Про эту вашу физику

Глава 5 Что такое кванты

В этой примечательной лекции мы попробуем вынести мозг рядовому гуманитарию темой, которая давно его интересует, но любые попытки почитать научно-познавательную литературу о ней оканчивается зависанием над первой же формулой и закрытием книги на первой же странице. Сейчас мы попросим всех физиков закрыть глаза и уши и расскажем остальным, что такое кванты. Наверняка вы все постоянно встречаете это слово в литературе, телевизорах, интернетах, рекламе и проектах от Сколково, и вам кажется, что это необыкновенно крутая штука, недоступная обычному смертному. Да еще и современные колдуны вместо слово «магический» ныне используют слово «квантовый» и обещают буквально завтра вселенский квантовый переход в новую эпоху. Поэтому пора восполнить пробел и немножко врубиться в тему.

Начнем, как обычно, издалека.

Задумайтесь, каково расстояние между вашими глазами и книгой, и что физически означает это расстояние. Исходя из математических соображений его можно разделить на несколько отрезков. Сначала вполовину, потом еще на четыре, затем на восемь частей, шестнадцать, тридцать два… и даже на пару миллиардов маленьких отрезочков. В математике, знаете ли, разрешается делить до бесконечности — это они здорово придумали. Некоторым дотошным занудам при этом покажется, что если захотеть ткнуть пальцем в книгу или монитор, то сделать так не получится, потому что это расстояние делится до бесконечности, и рука будет преодолевать его бесконечное время. Но вы знаете, что в натуре, или, правильнее сказать, физически, никакой проблемы не возникнет, так как, по-видимому, существует какая-то мельчайшая единица расстояния, меньше которой уже ничего нет.

Раньше считали, что мельчайший размер имеет атом, но нынче ученые докопались аж до кварков и подозревают что есть еще суперструны (о них как-нибудь позже). Вопрос определения мельчайшего расстояния оставим физикам — рано или поздно нам предъявят эталон. Факт в том, что наш опыт подтверждает: деление отрезка в реальности не бесконечно.

Эти рассуждения близки старинному парадоксу Ахиллеса и черепахи. Древние греки тоже подозревали, что с пространством не все так гладко, но, чтобы хоть как-то объяснить происходящее, потребовалось две тысячи лет, когда Ньютон и Лейбниц замутили дифференциальное счисление. Так-то!

Теперь возьмем другой пример из жизни. Энергию как она есть. Вот вы с корешами поджарили шашлык, и он, стало быть, теперь горячий. Излучает тепло, которое в общем случае является тем, что мы называем энергией, а физики — электромагнитными волнами. Жизненный опыт нам подсказывает, что энергия вроде как существует в виде непрерывных волн (помните непонятные синусоиды на уроках алгебры). То есть, энергия, как мы считаем, излучается непрерывно. До начала XX века все ученые мира тоже так думали. Один физик по имени Максвелл даже сочинил специальные формулы, по которым тепло распространялось приятными волнами, и все были счастливы и собирались ставить точку в термодинамике.

А вот и нет. Как всегда внезапно выяснилось, что существует конечный кусочек энергии. Самая маленькая порция энергии, меньше которой не существует. Как и в случае с расстоянием, передачу энергии можно делить на кусочки (или пакеты, если вы, прости господи, веб-программист, и вам так понятнее). Самый крошечный, а вернее сказать, неделимый, кусочек энергии и называют квантом.

Собственно, на этом можно и закончить. Но ведь вам наверняка интересно, как это было обнаружено, да и почему из такого пустяка родилась целая наука — квантовая физика. Подумаешь, энергия кусками выделяется — вполне ожидаемо, так и что: из-за этого пилятся миллиардные гранты, а на коллайдере делают черную дыру, чтобы уничтожить планету? Рассказываем что и как. Оставайтесь с нами.

О том, что кванты существуют, как вы уже поняли, никто не догадывался. Пока однажды физики чисто из интереса не решили попрактиковаться в расчетах на всяких идеальных ситуациях. Они заморочились на так называемом абсолютно черном теле. Это такая выдуманная фиговина, типа духовки, которую нагревают, а она при этом не отражает ни капельки энергии — все тепло забирает себе без остатка.

После нагревания наша гипотетическая духовка, разумеется, тоже начнет излучать тепло. Физики стали считать, сколько тепла (энергии) будет излучать такая духовка. И неожиданно у них по тогдашним, казалось бы, логичным, формулам умника Максвелла выходила бесконечная энергия (ученые даже название придумали для такого — «ультрафиолетовая катастрофа», чтобы народ пугать). Это была засада — практика показывала, что в реальности подобные бесконечности не наблюдаются вообще нигде и тем более в духовках. И вот на этой ерунде вся классическая физика пошла лесом.

Первым что-то путное высказал Макс Планк — дедушка квантовой физики. Он по-студенчески решил подогнать результат под задачу, придумав формулу, из которой следовало, что энергия излучается порциями. И прокатило! Получилось, что каждая электромагнитная волна несет в себе определенное количество энергии, пропорциональное частоте этой волны. Чем больше частота волны, тем больше энергии несет в себе один квант. Коэффицент пропорциональности назвали постоянной Планка, которая впоследствии оказалась не просто какой-то случайной цифрой, а фундаментальной физической величиной.

