Розділ без назви (17)

1894 року Макс Планк звернувся до питання природи світла, випромінюваного гарячими об’єктами, почасти з комерційних міркувань (перший на моїй пам’яті приклад у моїй оповіді, коли фундаментальна фізика була комерційно вмотивована). Йому замовили вивчити, як видобути максимальну кількість світла з нещодавно винайдених лампочок розжарювання, використовуючи при цьому мінімальну кількість енергії.

Усі ми знаємо, що в процесі розігрівання спіралі духовки вона спершу світиться червоним, а коли стає ще гарячішою, починає світитися синім. Але чому? Як не дивно, традиційні підходи до цієї проблеми були нездатні відтворити ці спостереження. Віддавши цій проблемі шість років, Планк презентував революційну здогадку про випромінювання, яка узгоджувалася зі спостереженнями.

Спершу нічого революційного в його виведеннях не було, але через два місяці вчений переглянув свій аналіз, аби охопити ідеї про те, що відбувається на фундаментальному рівні. За висловом самого Планка, уперше прочитавши який, я одразу ж його полюбив, його новий підхід виник як «жест відчаю… я був ладен пожертвувати всіма своїми попередніми переконаннями щодо фізики».

Для мене це є відображенням фундаментальної якості, яка робить науковий процес настільки ефективним і яка настільки яскраво проявилася в розвитку квантової механіки. «Попередні переконання» — лише переконання, що чекають на спростування; якщо потрібно, емпіричними даними. Якщо такі любі нам колишні поняття не працюють, ми викидаємо їх, наче вчорашню газету. А для пояснення природи виділеного матерією випромінювання вони не працювали.

Планк вивів свій закон випромінювання з фундаментального припущення, що світло, яке є хвилею, виділяється лише «пакетами» деякої мінімальної кількості енергії, пропорційної частоті цього випромінювання. Він позначив константу, яка пов’язувала енергію з частотою, «квантом дії»; нині вона називається сталою Планка.

Можливо, це не звучить дуже вже революційно і, як і Фарадей у випадку з електричними полями, Планк розглядав своє припущення лише як формальну математичну милицю для свого аналізу. Пізніше він проголошував: «Узагалі-то я багато про це не думав». Утім, гадку, що світло випромінюється у вигляді частинкоподібних пакетів, вочевидь важко узгодити з класичним уявленням про світло як хвилю. Енергія, що переноситься хвилею, невигадливо пов’язана з величиною її коливань, яка може неперервно змінюватися, починаючи від нуля. Проте, за Планком, кількість енергії, яку можна випромінити у світловій хвилі певної частоти, має абсолютний мінімум. Цей мінімум було названо квантом енергії.

Далі Планк спробував виробити класичне фізичне розу­міння цих квантів енергії, проте зазнав невдачі, що завдало йому, за його власними словами, «великої прикрості». Утім, на відміну від деяких колег, він усвідомлював, що всесвіт існує не для того, щоб полегшувати життя. Так, стосовно фізика й астронома сера Джеймса Джинса, який не бажав відкинути класичні поняття перед лицем наданих випромінюванням свідчень, Планк зазначав: «Я не можу зрозуміти Джинсової впертості; він є прикладом теоретика, який ніколи не мав би існувати, точно як Геґель у філософії. Якщо факти не відповідають теорії, тим гірше для фактів» (про всяк випадок, якщо читачі відчують бажання написати мені листи, цей наклеп на Геґеля звів Планк, а не я!).

Пізніше Планк потоваришував з іншим фізиком, який дозволив фактам привести себе до іншої революційної ідеї — Альбертом Ейнштейном. 1914 року, коли Планк став деканом Берлінського університету, він організував для Ейнштейна нову посаду професора. Спершу Планк не міг прийняти видатний здогад Ейнштейна, який той висловив 1905-го, — того ж року, коли запропонував спеціальну теорію відносності, — що світло не лише випромінюється матерією у вигляді квантових пакетів, а що промені світла як такі існують у вигляді наборів цих квантів, тобто що світло як таке складається з частинкоподібних об’єктів, які ми нині називаємо фотонами.

