На самом деле свет тоже ведет себя и как частица, и как волна, в зависимости от обстоятельств, при которых вы его измеряете. Отдельные частицы света, которые мы сегодня называем фотонами, впервые назвал квантами немецкий физик-теоретик Макс Планк. В 1900 г. он предположил, что свет может приниматься или поглощаться только мельчайшими порциями (хотя идею о том, что свет, возможно, существует в виде дискретных пакетов, еще раньше, в 1877 г., пустил в ход великий Людвиг Больцман).
Я еще больше зауважал Планка, когда узнал подробности его жизни. Подобно Эйнштейну, он читал лекции без оплаты, и после завершения работы над диссертацией ему не предложили академической должности. Все свое время в этот период он посвящал попыткам разобраться в природе теплоты, результатом чего стали несколько значительных работ по термодинамике. Через пять лет после защиты диссертации Планку наконец предложили пост в университете, а затем он быстро поднялся по служебной лестнице и в 1892 г. стал штатным профессором престижного Берлинского университета.
В 1894 г. Планк обратился к вопросу о природе света, излучаемого нагретыми телами, причем отчасти он руководствовался при этом коммерческими соображениями (это первый известный мне пример, когда фундаментальная физика мотивировалась материальными соображениями). Ему поручили разобраться, как получить максимальное количество света от новоизобретенных лампочек, используя минимальное количество энергии.
Мы все знаем, что при включении нагревательный элемент в электрической печке сперва светится красным, а затем, раскаляясь все сильнее, начинает светиться голубым. Но почему? Как ни удивительно, ни один традиционный подход к этой проблеме не мог объяснить эти наблюдения. После шести лет упорных исследований Планк представил миру революционную теорию излучения, вполне соответствовавшую наблюдениям.
Первоначально ничего революционного в его выводах не было, но не прошло и двух месяцев, как он пересмотрел свой анализ с включением в него идей о том, что происходит на фундаментальном уровне. Рассказ Планка о своей работе расположил меня к нему сразу же, после первого же прочтения; он писал, что его новый подход возник как «акт отчаяния… Я готов был пожертвовать любыми прежними своими убеждениями в физике».
Для меня это заявление отражает то фундаментальное качество, которое делает научный процесс таким эффективным и которое так ясно представлено в картине рождения квантовой механики. «Прежние убеждения» – это всего лишь убеждения, ждущие своего ниспровержения – эмпирическими данными, если необходимо. Мы отбрасываем прежние взлелеянные представления, как вчерашнюю газету, если они не работают. А в деле объяснения природы излучения, испускаемого веществом, они откровенно не работали.
Планк вывел свой закон излучения из фундаментального предположения о том, что свет, представляющий собой волну, тем не менее испускается только «пакетами» некоторой минимальной энергии, пропорциональной частоте излучения, о котором идет речь. Он назвал константу, связывающую энергию с частотой, квантом действия; сегодня мы называем эту величину постоянной Планка.
Возможно, это звучит не слишком революционно, и Планк, подобно Фарадею с его электрическими полями, рассматривал свою гипотезу всего лишь как формальный математический костыль, призванный помочь в анализе явления. Позже он писал: «На самом деле я не слишком много об этом думал». Тем не менее предположение Планка о том, что свет излучается частицеподобными пакетами, откровенно трудно примирить с классической картиной света как волны. Энергия, переносимая волной, непосредственно связана с размахом ее колебаний, который может меняться непрерывно, начиная с нуля. Однако, согласно Планку, количество энергии, которое может быть испущено в виде световой волны заданной частоты, имеет абсолютный минимум. Этот минимум получил название кванта энергии.
Впоследствии Планк попытался развить классическое физическое представление об этих квантах энергии, но потерпел неудачу, что причинило ему, как он выразился, «большое огорчение». И все же, в отличие от многих коллег, он сумел признать: Вселенная существует не для того, чтобы облегчать ему жизнь. Имея в виду физика и астронома сэра Джеймса Джинса, не желавшего отказываться от классических представлений даже перед лицом верных доказательств, представляемых излучением, Планк сказал: «Я не в состоянии понять упрямство Джинса – он служит примером теоретика, какого и существовать-то не должно, как Гегеля в философии. Тем хуже для фактов, если они не укладываются в теорию». (Для пояснения замечу – на случай, если у читателей возникнет желание написать мне: эту хулу на Гегеля возвел Планк, а не я!)
Позже Планк подружился еще с одним физиком, который позволил фактам навести себя на революционную идею, – с Альбертом Эйнштейном. В 1914 г., когда Планк стал ректором Берлинского университета, он организовал в нем для Эйнштейна новую профессорскую должность. Поначалу Планк не мог принять замечательную гипотезу Эйнштейна, выдвинутую в том же 1905 г., когда была создана специальная теория относительности, о том, что не только вещество излучает свет квантовыми пакетами, но и сами световые лучи существуют как пучки этих квантов, то есть что свет как таковой состоит из частицеподобных объектов, которые мы сегодня называем фотонами.
