Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Эткинз (Эткинс) Питер

Величина ħнастолько мала, что шаги энергии для большинства форм электромагнитного излучения (особенно для излучения, которое мы называем видимым светом) являются тоже малыми, так что их невозможно зарегистрировать, не прибегая к изощренным методам. Поэтому легко понять, как физики пришли к мысли, что энергия может меняться непрерывно. Разве, глядя на маятник, мы можем заключить, что амплитуда его колебаний меняется скачками? [29]Однако скачкообразное изменение энергии является единственным способом объяснить свойства излучения черного тела, и скачкообразное изменение энергии — ее квантование— теперь установленный факт.

В частном разговоре Планк признавался своему сыну, что думал о своем открытии, как о сравнимом с открытием Ньютона. Тем не менее большую часть оставшейся жизни он отчаянно, но безрезультатно пытался объяснить квантование в контексте классической физики. Здесь заключаются два урока, полезных для нашего понимания научного метода. Один из них состоит в том, что революционные идеи набирают силы, сопротивляясь постоянным атакам. В отличие от других областей приложения человеческих сил, где сумасшедшие идеи без вопросов принимают в объятия, как дорогих и долгожданных друзей, в науке сумасшедшая идея есть предмет постоянных нападок, особенно — в самом деле, особенно — если она ниспровергает устоявшуюся парадигму. Второй урок заключается в том, что старики (и старухи, хотя для них в силу положения дел и к нашему сожалению, сегодня меньше эмпирических свидетельств) не лучшие проповедники радикальной науки, так как глубоко пропитаны условностями, заложенными в них воспитанием, которыми они, как правило, возмущались, проходя обучение. Как новые нравы, новые парадигмы принимаются только тогда, когда старое поколение вымирает.

Как бы то ни было, революционная, безумная идея Планка о том, что энергия распадается на куски, что она скорее является гранулированной, чем гладкой, что она больше похожа на песок, чем на воду, идея, которой предстояло преобразовать наше восприятие реальности, была встречена молчанием. Сначала ее считали математическим трюком. Физическая реальность этого предложения выявилась только в 1905 г., когда гладиатор Эйнштейн вступил на арену, вынул из ножен свой математический меч и сразил еще одного классического дракона.

Чтобы опознать этого дракона, нам придется снова погрузиться в атмосферу физики конца девятнадцатого века, этого лежбища драконов. На протяжении этого века все уверились, что свет — говоря шире, электромагнитное излучение — является волнообразным: он распространяется как волна. Эта уверенность существовала не всегда. Ньютон, позже поддержанный Лапласом, настаивал на том, что свет является потоком частиц, но экспериментальные свидетельства, полученные в девятнадцатом веке, убедили всех, что свет является волной. Наиболее убедительным свидетельством было явление дифракции, впервые описанное дотошным наблюдателем Леонардо да Винчи (1452-1519) и исчерпывающе и количественно изученное такими авторитетными физиками, как Гюйгенс, Юнг и Френель. Одним из наиболее драматических подтверждений волновой теории света было предсказание того, что в центре тени от сферического или круглого экрана, освещенного с другой стороны, должно находиться пятно света (рис. 7.2). В 1818 г. Огюст Френель (1788-1827) послал работу о теории дифракции на конкурс, проводимый Французской академией. Математик Пуассон, член жюри конкурса, отнесся весьма критично к волновой теории света и вывел из теории Френеля очевидно, абсурдное предсказание, за круглым препятствием должно появляться яркое пятно. Однако другой член жюри, Франсуа Араго, решил поискать яркое пятно Пуассона и обнаружил его экспериментально. В результате Френель выиграл конкурс, а волновая теория света была должным образом принята и стала неопровержимой с виду парадигмой. Итак, драконом оказался волновой характер света.

Рис. 7.2.Пятно Пуассона. В соответствии с волновой теорией света предсказано, что при помещении непрозрачного диска перед лампой в центре его тени появляется белое пятно.

