Оказалось, что если сделать такое (вообще говоря, довольно неочевидное) предположение относительно теплового излучения и попробовать заново вывести формулу для его спектра, то новое решение прекрасно согласуется с экспериментальными данными. Вот оно, решение проблемы! Однако платой за это решение стало радикальное изменение представлений о природе электромагнитного излучения. Изначально Планк, будучи весьма консервативным ученым, конечно же, не считал кванты чем-то реально существующим и рассматривал эту гипотезу исключительно как математический трюк, временную «заплатку» теории, необходимую ровно до тех пор, пока не найдется какое-то более разумное (с точки зрения классической физики) объяснение. Планк потратил довольно много времени и сил на то, чтобы как-то иначе получить нужное решение. Но без квантов у него ничего не получалось, ведь тогда он еще не понимал всей глубины и продуктивности этой идеи.
Более того, всего через пять лет после революционной работы Планка, в 1905 году, тогда еще никому не известный эксперт патентного бюро в Цюрихе смог на основе гипотезы квантов объяснить еще одно явление, которое не вписывалось в классическую теорию, – фотоэлектрический эффект. Этим неизвестным экспертом патентного бюро был Альберт Эйнштейн (1879–1955).
Вопрос 33. За что Эйнштейну дали Нобелевскую премию?
Имя Альберта Эйнштейна знакомо сегодня практически каждому. Его образ прочно закрепился в массовой культуре как эталон физика-теоретика. Если спросить рядового обывателя, чем так прославился Эйнштейн, то наверняка вы получите ответ – теорией относительности. И это действительно так. Эйнштейну принадлежат основополагающие работы в этой области, о которой мы поговорим в следующем разделе (стр. 199). Поэтому многие думают, что Нобелевскую премию ему присудили именно за создание теории относительности. Однако на самом деле Нобелевскую премию он получил за совсем другую работу.
В 1987 году Нобелевский комитет рассекретил материалы, связанные с подготовкой решений о присуждении Нобелевских премий с 1901 по 1937 год, поэтому сегодня мы можем восстановить логику принятия решений. Впервые Эйнштейна номинировали на премию в 1908 году за создание специальной теории относительности. Но тогда его кандидатура не набрала достаточного числа голосов. Потом, в 1915 году, Эйнштейн публикует общую теорию относительности[49], и его снова номинируют на Нобелевскую премию. Тогда «за» проголосовали практически все эксперты Нобелевского комитета, кроме одного – Альвара Гульстранда (1862–1930), шведского офтальмолога и лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине 1911 года. Дело в том, что Гульстранд был хорошо знаком с законами оптики и получил Нобелевскую премию за исследования процессов преломления света в глазу, поэтому он никак не мог поверить в то, что свет, проходя вблизи звезд, может искривляться и двигаться уже не по прямой. Более того, он даже пытался это опровергнуть своими собственными расчетами (хотя в конечном итоге у него ничего, конечно же, не получилось). А поскольку Гульстранд был довольно влиятельным экспертом, Нобелевский комитет принял его возражения и опять отклонил кандидатуру Эйнштейна.
В последующие годы Эйнштейн стал ученым с мировым именем, и его кандидатуру на Нобелевскую премию несколько раз предлагали величайшие физики того времени: Планк, Лоренц, Камерлинг-Оннесс, Бор. Но комитет каждый раз блокировал присуждение премии, поскольку сомневался в экспериментальных подтверждениях теории относительности. В итоге был найден элегантный выход из этой коллизии. В 1921 году Нобелевский комитет принял решение вместо теории относительности присудить Эйнштейну премию за его теорию фотоэлектрического эффекта.
Давайте обсудим, в чем суть этой теории и почему она оказалась столь значимой. В конце XIX века немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) проводил исследования электромагнитных колебаний и столкнулся с одним необычным явлением. Он заметил, что если на заряженный конденсатор направить луч света или даже ультрафиолетового излучения, то он будет терять свой заряд быстрее обычного, т. е. электроны с его поверхности будут быстрее улетать[50]. Получалось, что свет (или электромагнитное излучение) может выбивать электроны с поверхности металла. Это явление получило название фотоэлектрического эффекта или просто фотоэффекта.
Сразу после этого открытия в 1888 году русский физик Александр Григорьевич Столетов (1839–1896) принялся за его детальное изучение. И за пару лет ему удалось установить основные закономерности фотоэффекта. Они теперь называются законами Столетова. Некоторые из них не вписывались в существующие на то время представления о природе излучения. Оказалось, что для каждого вещества существует определенная частота электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект уже не наблюдается. Причем это не зависело от интенсивности падающего излучения. Например, если облучать пластинку из натрия желтым или красным светом, то из нее электроны вылетать не будут, каким бы ярким этот свет ни был. Однако если направить на эту же пластинку даже очень слабый луч синего или фиолетового света (частота которых больше, чем у красного и желтого), то электроны сразу начнут вылетать. Т. е. способность света выбивать электроны с поверхности металла зависит не от интенсивности света, а от его частоты. И это довольно странно: почему даже очень мощный красный луч света не может с поверхности металла выбить ни одного электрона?