Тут можно провести еще одну удачную аналогию: когда кто-то играет на скрипке, и плавно увеличивает громкость, то на самом деле громкость растет не непрерывно, а скачками, но такими маленькими, что мы этого не замечаем.

Планк, к сожалению, сам не понял, что открыл — до конца жизни он был противником квантовой физики. Квантование энергии было вообще очень оскорбительным для классиков. Один известный ученый-шутник (Гамов) объяснял квантование энергии так: это все равно, что природа разрешила либо пить целый литр пива сразу, либо вообще не пить ничего, не допуская промежуточных доз.

Повторим еще раз: представьте, что Роспотребнадзор разрешил покупать пиво только в бутылках определенной емкости и запретил розливное пиво! И вот вы носите от ларька к дому бутылки по ноль-пять, по литру, по полторашке, двушечку, наконец, чтобы два раза не бегать. А со своей тарой в английскую пинту — нельзя.

Так получается и с энергией — возможны только значения кратные постоянной Планка. Приехали!

Формула Планка для излучения абсолютно черного тела выдала адекватный результат без всяких бесконечностей. Потому что кусочки энергии, в отличие от бесконечно малых величин, можно подсчитать. После этого научный мир замер в нехорошем предчувствии.

Окончательно добил классическую физику Эйнштейн. Его первым открытием была совсем не теория относительности. А объяснение фотоэффекта. За что он получил нобелевскую премию (а совсем не за теорию относительности, которую даже светлые умы принимали за научную фантастику).

Фотоэффект — это когда свет падает на пластинку и выбивает из нее электроны. Только вот энергия (скорость вылета) выбитых электронов не зависит от увеличения мощности (яркости) света: зажигай хоть сто ламп, но увеличится только число электронов, а не их скорость. Энергия же выбитых из пластинки электронов растет, если повысить частоту волны света, уменьшая ее длину: то есть посветить не красным, а, например, фиолетовым светом. Свет с малой частотой, типа очень красного, вообще не производит эффекта. Это, кстати, напрямую касается великой тайны, почему фотографии проявляют при красном свете — только он не засвечивает пленку, улавливаете?

Явление фотоэффекта вообще никто не мог объяснить в рамках классической физики (русский физик Столетов, между прочим, плотно занимался вопросом и сделал большой вклад в описании феномена).

Пролить свет на свет (хе-хе) удалось Эйнштейну. Чтобы объяснить, почему цвет падающего луча света, а не его яркость, определяет скорость выбиваемых электронов, Эйнштейн решил перенести идейки о порциях энергии Планка на световую волну. Ведь озадаченный Планк применял свою теорию только к тепловым излучениям.

Для начала Эйнштейн впервые озвучил идею, что свет можно и нужно рассматривать не как волну, а как частицу (впоследствии ее назовут фотоном, а Эйнштейн называл ее световым квантом). Для любознательных: обычная лампочка в 100 Ватт излучает в секунду примерно сто миллиардов фотонов.

При фотоэффекте в силу размеров участников сражение между электроном и фотоном идет один на один. Чтобы фотон при столкновении с электроном вырвал последний из металлической пластинки, он должен иметь для этого достаточное количество энергии. А если применить формулу Планка именно для света, то выходило, что энергия каждого фотона пропорциональна частоте световой волны, то есть отдельно взятый фотон обладает определенной энергией, зависящей от собственной частоты. Вот и получалось, что частота света (это всего лишь его цвет) определяет скорость вылетающих электронов, а интенсивность (яркость) света влияет только на количество выбитых электронов. Это как сотни детишек будут сбивать снежками сосульки, но никто не сможет докинуть до крыши, а потом придет переросток из старшей группы, одной левой метнет снежок и собьет цель.

Таким образом, Эйнштейн показал, что электромагнитная волна (свет) состоит из маленьких частиц — фотонов, которые в свою очередь представляют собой маленькие порции или кванты света.

И после этого мир уже никогда не был прежним. Физики столкнулись с невероятным для макромира явлением, что материя может быть одновременно и частицей и волной, что энергия не делится бесконечно, а очень даже кратна некоему значению (постоянной Планка), что эти самые кванты обладают такими свойствами, что расскажи кому в приличной компании — не поверят и вызовут санитаров.

Не поверите, но Эйнштейн был злостным противником квантовой физики. Он открыл дверь в этот мир, однако до самой смерти держал оборону, считая, что квантовые явления можно как-то нормально объяснить. Но разные там борны, боры, гейзенберги, лифшицы-ландау и прочие открывали все новые и новые свойства квантов. А в 50-е годы, уже после смерти Эйнштейна, квантовые штучки были подтверждены экспериментально и окончательно.

В дальнейших наших ликбезах мы обязательно заглянем в парадоксы квантовой физики, и, надеемся, нам хватит слов и умений объяснить их человеческим гуманитарным языком.