Эйнштейн сразил дракона в 1905 г., когда показал, что свет все же следует считать состоящим из частиц. Эйнштейновское уничтожение парадигмы состояло из двух частей. Во-первых, он проанализировал термодинамические свойства электромагнитного излучений внутри нагретой полости и показал, что, для того чтобы соответствовать наблюдениям Планка, излучение должно состоять из частиц, а не из волн. Эти частицы света через десятилетие были названы фотонами, и мы будем далее использовать это наименование.

Вышло так, что предположение Эйнштейна встретило немедленную экспериментальную поддержку в виде фотоэлектрического эффекта, при котором электроны испускаются поверхностью металла, подвергаемого ультрафиолетовому облучению. Фотоэлектрический эффект имел некоторые странные свойства, объяснение которых выходило за рамки компетенции теории света. Однако они немедленно получали объяснение, как только этот эффект изображался в виде результата столкновения электрона и подлетающего фотона. Эта модель привела к точному расчету фотоэлектрического эффекта и была одним из достижений, упомянутых при получении Эйнштейном в 1921 г. Нобелевской премии по физике. Это была маленькая совместная шутка судьбы и физики, поскольку мы теперь знаем, как рассчитать фотоэлектрический эффект в терминах электромагнитных волн, так что это частное, подтверждение существования фотонов, все еще воспроизводимое в учебниках (включая написанный мной) как неопровержимое свидетельство, трещит по швам. Однако существование фотонов теперь вне сомнений, поскольку имеются многочисленные свидетельства других видов.

Примирение нового и экспериментально бесспорного взгляда на свет, как на состоящий из частиц, и старого и экспериментально бесспорного взгляда на свет, как на состоящий из волн, когда оно было предложено, оказалось, как можно себе вообразить, весьма трудным. Эта трудность сохраняется даже по сию пору, и мы еще вернемся к ней позже.

Теперь квантовый вирус проник в тело классической физики, и болезнь начала распространяться. Второй вклад Эйнштейна в становление квантовой теории также был сделан в судьбоносные 1905-1907 гг. Этот вклад решал более обыденную загадку, связанную с подъемом температуры материалов при их нагревании. Изучаемым свойством была теплоемкостьвещества, представляющая собой меру тепла, требуемого для того, чтобы увеличить его температуру на заданную величину. Еще в 1819 г., с беззаботной уверенностью, которая пришла из разрозненных экспериментальных результатов и находящейся еще в колыбели системы их обработки, французские ученые Пьер-Луи Дюлонг (1785-1838) и Алекси-Терез Пти (1791-1820) объявили, что с поправкой на число атомов в образце все вещества имеют одну и ту же теплоемкость. Все им поверили, хотя это очевидно неверно. Пятьдесят лет спустя, когда стал доступным больший объем данных и физики начали измерять теплоемкость при низких температурах, с неизбежностью стало очевидно, что закон Дюлонга и Пти был плохим описанием природы и, в частности, что все теплоемкости стремятся к нулю при понижении температуры.

Классическая физика могла объяснить закон Дюлонга и Пти с триумфальной легкостью из предположения, что тепло поглощается атомами, колебания которых становятся все более и более сильными. Поэтому представителей классической физики приводила в уныние необходимость признать, что этот закон неверен при низких температурах, а во многих случаях при комнатной температуре тоже. Проблема оставалась неразрешенной до тех пор, пока в 1906 г. на нее не обратил внимание необычайный ум Эйнштейна. Он принял концепцию осциллирующих атомов, но, вторя Планку, ввел решающее предположение, что атомы колеблются с энергиями, возрастающими скачками, как бы прыгая вверх по лестнице энергетических уровней. При низких температурах энергии окружения недостаточно, чтобы заставить атомы осциллировать. При высоких температурах имеется достаточно энергии, чтобы все атомы осциллировали, и теплоемкость выросла до классического значения Дюлонга и Пти. Эйнштейн сумел вычислить зависимость теплоемкости от температуры и получил довольно хорошее согласование с наблюдениями. Через несколько лет его модель усовершенствовал датский физик Питер Дебай (1884-1966), и это усовершенствование, не содержащее существенно новых идей, дало превосходное согласование с экспериментом.