Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

К концу XIX века статус физики, как тогда казалось, окончательно определился. Уже были открыты механика Ньютона, электромагнетизм и термодинамика (о которой я расскажу в главе 6), и стало ясно, что все эти три области в совокупности прекрасно объясняют движение и поведение предметов обычного размера и практически все явления, которые мы наблюдаем вокруг, от пушечного ядра до часов, от грозы до паровоза, от магнита до мотора, от маятника до планет. Изучением всех этих объектов в совокупности занимается так называемая классическая физика, и это то, что нам в основном до сих пор преподают в школе. Однако классическая физика, как бы она ни была хороша, не дает нам полной картины. Когда ученые обратили внимание на микроскопические составляющие материи, атомы и молекулы, они открыли новые явления, которые не удавалось объяснить с помощью известной им физики. Казалось, что законы и уравнения, которыми они привыкли пользоваться, больше не работают. Физике предстояло испытать тектонический сдвиг.

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.