Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - [24]

Первый крупный теоретический прорыв осуществил немецкий физик Макс Планк, предложив концепцию кванта. В своей лекции в декабре 1900 года он выдвинул революционную идею о том, что тепловая энергия, излучаемая нагретым телом, связана с частотой вибрации его атомов и, соответственно, эта энергия носит скорее прерывистый, чем непрерывный характер и испускается в виде дискретных порций, которые получили название квантов. Через несколько лет Эйнштейн предположил, что дискретный характер носит не только излучение Планка; электромагнитное излучение, включая свет, тоже существует в виде квантов. Теперь мы называем единичные кванты света – частицы световой энергии – фотонами.

Предположение Эйнштейна о квантовой природе света было не просто догадкой. Оно позволило объяснить одну из величайших научных тайн того времени под названием «фотоэлектрический эффект» – явление, когда свет при попадании на металлическую поверхность может выбивать электроны из атомов металла. Этот эффект не удалось бы объяснить, если бы свет имел волновую природу; в этом случае увеличение интенсивности света (или его яркости) приводило бы к увеличению его энергии и мы могли бы ожидать, что выбиваемые из металла электроны вылетали бы с большей скоростью. Однако это не так. Их просто вылетает больше. Но если энергия света пропорциональна его интенсивности, как это предполагал Эйнштейн, то увеличение его частоты (например, переход от видимого к невидимому спектру) придает выбиваемым электронам больше энергии. И наоборот, сохраняя частоту (цвет) света и увеличивая его яркость, мы только увеличим число фотонов, а также число выбиваемых электронов. Именно это и наблюдается в экспериментах, и тут идея Эйнштейна пришлась совершенно впору.

И все же и тогда и теперь многие данные говорят о том, что свет скорее представляет собой волны, а не поток частиц. Так где же истина? Свет – это волна и частица? Ответ, который, как это ни удивительно, противоречит всякой интуиции и логическим соображениям, таков: свет может вести себя то так, то этак, в зависимости от того, как мы на него смотрим и какого рода эксперименты ставим.

А ведь такую шизофреническую природу имеет не только свет. Частицы материи, например электроны, тоже могут проявлять волновую природу. Это общее понятие, которое уже более 100 лет подвергается всяческому тестированию и проверке, известно как корпускулярно-волновой дуализм и является одной из центральных идей квантовой механики. Это не означает, что электрон в один и тот же момент времени является частицей и волной. Если мы поставим эксперимент с целью подтверждения корпускулярной природы электронов, то обнаружится, что они себя так и ведут. Но если мы затем поставим другой эксперимент: проверить, не обладают ли электроны волновыми свойствами (такими как дифракция, рефракция или волновая интерференция), то увидим, что они ведут себя как волны. Дело только в том, что мы не можем осуществить эксперимент, который продемонстрировал бы корпускулярные и волновые свойства электронов одновременно. Здесь абсолютно необходимо подчеркнуть, что, хотя квантовая механика позволяет довольно точно предсказать исход таких экспериментов, она не говорит нам самого главного: что же представляет собой электрон. Она позволяет нам только описать то, что мы видим, когда ставим определенный эксперимент для его исследования. Единственная причина того, что физики больше не сходят с ума от этой двойственности, – это то, что мы научились с этим жить. Этот баланс между тем, сколько мы можем одновременно знать о корпускулярной природе частицы (ее положении в пространстве) и ее волновой природе (с какой скоростью она движется), регулируется принципом неопределенности Гейзенберга, который считается одной из важнейших научных идей, лежащей в основе квантовой механики.

Принцип неопределенности налагает ограничения на то, что можно наблюдать и измерить, однако многие люди, даже некоторые физики, склонны неверно понимать этот принцип. Несмотря на то что вы прочитаете в учебниках физики, формально квантовая механика нигде не утверждает, что электрон не может иметь одновременно определенное положение и определенную скорость, она лишь говорит, что мы не можем знать оба параметра одновременно. Связанная с этим распространенная ошибка заключается в том, что человеку в квантовой механике якобы принадлежит какая-то особая роль: наше сознание может влиять на квантовый мир или даже порождать его при попытках провести в нем какие-то измерения. Это ерунда. Наша Вселенная, вплоть до самых элементарных строительных блоков на квантовом уровне, существовала задолго до возникновения Земли – она не пребывала в некоем неопределенном состоянии летаргического сна в ожидании того момента, когда наконец явимся мы, измерим ее и превратим ее в реальность.

К середине 20-х годов физики начали понимать, что концепция квантизации носит более общий характер, чем просто противопоставление «комковатости» и «волнистости» материи. Многие физические свойства, которые мы всегда считали непрерывными, на самом деле дискретны (то есть имеют скорее цифровую, чем аналоговую природу), что становится ясно, как только вы увеличиваете масштаб до субатомного. Например, электроны, связанные друг с другом внутри атома, «квантизируются» в том смысле, что они могут обладать только определенным количеством энергии и никогда не будут обладать энергией, объем которой попадает между значениями этих дискретных величин. Не обладай электроны таким свойством, они бы беспрерывно теряли энергию при движении