Квантовые миры и возникновение пространства-времени - [16]

Еще существует электрическое поле, также являющееся векторным и обладающее величиной и направлением в любой точке пространства. Если магнитное поле можно зафиксировать с помощью компаса, то, чтобы обнаружить электрическое поле, нужно взять электрон в состоянии покоя и посмотреть, будет ли он ускоряться. Чем больше будет его ускорение, тем сильнее электрическое поле[7]. Одним из триумфов физики XIX века стало объединение электричества и магнетизма в рамках единой теории, сформулированной Джеймсом Клерком Максвеллом. Он показал, что электрические и магнитные поля – это различные проявления единого электромагнитного поля.

Гравитационное поле – это еще один хорошо известный в XIX веке вид. Как учит нас Исаак Ньютон, гравитация действует даже на астрономических расстояниях. Планеты Солнечной системы испытывают гравитационное притяжение со стороны Солнца. Эта сила прямо пропорциональна массе Солнца и обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. В 1783 году Пьер-Симон Лаплас показал, что ньютоновскую гравитацию можно описать как действие потенциального гравитационного поля, которое имеет определенное значение в каждой точке пространства (так же как электрические и магнитные поля).

⚪ ⚪ ⚪

К концу XIX века перед физиками появились четкие очертания теории, полностью описывавшей мир. Материя сделана из атомов, которые состоят из более мелких частиц; эти частицы взаимодействуют благодаря различным силам, передающимся через поля, и все это происходит по законам классической механики.

Из чего состоит мир (версия XIX века)

• Частицы (точечные, из них состоит материя).

• Поля (пронизывающие пространство, порождающие взаимодействия).

В течение XX века были обнаружены новые частицы и поля, но в 1899 году были все основания полагать, что базовая картина мира уже предельно понятна. Прямо за углом таилась квантовая революция, но о ней еще никто не подозревал.

Если вы уже что-то читали о квантовой механике, то, возможно, задавались вопросом: «Электрон – это частица или волна?» Ответ таков: «Это волна, но когда мы смотрим на нее (то есть измеряем эту волну), она выглядит как частица». В этом заключается фундаментальная новизна квантовой механики. Существует всего одна сущность – квантовая волновая функция, но когда мы наблюдаем ее в определенных условиях, она кажется нам частицей.

Из чего состоит мир (версия XX века и далее)

• Квантовая волновая функция.

Чтобы перейти от картины мира в представлении конца XIX века (классические частицы и классические поля) к синтезу, полученному в XX веке (единая квантовая волновая функция), необходимо было совершить несколько концептуальных прорывов. История о том, как частицы и поля оказались разными аспектами одной и той же базовой сущности, – одно из самых недооцененных свершений на пути к унификации физики.

Чтобы прийти к этому, ученые начала XX века должны были осознать две вещи: поля (например, электромагнитное) могут проявлять свойства частиц, а частицы (например, электроны) могут иметь волновые свойства.

Сначала было замечено, что поля могут проявлять свойства частиц. Любая частица, обладающая электрическим зарядом, например электрон, повсюду вокруг себя создает электрическое поле. Напряженность поля постепенно снижается по мере удаления от заряда. Если встряхнуть электрон, например в направлении вверх-вниз, то поле будет колебаться вместе с ним, образую своеобразную рябь, которая будет постепенно распространяться во все стороны. Это и есть электромагнитное излучение – «свет», если коротко. Всякий раз, нагрев вещество до нужной температуры, мы устраиваем в его атомах встряску электронам, и вещество начинает светиться. Такое явление называется излучением абсолютно черного тела, и любой объект, равномерно нагретый до определенной температуры, «испускает» ее в форме излучения абсолютно черного тела.

Красный свет соответствует медленно колеблющимся низкочастотным волнам, а синий – стремительно колеблющимся высокочастотным. Учитывая, что было известно физикам об атомах и электронах на рубеже XIX–XX веков, можно было вычислить, сколько излучения должно выдавать абсолютно черное тело на любой конкретной частоте – в так называемом спектре абсолютно черного тела. Расчеты физиков хорошо подтверждались на низких частотах, но становились все менее точными по мере перехода к более высоким; в конечном итоге прогнозы давали бесконечное количество излучения, которое должно испускать любое материальное тело. Позже такой феномен окрестили ультрафиолетовой катастрофой, имея в виду невидимые частоты электромагнитного излучения, даже более высокие, чем у синего и фиолетового света.

Наконец, в 1900 году немецкому физику Максу Планку удалось вывести формулу, которая точно согласовывалась с данными. Здесь важно отметить, какой прием помог Планку: он выдвинул радикальную идею, предположив, что при излучении свет всегда поступает в виде небольших порций – «квантов» энергии, величина которых определяется частотой света. Чем быстрее колеблется электромагнитное поле, тем больше энергии будет у каждого излученного кванта.

Во время работы над этой теорией Планку пришлось постулировать существование новой фундаментальной естественной константы, которая теперь известна под названием «постоянная Планка» и обозначается буквой