Истина и красота. Всемирная история симметрии

В 1900 году Планк наконец заметил любопытное свойство своей формулы. Ее можно было вывести, практически повторяя вычисления, которые приводили к закону Релея-Джинса, если только сделать там одно маленькое изменение. В классическом выводе предполагалось, что для любой заданной частоты энергия электромагнитного излучения может в принципе принимать любое — какое угодно — значение. В частности, она может приближаться к нулю сколь угодно близко. Планк осознал, что именно это предположение и было причиной ультрафиолетовой катастрофы и что если бы было сделано другое предположение, то проблемы с появлением бесконечности в вычислениях не возникало бы.

Правда, спасительное предположение носило радикальный характер. Требовалось, чтобы энергия излучения на заданной частоте складывалась только из целого числа «пакетов» фиксированного размера. При этом требовалось, чтобы размер каждого пакета был пропорционален частоте, другими словами — равным частоте, умноженной на некоторую постоянную величину; эту постоянную мы сейчас называем постоянной Планка и обозначаем символом h.

Эти пакеты энергии получили название квантов. Планк проквантовал свет.

Отлично, но почему же экспериментаторы никогда не замечали, что энергия выражается целым числом квантов? Путем сравнения своих вычислений с наблюдаемыми энергиями Планк сумел определить величину своей постоянной. Она оказалась очень — очень — маленькой. В действительности h примерно равняется 6×10⁻³⁴ джоуль-секунд. Грубо говоря, чтобы заметить «дырки» или «скачки» в возможных значениях энергии — т.е. значения, которые классическая физика разрешает, а квантовая физика запрещает, — требуется выполнить наблюдения с точностью до 34-го десятичного знака[65]. Даже сегодня очень немногие физические величины можно измерять с точностью до шести или семи десятичных знаков, а в те дни и три знака были серьезным требованием. Прямое наблюдение кванта требует невероятного уровня точности.

Может показаться странным, что математическое различие, столь тонкое, что его нельзя увидеть, оказывает такой радикальный эффект на закон излучения. Но вывод этого закона включает в себя суммирование по вкладам, вносимым в энергию всеми возможными частотами. Результат представляет собой коллективный эффект всех возможных квантов. Глядя с Луны, нельзя разглядеть отдельную песчинку на Земле. Но Сахара очень даже заметна. Когда складывается вместе достаточно много маленьких вкладов, результат может оказаться огромным.

Планковская физика процветала, но личная жизнь Планка оказалась исполненной трагизма. Его сын Карл погиб на фронте во время Первой мировой войны. Дочь Грета умерла при родах в 1917 году, а Эмма разделила ее судьбу в 1919-м, после того как вышла замуж за овдовевшего мужа сестры. Много позднее Эрвин был казнен нацистами за участие в неудавшемся покушении на Адольфа Гитлера в 1944 году.

К 1905 году появились новые свидетельства, поддерживающие радикальное предложение Планка; они содержались в работе Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте. Напомним, что суть эффекта состоит в том, что свет можно превратить в электричество[66].

Эйнштейн знал, что электричество существует в виде дискретных пакетов. Действительно, к тому времени физики выяснили, что электричество представляет собой движение мельчайших частиц, называемых электронами. Из фотоэлектрического эффекта Эйнштейн вывел, что то же должно быть верно и в отношении света. Это не только подтверждало идеи Планка о квантах света, но и объясняло, что же такое эти кванты: световые волны, подобно электронам, должны быть частицами.

Как волна может быть частицей? И тем не менее таков был однозначный вывод из экспериментов. Открытие частиц света или фотонов, быстро привело к квантовой картине мира, в которой частицы являются на самом деле волнами, ведущими себя иногда одним способом, а иногда другим.

Физическое сообщество начало относиться к квантам более серьезно. Великий датский физик Нильс Бор выдвинул квантованную модель атома, в которой электроны движутся вокруг центрального ядра по орбитам, представляющим собой окружности, причем размеры окружностей подчинены дискретности квантов. Из того, что фотоны могут быть и волнами, и частицами, а электроны испускаются соответствующими металлами при попадании на них фотонов, французский физик Луи де Бройль заключил, что и электроны также должны быть и волнами, и частицами. На самом деле вся материя должна демонстрировать эту двойственную природу — быть иногда твердыми частицами, а иногда — колеблющимися волнами. Вот почему в эксперименте можно обнаружить то одно, то другое.

На исключительно малых масштабах материю в действительности не описывают ни «частица», ни «волна». Элементарные составные части материи являются немного и тем и другим — частицами-волнами. Де Бройль изобрел формулу для описания частиц-волн.