[43] и заставляет вибрировать с частотой этой микроволны (около 2,5 млрд раз в секунду!), т. е., по сути, разгоняет молекулу, придавая ей дополнительную кинетическую энергию. А если молекулы воды начинают двигаться быстрее, то на макроуровне это будет отражаться в повышении температуры. То есть микроволновка разогревает воду не за счет теплопередачи, как, к примеру, газовые или электрические плиты, а за счет излучения. И поскольку микроволны могут проникать внутрь вещества (примерно на 1–2 см), то предметы в микроволновке могут разогреваться не только снаружи, но и изнутри. Могут ли при таком воздействии разрушаться питательные вещества? Конечно! Но не более, чем при любой другой термической обработке пищи. Потому что единственное, что происходит с пищей в микроволновке, это разогрев[44].
Почему же тогда в микроволновку нельзя класть металлические предметы? А дело тут в том, что у металлов молекулы устроены иначе. Между молекулами металлов, в отличие от молекул воды, находится большое количество свободных электронов. Когда электромагнитная волна проходит рядом, эти электроны начинают разгоняться и хаотично двигаться с бешеными скоростями. И может так случиться, что они соберутся на каком-то одном участке поверхности металлического предмета. Это обязательно приведет к ионизации воздуха вблизи такого участка, и произойдет электрический разряд, иначе говоря, будет сильно искрить.
Еще одна опасность, подстерегающая пользователей, возникнет, если надолго включить пустую микроволновку. Если в работающей СВЧ-печи вообще ничего не будет и ничто не сможет поглотить излученные магнетроном микроволны, то они будут накапливаться в камере печи и постепенно возвращаться обратно в магнетрон, из-за чего возникнет перегрузка и он может выйти из строя. Поэтому ни в коем случае нельзя включать микроволновку пустой.
Вопрос 30. Почему железо светится, если его нагреть?
Наверняка вы видели (хотя бы по телевизору или в интернете), как работает кузнец. Он погружает кусок железа в огонь, хорошенько там его разогревает, а потом, когда металл будет достаточно горячий и пластичный, вытаскивает его из огня, чтобы молотом придать ему нужную форму. При этом горячий кусок металла всегда светится. И чем горячее будет металл, тем ярче он будет светиться.
На этом же принципе основана работа всех ламп накаливания.
Через тонкую вольфрамовую проволочку пропускается электрический ток, из-за чего эта проволочка сильно разогревается и начинает светиться. Но что заставляет горячие металлы светиться? Почему они не светятся при комнатной температуре?
На самом деле металлы светятся и при комнатной температуре, и даже в самый лютый мороз. Просто мы не можем увидеть это излучение нашими глазами, потому что оно находится за пределами видимой части электромагнитного спектра, в области инфракрасных волн[45]. Это так называемое тепловое излучение, которое испускают любые нагретые тела с температурой выше абсолютного нуля (т. е. все тела во Вселенной). И чтобы увидеть это излучение, нужны специальные приборы – тепловизоры. Они способны регистрировать инфракрасные волны и превращать их в изображение на экране, которое мы можем уже увидеть.
Кстати, хоть мы и не можем видеть инфракрасные волны своими глазами, мы можем их ощутить своей кожей. Например, когда костер потух, а угли еще догорают, вы можете к ним поднести свои руки и ощутить инфракрасное излучение, идущее от них. Мы чувствуем его как тепло или даже жар. Точно такое же излучение мы чувствуем, когда приближаемся к любому другому раскаленному предмету, например горячей духовке. Примерно 50 % излучения Солнца – это тоже инфракрасное излучение.
Открыл этот вид излучения в 1800 году английский физик и астроном Уильям Гершель (1738–1822). Он изучал тепловое воздействие разных цветов. Для этого Гершель пропускал через призму солнечный свет, разложив его в спектр, и измерял при помощи термометра температуру каждого участка спектра.
Рис. Разложение белого света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму
Оказалось, что по мере продвижения к красному участку спектра тепловое воздействие света усиливалось. Причем максимальное воздействие оказывала область, находящаяся еще дальше, за видимым красным светом. Так были открыты лучи, не видимые глазом, но несущие тепло. Гершель назвал их инфракрасными, поскольку в спектре они располагались за красным светом.
Дальнейшие исследования показали, что инфракрасные волны испускаются вообще любыми нагретыми телами (а не только Солнцем). А раз это настолько распространенное излучение, физики-теоретики попытались построить описывающую его теорию, а физики-экспериментаторы стали проверять эти теории на практике. Все эти исследования привели сначала к ультрафиолетовой катастрофе, а затем – к настоящей революции в физике, которая перевернула все наши представления о природе света и элементарных частиц.
Вопрос 31. В чем заключалась ультрафиолетовая катастрофа?
