Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Планка, однако, ждало разочарование: он вскоре понял, что надежды найти источник необратимости в процессах взаимодействия света и вещества тщетны. Но эта неудача в блуждании на ощупь оказалась не концом, а началом истории: свое желание понимать вещи исходя из первопринципов Планк перенес на законы излучения. Каждое нагретое тело излучает волны всех длин, но с разными интенсивностями, и длина волны, на которую приходится пик излучения, зависит от температуры. Строго говоря, при этом обсуждается излучение тела, которое не отражает «ни лучика» из падающего на него света, а только испускает излучение из-за того, что нагрето. Такой источник излучения как раз и называется «черное тело» (или, видимо, для красоты, «абсолютно черное тело»). Этот термин, звучащий как обычное слово, вводит в небольшое заблуждение: черное оно, строго говоря, только при температуре абсолютного нуля (неплохим примером абсолютно черного тела является Солнце). Связь между длиной волны, на которой «черное тело» излучает сильнее всего, и температурой была известна Планку как один из законов Вина – законов излучения, носящих имя их первооткрывателя. В другом законе Вин обобщил экспериментальные факты о свойствах излучении в виде формулы, которая неплохо описывала интенсивность излучения на разных длинах волн. Формула представляла собой «умную» подгонку под данные наблюдений и содержала две постоянные, численные значения которых следовало выбрать на основании экспериментальных данных[191]. Планк спросил себя: из какого знания можно было бы вывести формулу Вина? Наблюдая тепловое излучение, мы вообще-то получаем сигналы о том, что происходит где-то внутри молекул и атомов: из-за беспорядочного движения, которое где-то там происходит, заряды подвергаются беспорядочным ускорениям; они и излучают беспорядочно. Вопрос о том, что в точности представляют собой «состояния» электрических зарядов в веществе, как мы теперь знаем, не мог быть решен ни в конце XIX в., ни в начале следующего столетия; более того, решение требовало как минимум тех знаний, дорогу к которым еще только предстояло проложить Планку. Если бы Планк об этом знал, возможно, ничего бы и не произошло (а в 1890-е гг. Планк вообще не был уверен в реальности атомов и молекул; его сомнения подогревались тем, что, допустив существование молекул, приходилось, как тогда казалось, признать возможность демона Максвелла, который нарушает закон возрастания энтропии, а это Планку крайне не нравилось). Но Планк вооружился энтропией, а сила подходов, вовлекающих энтропию, как раз и состоит в возможности гусарского отношения к деталям. Не обязательно знать тонкости внутреннего устройства, достаточно допустить, что там имеется нечто максимально простое, способное излучать на каждой частоте, а именно множество колебательных систем – зарядов, колеблющихся с разными частотами. Между собой они находятся в состоянии теплового равновесия. Как мы видели, молекулы в газе в состоянии теплового равновесия «расталкивают» друг друга так, что устанавливается вполне определенное распределение молекул по энергиям; здесь же колебательные системы с различными частотами «расталкивают» друг друга путем обмена энергией так, что тоже устанавливается некоторое равновесное распределение по энергиям. О том, каким оно получилось, мы судим по характеру излучения: по тому, какую долю всей излучаемой энергии несут различные частоты[192].

Используя основные теоретические концепции, известные к тому моменту, Планк нашел, как в равновесии должна выглядеть связь между средней энергией колеблющихся зарядов и энергией, которую несет излучение с данной частотой. Соединив этот результат с формулой Вина (глупо было делать вид, что ее нет), Планк получил знание про энтропию, которое его очень вдохновило: зависимость энтропии от средней энергии колебательных систем управлялась уравнением, которое подсказывало, что энтропия всегда возрастает. Оставалось полшага до обратного вывода, который и был целью Планка: взяв в качестве первопринципа закон возрастания энтропии и использовав найденную им связь между средними энергиями, вывести закон Вина теоретически! Увы, это было невозможно. Мы отлично знаем это сейчас, и это же стало предельно ясно в октябре 1900 г., когда появились новые данные экспериментов. Они говорили, что природа описывается законом Вина не вполне точно – и тем хуже, чем больше длина волны излучения. Расхождения были очевидными, и они означали, что «подгоночный» закон Вина не является фундаментальным, а значит, его нельзя строго вывести из фундаментальных принципов. Надежды Планка снова рухнули.