Книга Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Модель излучения черного тела

Чтобы понять, что такое черное тело, надо представить себе полую сферу с зеркальной внутренней поверхностью, в одной из стенок которой проделана маленькая дырочка. Луч света, проникающий через микроскопическое отверстие, навсегда остается внутри сферы, бесконечно отражаясь от ее стенок. Объект, не отражающий света, а полностью поглощающий его, выглядит черным, поэтому его и принято называть черным телом. Моделью излучения абсолютно черного тела может служить литовка доменной печи, внутренняя часть жаркого костра или ровный белый свет, излучаемый брусками раскаленного металла.

Памятник Максу Планку во дворе Берлинского университета

ПОЯВЛЕНИЕ КВАНТОВ

Одна из самых бурных научных революций нового времени началась с работ очень скромного, тихого и педантичного немецкого профессора Макса Планка. Планку пришла в голову гениальная мысль, что нужно ввести в теорию излучения некоторый новый элемент, развивающий на ином уровне классические представления всеобщего атомизма, и он выдвинул знаменитый постулат: вещество не может испускать энергию излучения иначе, как конечными порциями, пропорциональными частоте этого излучения. Коэффициент пропорциональности при этом есть некоторая универсальная постоянная, имеющая размерность механического действия, которую Планк и назвал квантом. Энергия, переносимая одним квантом, равна: E = hv, где v — частота излучения, a h и есть знаменитая постоянная Планка (очень часто из соображений рациональности физики используют величину ħ = h/2π, также называемую постоянной Планка с чертой). Вскоре на основе экспериментальных данных Планк рассчитал значение элементарного кванта действия, представляющего собой новую универсальную константу: h = 6,626·10-34 Дж.с.

В истории человечества кванты действия Планка произвели такой же переворот, как и великие открытия Галилея и Ньютона. Классическая физика господствовала долгие столетия, но экспериментальная техника постоянно усложнялась, и в конце концов опытные данные стали противоречить традиционно сложившимся представлениям. Вот тогда и родилась новая квантовая наука, заставившая пересмотреть многое в основных принципах классической физики. Итак, трещины под постоянным обстрелом экспериментальных фактов разрослись, и фасад здания традиционной науки рухнул. Тем не менее, несмотря на панику отдельных ученых и особенно философов, после того как осела пыль непонимания, стал виден незыблемый каркас объективного знания. И буквально сразу же удивительным образом подобранная команда блестящих физиков, теоретиков и экспериментаторов, стала возводить леса новой квантовой науки.

Величайший мыслитель во всей истории человечества — Альберт Эйнштейн известен большинству окружающих как создатель таинственной теории относительности. Однако в летописи науки его первые шаги связываются совсем с иными исканиями, а именно — с замечательным явлением, связывающим электромагнитное излучение и электрический ток. Этот удивительный процесс «перехода лучистой субстанции в электрическую», как писали научные журналы позапрошлого века, был открыт в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем.

Правильнее было бы сказать, что Герц не открыл, а ввел это явление в физическую науку, поскольку несистематические наблюдения влияния солнечного света на электризацию лепестков простейших электроскопов встречались еще в конце восемнадцатого века. Если Герц ввел понятие фотоэффекта в науку, то сделал фотоэффект действительно научным явлением выдающийся русский физик Александр Григорьевич Столетов. Профессор Столетов заслуженно считается создателем новой волны экспериментальной физики, выразившейся прежде всего в возникновении школы естествоиспытателей Московского университета.

Исследуя влияние освещенности на возникновение заряда в проводниках и диэлектриках, Александр Григорьевич сконструировал первый в мире электровакуумный прибор, представлявший собой стеклянную трубку со впаянными электродами, из которой откачивался воздух. Поднося к трубке сильную электроразрядную лампу, ученый тут же фиксировал появление электрического тока. Если внешняя сторона фотоэффекта, в общем-то, была более-менее понятна, то внутренне содержание совершенно не соответствовало принципам классической электродинамики. Действительно, признавая существование неких «элементарных корпускул электричества в разноименном зарядовом состоянии», физика того времени предсказывала, что процесс появления заряда будет протекать наподобие раскачивания электромагнитной волной, скажем, яблони — кристаллической решетки, заполненной спелыми яблоками — электронами. На этой мысленной картинке приложение электромагнитных сил вызовет постепенный процесс роста «града» яблок-электронов по мере нарастания амплитуды раскачивания волнами света ствола — решетки.

Увы! В действительности все выглядело совершенно иным образом! Достаточно было включить источник света — и во внешней цепи тут же появлялся ток. Более того, вскоре выяснилось, что далеко не всякий свет годился для наблюдения фотоэффекта. Красный свет даже высокой интенсивности не мог «запустить» течение процесса, а вот слабый солнечный лучик вполне для этого годился. Картина вырисовывалась довольно странная, как если бы силач, раскачивал-раскачивал ствол медленными движениями, пригибая его чуть ли не до земли, и ни одного яблока не упало, а вот подошел ребенок, резко ударил небольшим молоточком — и тотчас сорвался поток плодов. В ходе многочисленных опытов Столетов вплотную подошел к решению загадки фотоэффекта, но окончательное решение здесь предстояло найти другому гению современности — Эйнштейну.

В то время прошло лишь чуть больше пяти лет после рождения кванта действия Планка, но молодой служащий патентного бюро в Берне смело взялся развивать революционную модель Планка, перенося идеи ее создателя о квантованности электромагнитной энергии на корпускулярное строение светового потока. Действительно, такой подход (кстати, известный задолго до Ньютона, с именем которого обычно связывают понятие «корпускул света») легко позволил объяснить все противоречия фотоэффекта. Достаточно было только предположить, что неделимая частичка света — фотон, выбивая электрон с поверхности металла, должен иметь определенную «пороговую энергию», и все встало на свои места.

Великий Эйнштейн

Явление фотоэффекта