Ейнштейн дійшов до цієї думки, намагаючись пояснити феномен під назвою «фотоелектричний ефект», що його відкрив 1902 року Філіпп Ленард — фізик, чий антисемітизм пізніше відіграє ключову роль у відтермінуванні присудження Ейнштейну Нобелівської премії і, що цікаво й навіть поетично, приведе до того, що науковець отримає її не за свою роботу над теорією відносності, а саме за фотоелектричний ефект. Фотоелектричний ефект полягає в тому, що світло, спрямоване на металеву поверхню, може вибивати з атомів електрони й породжувати струм. Проте яким би інтенсивним не було світло, якщо його частота нижча за деякий поріг, жоден електрон не вибивається. Але щойно частота перевищує цей поріг, виникає фотоелектричний струм.

Ейнштейн збагнув, що це можна пояснити, якщо світло поширюється у вигляді мінімальних пакетів енергії, пропор­ційної частоті світла, як постулював Планк для світла, випроміненого матерією. У цьому випадку лише світло з частотами, що перевищують деяку граничну величину, може містити достатню кількість енергетичних квантів, щоб вибити електрони з атомів.

Планк міг сприйняти квантифікований випуск випромінювання як пояснення свого закону випромінювання, проте припущення, що квантоподібним (себто частинкоподібним) є світло як таке, було настільки чужорідним для звичного розуміння світла як електромагнітної хвилі, що Планк уперся. Лише шість років по тому, на конференції в Бельгії, на одному із Сольвеївських конгресів, які пізніше стали знаменитими, Ейнштейну врешті-решт вдалося переконати Планка, що класичну картину світла слід відкинути й що кванти (вони ж фотони) дійсно існують.

Також Ейнштейн був першим, хто на практиці використав факт, який пізніше відкинув у своєму знаменитому твердженні, що висміювало ймовірнісну сутність квантової механіки й реальності: «Бог не грає в кості зі всесвітом». Він показав, що, якщо атоми спонтанно (себто без безпосередньої причини) поглинають та випускають скінченні пакети випромінювання в міру того, як електрони перестрибують з одного дискретного енергетичного рівня атомів на інший, він може перевивести закон випромінювання Планка.

За іронією долі Ейнштейн, який започаткував квантову революцію, проте так до неї й не долучився, також, схоже, був першим, хто використав імовірнісні аргументи для опису природи матерії — стратегію, яку наступні фізики, котрі обернули квантову механіку на повноцінну теорію, поставлять на перше місце. Унаслідок цього Ейнштейн став одним із перших фізиків, хто продемонстрував, що Бог грає в кості зі всесвітом.

Цю аналогію можна поглибити, зауваживши, що Ейнштейн був одним із перших фізиків, хто продемонстрував, що класичне поняття причинно-наслідкового зв’язку у квантовому світі починає ламатися. Багато хто різко заперечує проти моєї думки, що всесвіт не потребував якоїсь мети й просто вигулькнув із нічого. Проте саме це відбувається зі світлом, за допомогою якого ви читаєте цю сторінку. Електрони в гарячих атомах випускають фотони, — фотони, що не існували до того, як були випущені, — і ці фотони випускаються спонтанно, без конкретної мети. То чого ж ми принаймні дещо примирилися з ідеєю, що фотони можуть створюватися з нічого без мети, але не можемо примиритися, що це стосується цілих усесвітів?

Усвідомлення, що електромагнітні хвилі також є частинками, розпочало квантову революцію, яка повністю змінила наш спосіб розгляду природи. Як має бути зрозуміло з викладеного на початку розділу, з класичної точки зору бути одночасно частинкою й хвилею неможливо, проте у квантовому світі це можливо. І, як також має бути зрозуміло, це був лише початок.

5

Людина, чиї досвід і знання охоплюють значну кількість різних предметних галузей.

6

Англійською «interfere» — звідси фізичний термін «інтерференція».