Сейчас. Физика времени - [40]
Планку пришлось предположить: когда атом испускает свет частотой f, энергия этого света должна представлять собой произведение этой частоты на базовую единицу энергии h. Он записал формулу в таком виде:
E = hf.
Число h подобрал таким образом, чтобы наблюдаемое излучение от горячих объектов соответствовало его формуле. Сегодня мы знаем это число как постоянную Планка, и это одна из самых знаменитых величин. Ученые часто говорят, что любая формула, которая не содержит h, принадлежит классической физике, а та, которая эту константу содержит, находится в области квантовой.
Предположение Планка в 1901 году было сделано произвольно. Его формула соответствовала экспериментальным данным, однако предположение о том, что черное тело эмитирует свет порциями – квантами, не имело подтверждения. Спустя четыре года Эйнштейн понял, что несколько иная интерпретация гипотезы Планка может быть использована для объяснения совершенно другой загадки – фотоэлектрического эффекта. Сегодня на нем основана работа солнечных батарей и цифровых фотокамер. Этот эффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем (тем самым немецким ученым, который обнаружил радиоволны и чьим именем названа единица частоты герц, которая присутствует в повсеместно распространенном электричестве [с частотой 50 герц[114] ]).
Герц открыл, что свет, падающий на поверхность какого-то предмета, «выбивает» из него электрон. Одновременно он обнаружил, что энергия этого электрона зависит от цвета луча (то есть от его частоты), а не интенсивности. Это открытие было очень загадочным. Увеличивая интенсивность светового луча, Герц получал не электроны с увеличенной энергией, а рост их количества. Это наблюдение не имело особого смысла, если исходить из того, что свет – вид электромагнитного излучения.
Эйнштейн понял, что может объяснить фотоэлектрический эффект Герца, если предположит, что сам свет разделен на кванты. (Планк полагал, что на кванты делится атом.) Эйнштейн назвал эти частицы света кванты; позже ученые назвали их фотонами. По существу, Эйнштейн открыл фотон. Во всяком случае, он был первым, кто признал его существование. Каждый фотон выбивает один электрон. Он сообщает этому электрону энергию hf. Таким образом, энергия электрона зависит от частоты света. Более интенсивный свет подразумевает, что в нем просто больше фотонов и что он «выбивает» больше электронов. Именно объяснение Эйнштейном фотоэлектрического эффекта принесло ему Нобелевскую премию в 1921 году.
По иронии судьбы квантовое объяснение эффекта фотоэлектричества утвердило Эйнштейна также в качестве одного из основателей квантовой физики. Ирония в том, что он никогда не принимал квантовую теорию, по крайней мере в том ее варианте, который стал доминировать в физике (речь идет о копенгагенской интерпретации квантовой механики).
Энтропия увеличивается. Время бежит вперед. Какая связь между ними? Простая или причинно-следственная? Артур Эддингтон утверждал, что энтропия и время связаны, но эта связь неочевидна. Энтропия не просто растет со временем, как заключила статистическая физика. Эддингтон считал, что все как раз наоборот: ведущим элементом здесь была энтропия. Энтропия оказывается причиной того, что время движется.
Глава 11
Объяснение времени
Эддингтон объясняет, как энтропия определяет направление стрелы времени
Те проблемы, которые стоит решать, доказывают всю ценность сопротивлением их решению.
Пит Хейн[115]
Спросите случайно встретившегося физика: «Что заставляет время двигаться вперед?» Не знаю, со сколькими физиками вы знакомы, но я их знаю предостаточно. И я пробовал задавать этот вопрос многим из них. Ответом было обычно нечто типа: «Возможно, энтропия». Потом физик обычно старался пояснить свой ответ: «Я не уверен, что это так. Но мне кажется, что это единственное, что у нас есть».
Это единственное, что у нас есть
Пожалуй, самая интересная часть ответа в том, что ваш случайный физик, судя по всему, уже задумывался над этой проблемой. Век назад такой вопрос вы, скорее всего, задали бы философу. Посмотрите, что говорили Шопенгауэр, Ницше или Кант (хотя последний был еще и ученым), и вы увидите, что они обращали внимание на эту проблему. До эпохи Просвещения вы, наверное, спросили бы об этом священников или теологов, таких как Августин или Оккам[116]. Но благодаря Эйнштейну такие вопросы стали частью физики. Сегодня вы даже не смогли бы обратиться к этому вопросу, не зная теории относительности и не понимая колоссального рывка, сделанного Эйнштейном в определении времени и пространства.
В известной книге The Nature of the Physical World («Природа физического мира») Артур Эддингтон утверждал, что стрела времени определяется энтропией. Издание было написано без излишней научности (несмотря на то что Эддингтон блестяще владел продвинутыми математическими методами) и не адресовалось научной общественности, хотя дело обстояло именно так. Этой работой можно насладиться и сегодня, она доступна в интернете (англоязычном.
