Квантовый возраст

А по набережной легендарной
  Приближался не календарный —
    Настоящий Двадцатый Век [6, с. 396].

В физике «не календарный — Настоящий Двадцатый Век» начался за две недели до рождества 1900 г.

14 декабря 1900 г. профессор Берлинского университета Макс Планк на заседании Берлинского физического общества доложил работу, в которой была решена проблема энергетического спектра излучения нагретого тела. Макс Планк развеял одно из «маленьких облаков», чтобы породить гораздо более глубокие проблемы, в ходе решения которых в фантастически короткий срок будет построена современная наука.

Но тогда ни сам Макс Планк, ни именитые члены Берлинского физического общества не подозревали об этом, не подозревали, что очень скоро, еще при их жизни, час упомянутого доклада войдет в историю как час рождения современной физики. Макс Планк в течение нескольких лет упорно занимался теорией излучения абсолютно черного тела. Он использовал самые различные подходы к этой проблеме, но безуспешно. В конце концов наступило время, о котором почти 20 лет спустя в нобелевской речи Макс Планк скажет: «После нескольких недель напряженнейшей в моей жизни работы темнота рассеялась, и наметились новые, неподозреваемые ранее дали» [4, с. 32]. Макс Планк получил наконец простую формулу, связывающую энергию излучения с частотой испускаемого света, но для этого он был вынужден отступить от законов классической физики и ввести в науку совершенно новое понятие — квант действия («квантум» по-латыни «количество»). Макс Планк предположил, что электроны излучают энергию не непрерывно, а отдельными порциями. При этом энергия прямо пропорциональна частоте излучения, а коэффициент пропорциональности всегда один и тот же, т. е. величина универсальная. Он обозначил ее буквой h и назвал элементарным квантом действия. Постоянная Планка скоро войдет во все формулы новой физики, устранит противоречия и поставит все на свои места. Но тогда даже сам Макс Планк, не очень доверяя новой постоянной, физический смысл которой ему был совершенно непонятен, придавал своей формуле «формальный смысл удачно угаданного закона».

В своей нобелевской речи, когда кванту исполнится уже 18 лет, Макс Планк скажет: «Крушение всех попыток перебросить мост через возникшую пропасть вскоре уничтожило все сомнения: или квант действия был фиктивной величиной — тогда весь вывод закона излучения был принципиально иллюзорным и представлял просто лишенную содержания игру в формулы — или при выводе этого закона в основу была положена правильная физическая мысль — тогда квант должен был играть в физике фундаментальную роль, тогда появление его возвещало нечто новое, дотоле неслыханное, что, казалось, требовало преобразования самых основ нашего физического мышления… Опыт решил в пользу второй альтернативы» [Там же, с. 39].

В течение первых пяти лет никакого опыта не было. В 1905 г. в журнале «Анналы физики» появилась работа Альберта Эйнштейна «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света». В этой работе Эйнштейн выдвинул смелую гипотезу о том, что свет состоит из частиц — световых квантов.

В 1907 г. Эйнштейн пошел еще дальше, он публикует работу, где утверждает, что любая система, совершающая малые колебания, должна иметь энергию, кратную планковскому кванту, т. е. энергия любого малого колебания квантуется. На основе этого утверждения Эйнштейну удалось решить проблему теплоемкости твердых тел. Проблему, которую с полным основанием можно было назвать «третьим облаком» на горизонте физики.

И снова Эйнштейн в 1909 г. делает следующий важный шаг в развитии квантовой теории. На этот раз он рассматривает теорию флуктуаций излучения. В этой работе впервые четко выявляются как корпускулярные, так и волновые свойства света. Уверенность, с которой Эйнштейн использовал гипотезу квантов, вовсе не радовала Планка и даже вызывала его порицания: «В то время, как многие физики из консерватизма отвергают развитые мною соображения или занимают выжидательную позицию, другие авторы, напротив, считают необходимым дополнить мои соображения еще более радикальными соображениями… Так как для развития новой гипотезы нет ничего вреднее, чем выход за пределы ее применимости, то я всегда стоял за то, чтобы возможно теснее связать квантовую гипотезу с классической динамикой…» [7, с. 7].