Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Если мы внимательно посмотрим на допустимые моды, то найдем очень простую зависимость: в каждой из допустимых мод стоячих волн целое число половин длин волны должно укладываться в длину струны. Существует дискретный набор этих допустимых мод, и мы можем каждой из них присвоить номер по количеству колеблющихся горбов в соответствующей картинке.

Звук, что мы слышим от гитары, представляет прекрасную аналогию спектра, который мы видим в модели черного тела. Начальный щипок за струну будет возбуждать волны с огромным количеством различных частот, как свет, входивший в коробку нашего черного тела. После очень короткого времени, однако, деструктивная интерференция между множественными отражениями от концов струны или стенок коробки уничтожает большинство этих длин волн, оставляя только те, которые соответствуют модам стоячих волн.

В случае с гитарной струной большинство энергии волны поступает в основную (первую) моду, что в первую очередь определяет звук, который мы слышим. Чем больше частота гармоник, тем меньше на их долю остается энергии, но они все-таки присутствуют и ответственны за богатый звук настоящего инструмента по сравнению, скажем, с компьютерным звуком, сгенерированным в одном единственном тоне. Множественные различные настройки и эффекты, используемые гитаристами, производят отчетливо различные тона за счет усиления некоторых из этих гармоник и подавления других, чтобы создать особый звук, скажем, у гитары Джерри Гарсии[51] или Джими Хендрикса[52].

Для световых волн в нашей коробке, изображающей черное тело, распределение энергии формируется не только эстетическими вкусами конкретного игрока, но и с помощью простого правила из физики тепла: равное распределение. Процесс определения мод стоячих волн считается несколько более сложным для света в трех измерениях, чем звука в одном измерении, но приводит к тому же результату – можно насчитать ограниченный набор пронумерованных мод. Раз уж мы знаем эти моды, закон равного распределения энергии говорит нам присвоить каждой моде равную часть общей энергии, полученной от теплового движения частиц, из которых состоят стены коробки[53].

Проблема в том, что по мере того как длины волн становятся все короче, длины волн допустимых мод становятся все ближе и ближе друг к другу. Если мы подсчитаем количество мод внутри некоторого заданного диапазона длин волн, мы обнаружим что оно возрастает бесконечно на коротких волнах (мы помним, они соответствуют высоким частотам). Если мы вообразим струну длиной в полметра с основной волной длиной в один метр, допустимы две моды с длиной в пять миллиметров между 0.1 метра и 0.095 метра, то есть две длины волны, которые могут уложить целое количество своих полуволн в длину струны. В диапазоне пятимиллиметровой длины волны между 0.02 метра и 0.015 метра существует тридцать четыре моды.

В терминах спектра эта модель не дает хорошего, простого пика (максимума) на промежуточных длинах волны, найденных в экспериментах. Наоборот, модель утверждает, что любой объект, независимо от температуры, должен излучать бесконечное число коротковолнового (высокочастотного) излучения. Это не совсем то, что мы хотели бы иметь в своем тостере.

Спектр теплового излучения при разных температурах плюс предсказания модели Рэйли-Джинса, т. е. «ультрафиолетовая катастрофа».

Провал прямолинейного подсчета мод был настолько тяжелым, что приобрел название «ультрафиолетовой катастрофы»[54]. Объяснение максимума, наблюдаемого в спектре реального черного тела, и успешное описание Планком в 1900 году в его формуле потребовало фундаментальных сдвигов в нашем понимании того, как распределяется энергия.

Квантовая гипотеза

К счастью, тот же самый Макс Планк, который нашел математическую функцию, точно описывающую спектр излучаемого света, также обнаружил способ объяснения причины такого спектра. В терминах описанной выше модели Планк связал каждую из мод стоячих световых волн с «осциллятором» внутри материала, когда каждая колеблющаяся частица, или осциллятор[55], испускает только одну частоту света. Потом он присвоил каждому из этих осцилляторов характерную энергию, равную его частоте, умноженной на некоторую небольшую константу. Затем ученый установил, что количество энергии, испускаемой конкретным отдельным осциллятором, должно быть целым множителем этой характеристики энергии, которую он назвал «квантом» по латинскому выражению «сколько надо». Таким образом, осциллятор может иметь один квант энергии, два или три, но никогда половину кванта или «пи» кванта.