Эйнштейн пришел к этой гипотезе в попытке объяснить явление, известное как фотоэлектрический эффект, или просто фотоэффект; явление это открыл в 1902 г. Филипп Ленард – физик, чей антисемитизм сыграл ключевую роль в том, что присуждение Нобелевской премии Эйнштейну так долго откладывалось, и в том, что странным образом он в конечном итоге получил ее не за работы по теории относительности, а за объяснение фотоэффекта. Суть фотоэффекта заключается в том, что свет, падающий на металлическую поверхность, может выбивать электроны из атомов и порождать электрический ток. Однако, каким бы интенсивным ни был свет, если частота его окажется ниже некоторого порогового значения, электроны испускаться не будут. Фотоэлектрический ток возникнет только тогда, когда частота поднимается выше порогового значения.
Эйнштейн понял и оказался совершенно прав, что этот факт можно объяснить, если свет состоит из минимальных энергетических порций, причем энергия такой порции соразмерна частоте света, как допустил Планк в отношении света, излучаемого веществом. В этом случае только свет с частотами, превышающими некоторую пороговую частоту, мог содержать кванты достаточно энергичные, чтобы выбивать из атомов электроны.
Планк мог еще принять квантованность испускания света, необходимую для объяснения его закона излучения, но предположение о том, что свет в принципе квантован (то есть разбит на частицеподобные порции) было настолько чуждо общепринятым представлениям о свете как электромагнитной волне, что Планк уперся. Только через шесть лет, на конференции в Бельгии – на ставшем знаменитым Сольвеевском конгрессе, Эйнштейн смог наконец убедить Планка в том, что от классической картины света придется отказаться, а кванты – или, иначе, фотоны – реальны.
Эйнштейн также был первым, кто использовал тот факт, который позже он сам отверг в своем знаменитом афоризме, высмеивающем вероятностную суть квантовой механики и реальности: «Бог не играет в кости со Вселенной». Эйнштейн показал, что если атомы спонтанно (то есть без непосредственной причины) поглощают и испускают конечные порции излучения, когда электроны в них прыгают между дискретными энергетическими уровнями, то из этого можно вывести планковский закон излучения.
Эйнштейн начал квантовую революцию, но по иронии судьбы сам к ней так и не присоединился. Забавно, но при этом он был, возможно, первым, кто использовал вероятностные рассуждения для описания природы вещества – стратегию, которую последующие физики, превратившие квантовую механику в полноценную теорию, помещают на передний план. В результате Эйнштейн одним из первых физиков продемонстрировал, что Бог все же играет в кости со Вселенной.
Продолжая эту аналогию чуть дальше, заметим, что Эйнштейн одним из первых физиков продемонстрировал, что классическое представление о причинности в квантовом царстве начинает сбоить. Многие возражают против моего предположения о том, что Вселенная не нуждалась в причине и просто возникла из ничего. Но ведь именно это происходит со светом, которым вы пользуетесь при чтении этой страницы. Электроны в нагретых атомах испускают фотоны – фотоны, которых не существовало до момента, когда они были испущены; фотоны испускаются спонтанно и без конкретной причины. Почему же мы привыкли, по крайней мере в какой-то степени, к идее о том, что из ничего без причины могут возникать фотоны, но не признаём, что то же самое может случаться с целыми вселенными?
Осознание того, что электромагнитные волны одновременно представляют собой частицы, послужило началом квантовой революции, изменившей все наши взгляды на природу. Быть частицей и волной в одно и то же время в классике невозможно – это должно быть очевидно из рассказанного в данной главе, – но это возможно в квантовом мире. Должно быть очевидно также, что это было только начало.
Глава 7Вселенная причудливее выдумки
Итак, не оставляйте упования вашего, которому предстоит великое воздаяние.
Народная мудрость гласит, что физики обожают изобретать безумную эзотерику для объяснения окружающего нас мира – либо потому, что нам делать больше нечего, либо потому, что мы испорчены от природы. Однако, как показывает открытие квантового мира, чаще бывает наоборот: это природа тащит нас, ученых, прочь от знакомых безопасных знаний, а мы брыкаемся и вопим изо всех сил.
Тем не менее сказать, что пионерам, начавшим толкать нас вперед, в квантовый мир, недоставало смелости, было бы глубочайшей неправдой. Путешествие, в которое они пускались, было беспрецедентным, и никто не мог указать им дорогу. Мир, в который они входили, бросал вызов здравому смыслу и классической логике, в нем на каждом шагу требовалась готовность к внезапной смене правил игры.