Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность - [12]

В шестидесятых годах Уилер с радостью принял эту концепцию, пустил в оборот термин «черная дыра» и сфокусировал внимание на странных выводах из первоначальной концепции.

Но в тридцатых его интерес лежал совсем в других областях.

По совпадению, работа Бора и Уилера «Механизм ядерного распада» вышла из печати в тот же день, и в ней объяснялось, почему некоторые типы атомов распадаются легче других, и появилась она в том же самом престижном журнале, что и статья Оппенгеймера – Снайдера, в Physical Review. В тот же день, как мы уже говорили, началась Вторая мировая война в Европе, а семейство Уилера перебралось в новый превосходный дом по адресу Баттл-роад, 95 в Принстоне.

Для Уилера настало время заняться новыми теоретическими проблемами, и Фейнман оказался в этом деле отличным соратником.

Все рассеивается

Еще до того, как заняться изучением ядерного распада, Уилер активно интересовался таким феноменом как «рассеяние частиц». Рассеяние происходит, когда частицы взаимодействуют друг с другом и отклоняются, подобно тому, как мячик, по которому ударили ракеткой, отскакивает в случайном на первый взгляд направлении.

Это происходит, на классическом (повседневном) и субатомном (квантовом) уровнях реальности.

Физикам нравится делать предсказания, а в случае теннисных упражнений подготовленный теоретик, имеющий данные о том, как именно соприкоснулись мячик и ракетка, сможет рассчитать, как произойдет отскок. Это классическая задача, с которой можно справиться, используя законы механики Ньютона.

Уилер больше интересовался эффектом Комптона, квантовым процессом на субатомным уровне, который не так легко объяснить с точки зрения физики Ньютона. Впервые его обнаружил американский физик Артур Комптон, получивший Нобелевскую премию за это открытие.

Эффект Комптона связан с тем, как ведет себя свет, рассеянный электроном.

Свет падает на электрон, и электрон приобретает энергию и импульс (масса, умноженная на скорость), которые тащат его в определенном направлении как брошенное метательное копье. В процессе он сам излучает свет с большей длиной волны (расстояние между пиками), чем была у исходного, и тот распространяется под углом, отличным от движения электрона.

Для видимого света длина волны соотносится с цветом, так что вторичный свет будет иметь иной оттенок, чем оригинальный, сдвигаясь к красному концу спектра. Обычно эффект Комптона возникает при работе с невидимыми рентгеновскими лучами, и при этом получаются те же рентгеновские лучи, только с большей длиной волны.

Важность эффекта Комптона в том, что квантовая теория точно предсказывает разницу между начальной и конечной длиной волны, и угол рассеяния между электроном и испущенным светом тоже. Это достижение раскрывает сущность квантовой гипотезы, впервые предложенной Максом Планком в 1900 году и доработанной Эйнштейном в 1905-м, которая носит название «фотоэлектрический эффект».

Термин «квант» сам по себе обозначает «порция», и возник он потому, что свет выделяется небольшими порциями, или квантами, энергии. Мельчайшие единицы света – волна делится на частицы, словно засунутая в коробку пружина – именуются фотонами. Поскольку большая часть светового спектра невидима, за исключением участка от красного до фиолетового, то большинство существующих фотонов точно так же невидимы.

Фотоны служат частицами обмена в электромагнитном взаимодействии, всякий раз, когда заряженная частица, такая как электрон, притягивает или отталкивает другую заряженную частицу с помощью электричества или магнетизма, фотон прыгает между ними. Без такого обмена заряды будут просто игнорировать друг друга, и не будет ни притяжения, ни отталкивания.

Так что если ваш магнитик со щелчком прилипает к холодильнику, то благодарите фотоны (скорее невидимые, чем оптические) за их роль переносчиков электромагнитной энергии.

Как предполагали Планк и Эйнштейн, количество энергии, приходящееся на фотон, зависит от частоты (количество повторений некоего процесса в единицу времени) света, которой тот характеризуется. Частота, в свою очередь, обратно пропорциональна длине волны (чем больше длина волны, тем ниже частота и наоборот). Следовательно, длинные волны, например радиоволны, соотносятся с низкими частотами и низкими энергиями; короткие, как рентгеновские лучи, наоборот, с высокими частотами и высокими энергиями.

В случае эффекта Комптона электрон поглощает энергию и импульс ударившего по нему фотона и выплевывает более слабый фотон с большей длиной волны. Исследователи замерили сдвиг Комптона бесчисленное множество раз, и он всегда соответствовал тому, что они ожидали.

Признав, что Фейнман является искусным математиком – взять хоть его сверхъестественную сноровку брать сложные интегралы – и обладает хорошей интуицией физика, Уилер предложил, чтобы они совместно занялись изучением квантового рассеяния. «Все рассеивается!» – провозгласил он, и это стало для двух физиков чем-то вроде лозунга.

Проблема, которой Уилер хотел озадачить Фейнмана, брала начало на конференции по физике в Кембридже, которую Джон посетил в октябре 1934 года, где исследователи обсуждали, как гамма-лучи (самый высокоэнергетичный вид фотонов), если ими бомбардировать кусок свинца, производят мини-душ из рассеянных частиц. Анализ побочных продуктов рассеяния, думал он, помог бы отточить инструментарий для квантовых исследований.