, давая на экране полосатую картину? Там, где волны света складывались, были яркие полосы, а там, где они вычитались – темные.
Тот же самый эксперимент, проведенный с электронами, показал: интерференция есть! «Горох» складывается друг с другом! И ладно бы только это! Но ведь выяснилось, что один электрон пролетает через две щели одновременно – так же, как и одинокий фотон может пролететь через две щели одновременно! Одна горошина провалиться через две щели в полу не может. Один автомобиль проехать в два параллельных туннеля не может. Один поезд по двух колеям одновременно ехать не может. А один электрон да через две щели – запросто!
То есть он пролетает через две щели и потом сам с собой интерферирует, то есть складывается волновым образом.
Удивительно. Некоторые свойства электрона, например, спин, о котором мы уже говорили, объясняются вращением электрончика вокруг собственной оси, он крутится как юла или планетка. И это вполне представимо. Но как вокруг своей оси может кружиться волна? Это уже ни в какие ворота воображения не лезет!
Интерференция пучка электронов в двухщелевом эксперименте. Черно-белая фотокартинка изображена справа. Если бы электроны были, как шарики, картина была бы принципиально иной – на экране мы бы видели только две засвеченные полосы – напротив щелей. А их вон сколько!
И не только электрон. В дальнейших опытах была показана интерференция, то есть волновые свойства, протонов, нейтронов. А затем и таких огромных по сравнению с элементарными частицами образований, как атомы и даже целые молекулы! Вещество имеет волновую природу!
Это что же получается? Все наши привычные картины насмарку? Выходит, электрон, как и свет, в свободном полете проявляет свойства волны, а при соударении с препятствием ведет себя, как классическая частица?
Но тогда и модель атома нужно менять! Мы больше не можем представлять себе электрончики как планеты, летающие вокруг атомного ядра по своим орбитам. Потому что у волн нет никаких орбит, волны как бы размазаны в пространстве. Получается, что электроны просто размазаны вокруг атомов и представляют собой нечто вроде электронных облаков.
Электроны вне атомов ведут себя аналогично – не имеют траекторий полета. Хотя с точки зрения классической физики девятнадцатого века должны были бы их иметь. Что такое траектория полета, каждый грамотный пенсионер и юный мальчик представляют прекрасно. Это линия движения. Пуля, которая вылетает из ствола, описывает определенную траекторию. Законы баллистики давно известны, зная скорость и массу пули, всегда можно вычислить, где и в какой момент после вылета окажется пуля и какую скорость она будет иметь. Здесь ничего сложного нет.
А вот если стрельнули электроном, то ничего точно предсказать нельзя. Электрон в полете размазан. Волна! Она везде. И поэтому пролетает одновременно в две дырки. После чего интерферирует сама с собой. А затем врезается в экран уже в виде объекта – крохотного материального шарика, имеющего конкретный размер и точку удара. Все это огромное по сравнению с размерами классического электрона летящее электронное облачко в одно мгновение вдруг схлопывается, стягивается в точку и превращается в привычную нам частицу. Это называется коллапсом или схлопыванием волновой функции.
Сложно себе это представить, ей-богу. Потому физики старой школы долго пребывали в растерянности. И сами виновники торжества, типа Планка и Эйнштейна, долго не хотели соглашаться с тем, чему сами послужили причиной.
Так в начале ХХ века начала рушиться вся привычная наглядная картина мироздания, на которой раньше стояла физика. Наука вторглась в область микромира и попала в область непредставимого. То есть не имеющего наглядных моделей. Ведь что для нас наглядность? То, что нам привычно. А привычно нам то, с чем мы сталкивается каждый день в нашем макромире. И поскольку свойства микромира кардинально отличаются от свойств макромира, в нашем большом мире мы не можем найти нужных аналогов и примеров, которые бы наглядно описывали то, что происходит там.
Очередное огромное полешко в костер этой мировоззренческой катастрофы подбросил великий физик Гейзенберг – тот самый, который делал Гитлеру атомную бомбу, да так и не доделал. Гейзенберг совершил открытие принципиальной важности, которое поставило на старом добром наивном мире XIX века – мире лошадей и паровозов, Шерлока Холмса и Жюля Верна – черный жирный крест.
Гейзенберг открыл свой знаменитый принцип Гейзенберга, который раз и навсегда покончил с иллюзией фатальности, с представлением о мире, в котором все можно предсказать, если познать его хорошенечко. Мир оказался принципиально непознаваемым до конца и лишенным так называемой скрытой реальности.
В чем же этот принцип Гейзенберга, действующий в микромире, заключается? О чем он говорит? И что такое скрытая реальность?
Принцип Гейзенберга иначе называют принципом неопределенности. Суть принципа следует из его названия и заключается в том, что в микромире всегда присутствует неопределенность. То есть мы не можем одновременно точно определить и координату микрочастицы, и ее скорость. Чем точнее мы определяем скорость, тем менее точно определяется координата. И наоборот. При самом точном определении скорости неопределенность в определении координаты частицы стремится к бесконечности. Иными словами, ничего мы уже сказать о ее местоположении не можем.
Принцип неопределенности имеет свое формульное выражение, но приводить эту формулу, хоть она и довольно проста, я не буду, чтобы не отпугивать читателей, поскольку каждая формула в книге сокращает количество читателей вдвое. А мне бы этого не хотелось! Скажу лишь, что в формуле Гейзенберга присутствует в качестве константы, то есть неизменного коэффициента, постоянная Планка – одна из основных характеристик микромира. Это и есть константа неопределенности.
Ну, а что такое «скрытая реальность»?
Если мы отдернем рукой познания тяжкий бархатный полог этого мира, закрывающий его изнанку, мы увидим божественный механизм, наподобие часового, который приводит мир в движение. Этакие приводные колесики вселенной, как в музыкальный шкатулке… Таковы были ньютоновские представления о мире – если мы чего-то не знаем, то это происходит только потому, полагала наука XIX века, что мы просто еще чего-то не успели изучить. А вот изучим и узнаем!