В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики

Надеюсь, теперь вы можете согласиться: c = 1. Прежнее выражение этой скорости большим количеством метров в секунду, выглядевшее привычным, оказывается просто исторической случайностью: по вполне понятным и разумным причинам общество измеряло расстояние и время в разных единицах. Стоит начать измерять их в одних и тех же единицах, и фундаментальная постоянная первостепенной важности бесследно исчезает. С этих пор, когда бы мне ни понадобилось говорить о длине L, до сих пор по общему согласию измерявшейся в метрах, я буду обозначать ее L^† – этот крестик или кинжал будет напоминать о том, что с метрами покончено и что теперь расстояния следует выражать в секундах. Отныне все скорости будут просто безразмерными числами.

* * *

Подозреваю, что вы подумываете – нельзя ли затолкать обратно в шляпу еще каких-нибудь таких же кроликов? Как насчет второй по важности фундаментальной постоянной – постоянной Планка h? Так же, как скорость света, по сути, принесла в науку понятие относительности, с постоянной Планка пришла квантовая механика – в культурном отношении эти две константы сходны по своему воздействию. Исчезнувшая постоянная c пронизывает все формулировки частной теории относительности, – так не может ли оказаться, что h, присутствующая во всех формулах квантовой теории, тоже должна с легкостью исчезнуть, потому что какое-то свойство материи исторически выражалось в удобных, но неприемлемых с фундаментальной точки зрения единицах?

То, что немецкий физик Макс Планк (1858–1947) дал первый толчок к созданию квантовой механики, было, по его признанию, актом отчаяния. Это отчаяние вызвал крах классической физики, которой Планк был беззаветно предан, – она оказалась неспособна объяснить казавшуюся элементарной проблему цвета световых лучей, испускаемых раскаленным телом. В сущности, почему при повышении температуры красный цвет этого тела переходит в белый? Классическая физика приводила к ошибочному выводу, что все объекты должны выглядеть белыми, даже если они чуть теплые. Согласно классической физике, тьмы вообще быть не должно. Более того и хуже того – любой объект, даже чуть теплый, должен залить окрестности убийственным гамма-излучением. В 1900 году или немного раньше это отчаяние заставило Планка предположить, что, если что-то осциллирует с определенной частотой, этот осциллятор может обмениваться энергией с остальным миром только порциями, или квантами, энергии, причем размер этой порции пропорционален частоте: низкочастотные осцилляторы могут обмениваться только малыми порциями, а высокочастотные – только большими. Классическая физика до этого полагала, что осциллятор любой частоты может испускать и поглощать энергию в любых количествах; согласно гипотезе Планка, энергия была «квантована», упакована в порционные пакеты. Это простое, но революционное предположение, с которым Планк, по всей видимости, сам не мог примириться, так как оно противоречило всему его классическому образованию (подобные же трудности в отношении квантовой механики испытывал и Эйнштейн), объясняло цвет горячих объектов, да и всех объектов при любой температуре. Теперь мы знаем, что оно объясняет и цвет Солнца, – области его поверхности, излучающие свет, нагреты примерно до 5772 K, – и цвет всей Вселенной, которая охлаждена до невообразимо низкой температуры в 2,7 K и все-таки светится в лучах, характерных именно для такой температуры.

В общепринятой физике энергия выражается в джоулях (J). Джоуль – единица довольно маленькая, но очень хорошо подходящая для повседневного использования. Например, на каждый удар человеческого сердца затрачивается около 1 джоуля энергии. В батарее типичного современного смартфона ее накоплено около 50 килоджоулей. Джоуль введен в обиход довольно-таки недавно – он заменил кучу более ранних единиц, среди которых были калории, эрги и британские тепловые единицы. В XIX веке, когда возникали термодинамика и наука об энергии, теплота обычно измерялась в калориях, а работа в эргах.