Эксперименты по изучению свойств теплового излучения показали, что нагретые тела испускают электромагнитные волны непрерывного спектра (т. е. всех длин волн). Причем максимум излучения приходится на область инфракрасных волн – в этой области излучение происходит наиболее интенсивно. Однако при последующем нагревании тела этот максимум смещается в область более коротких волн и больших частот. Таким образом, при достижении определенной температуры максимум излучения переходит уже в область видимого света, и мы можем видеть его своими глазами. Поэтому при нагревании металлы[46] начинают светиться.
А что на этот счет говорит теория? К концу XIX века уже были известны уравнения Максвелла для электромагнитного поля[47]. Так что два британских физика, Джон Уильям Стретт (1842–1919), более известный как Рэлей, и Джеймс Хопвуд Джинс (1877–1946), решили применить эти уравнения классической электродинамики для описания теплового излучения. Они получили формулу, описывающую закон распределения энергии теплового излучения по частотам в зависимости от температуры источника излучения. Согласно закону Рэлея – Джинса, нагретые тела должны излучать электромагнитные волны всех частот. Причем наибольшая энергия излучения приходится на область самых больших частот, т. е. ультрафиолет, рентген и даже гамма-излучение. Мощность излучения неограниченно возрастает при увеличении частоты / уменьшении длины волны. Получается, что каждое нагретое тело должно, подобно звезде, чрезвычайно ярко светиться, излучая всю свою тепловую энергию, и за очень короткое время остыть до абсолютного нуля. Чего мы, конечно же, не наблюдаем в реальности.
Этот вывод противоречил не только экспериментальным наблюдениям, но и здравому смыслу. Никто не видел, чтобы нагретые тела излучали рентген или ультрафиолет в таких количествах. Классическая физика оказалась неспособна объяснить механизмы теплового излучения, разбившись о такую, казалось бы, простую задачу. Бессилие классической физики в этом вопросе получило название ультрафиолетовой катастрофы. В попытках разрешить этот парадокс и объяснить природу теплового излучения родилась новая физическая парадигма – квантовая механика, давшая начало неклассической физике, о которой мы поговорим в следующей главе.
К концу XIX века в физике накопилось некоторое количество явлений, которые невозможно было объяснить на основе существовавших на то время представлений. Классическая физика оказалась неспособна корректно их описать, либо классические уравнения давали абсурдные ответы. Одной из проблем стала ультрафиолетовая катастрофа, которую мы рассмотрели в предыдущей части книги. Все это выглядело довольно странно, ведь классическая физика отлично описывала множество явлений и прекрасно согласовывалась практически со всеми экспериментами. Тем не менее, как и любая теория, классическая механика и классическая электродинамика имеют границы своей применимости, за рамками которых уже перестают работать. Одну из таких границ к тому времени как раз удалось нащупать. Конечно, это не означает, что вся классическая физика теперь оказалась неправильной. Просто физики поняли, в каких областях она неприменима. А значит, нужны какие-то принципиально новые идеи. И самой первой из них стала идея квантов.
Часть 4Квантовая механика
Вопрос 32. Что такое кванты и зачем они нужны?
В середине 1890‐х годов немецкий физик Макс Планк (1858–1947) взялся построить непротиворечивую теорию теплового излучения. Он понял, что классическая электродинамика дает совершенно неверные предсказания относительно того, как должен выглядеть спектр такого излучения[48], ведь к тому времени уже физики-экспериментаторы провели большое число наблюдений и составили графики таких спектров для разных тел и разных температур. И тогда он решил поступить так, как часто делают хитрые школьники – просто подогнать свое решение под существующий ответ. В данном случае – подогнать свою теорию под экспериментальные данные. Сделать это в рамках классических представлений об электромагнитном излучении у него не получалось, поэтому после долгих сомнений и размышлений в качестве временного решения проблемы Планк добавил в теорию одно допущение. Он предположил, что все нагретые тела испускают тепловое излучение не непрерывно, а дискретно, т. е. исключительно порциями. Минимальную порцию энергии Планк назвал квантом. 14 декабря 1900 года он представил свою революционную гипотезу на заседании Берлинского физического общества. Этот день можно считать днем рождения квантовой механики.
Проиллюстрируем гипотезу квантов на такой аналогии. Приходя в магазин, вы можете купить только целое количество порций газировки: одну, две, три бутылки и т. д., но никто не продаст вам половину бутылки или одну четверть. В данном случае квантом газировки будет одна бутылка. Т. е. несмотря на то, что объем газировки – это непрерывная величина, которая может принимать любые значения, все равно вы можете купить только такое количество газировки, которое будет кратно объему одной бутылки. С излучением происходит нечто подобное. Как будто природа не может разрешить излучать электромагнитные волны непрерывно, а только определенными порциями – квантами.