Объяснение этому явлению дал в 1905 году Альберт Эйнштейн. Он тогда уже был знаком с революционными работами Макса Планка по теории излучения, поэтому решил применить его идею квантов для описания фотоэффекта. Эйнштейн предположил, что раз свет излучается порциями, то и поглощаться он также будет такими же порциями – световыми квантами или, как их потом назвали, фотонами. А поскольку энергия кванта пропорциональна частоте, то чем меньше частота излучения, тем меньше будет порция энергии, передаваемая электронам. И это не зависит от интенсивности падающего излучения, потому что один электрон может поглотить только один квант света[51]. Следовательно, при относительно низкой частоте света, облучающего поверхность, энергии отдельного фотона будет недостаточно для того, чтобы оторвать электрон от металла, а значит фотоэффект наблюдаться не будет. И только начиная с определенной частоты (она называется красной границей фотоэффекта) фотоны будут обладать достаточной для этого энергией.
Это открытие послужило еще одним аргументом в пользу квантовой гипотезы и открыло огромное пространство для дальнейшего ее развития. Впоследствии это привело к созданию новой области физики – квантовой механики. А заслуги Альберта Эйнштейна получили признание в виде Нобелевской премии по физике.
Вопрос 34. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?
Что собой представляет свет: волну или поток частиц? Дискуссии об этом велись на протяжении всей истории физики. В Античности ученые считали, что свет состоит из мельчайших движущихся частиц или корпускул. Этого же взгляда придерживался Исаак Ньютон. На противоположных позициях стояли другие выдающиеся ученые: Рене Декарт, Роберт Гук, Христиан Гюйгенс. И в XIX веке, благодаря экспериментам Томаса Юнга по интерференции света и теории электромагнетизма Джеймса Максвелла, казалось, что точка в этом вопросе поставлена[52]. Физики получили убедительнейшие доказательства того, что свет ведет себя как волна и описывается волновыми уравнениями.
Однако ХХ век внес свои коррективы. После открытия Планком и Эйнштейном световых квантов вопрос о природе света вновь встал на повестку дня. Ведь в процессах излучения и поглощения свет уже ведет себя как поток отдельных частиц, или фотонов, его волновое описание противоречит экспериментальным наблюдениям, а уравнения классической электродинамики приводят к абсурдным результатам. С другой стороны, невозможно отменить и другие эксперименты (такие как опыты Юнга по двухщелевой интерференции), подтверждающие волновые свойства света. Выходит, что описание света только как волны или только как частицы будет неполным. Свет представляет собой нечто более сложное. В одних процессах он может вести себя как волна, а в других – уже проявлять корпускулярные свойства. Эта двойственность свойств света получила название корпускулярно-волнового дуализма.
На первый взгляд это может противоречить здравому смыслу. Ну как свет может быть и волной, и частицей одновременно? Это же взаимно исключающие характеристики. Да точно так же, как один и тот же объект может быть одновременно и круглым, и квадратным. Вы можете себе такое представить?
Например, цилиндр. Когда вы смотрите на него с одной стороны, вы видите, что он квадратный. А если посмотреть с другой стороны, он будет круглым. Для того, чтобы это стало возможным, нам пришлось добавить в рассмотрение еще одно дополнительное измерение. В трехмерном пространстве оказывается возможно существование таких «кругло-квадратных» предметов.
Со светом точно так же. Это сложный «многомерный» объект, который в разных обстоятельствах демонстрирует разные свои «грани». Если вы поместите его в условия двухщелевого эксперимента[53], он проявит свои волновые свойства. А если направите световой поток на поверхность металла, то тут свет будет вести себя как поток частиц.
Здесь пытливый читатель может возразить: быть может, свет – это действительно поток частиц (фотонов), а все его волновые свойства проявляются исключительно из-за взаимного влияния фотонов друг на друга в процессе их перемещения? Например, в экспериментах Юнга с двумя щелями фотоны каким-то хитрым образом отталкиваются друг от друга именно так, чтобы часть из них прошла через одну щель, а часть через другую, чтобы на экране получилась стройная интерференционная картина? Этим вопросам задались физики-экспериментаторы и придумали, как можно пропускать через две щели не пучок света, в котором миллиарды и триллионы фотонов, а запус