Текст книги "В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса"
Автор книги: Иэн Сэмпл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 18 страниц)
Вопросы были трудными, порой они содержали острую критику, но никто из собравшихся не подверг сомнению правильность его логических построений. Теория Хиггса прошла самое сложное испытание.
Дайсон поблагодарил Хиггса за выступление и закрыл семинар, довольный, что доклад гостя прошел хорошо. Позже Хиггс слышал, что Артур Вайтман, наиболее уважаемый физик в аудитории, сказал коллегам, что им бы следовало проверить свои “доказательства” неправильности теории Хиггса. Он поверил каждому слову Хиггса.
На следующий день после обеда с Дайсоном Хиггс опять отправился в дорогу. Второе приглашение пришло из Гарвардского университета, где работал Сидни Коулман, видный физик и известный всем шутник. Хиггс решил принять участие в открытом обсуждении своей теории в Гарварде, прежде чем отправиться обратно в Чапел-Хилл. Обсуждение было запланировано на вторую половину дня, что не стало ни для кого неожиданностью: Коулман всегда пропускал утренние мероприятия. Как-то он объяснил, что не пришел на 9-часовую утреннюю лекцию потому, что не смог работать так поздно. Коулман явно надеялся поразвлечься на выступлении Хиггса 2929
Peter Higgs. See ‘SBGT and all that’. Weak Neutral Currents, edited by David В Cline. Westview Press, 1997.
[Закрыть] . Позже он признавался, что сказал своим студентам: мол, какой-то идиот приедет, чтобы поговорить с ними. “И приготовьтесь порвать его в клочья!”– добавил он.
Экзекуции не случилось. В Гарварде выступление Хиггса превратилось в оживленную дискуссию, в которой участвовали все. Еще раз его теория подверглась тщательному разбору. Если вначале публика собиралась не оставить камня на камне от этой теории, то с доклада все ушли весьма заинтригованными. Теория Хиггса преодолела важнейший рубеж – это был один из тех редких моментов в истории науки, когда открывается дверь в новый мир, где ждут своего открытия неизвестные явления.
Надо сказать, в науке часто бывает, что самые блестящие идеи не находят понимания и забываются. Иногда они приходят в неправильное время, иногда авторы их плохо разъясняют или не находятся нужные люди, чтобы в нужный момент поддержать ученого. По любой из этих причин скачок в понимании законов природы может остаться незамеченным, не дав импульса для дальнейшего развития науки.
Во время поездки, продлившейся менее недели, Хиггс уверился, что его теория не исчезнет без следа. И действительно, постепенно физики усваивали его идеи: они заговорили о механизме Хиггса, полях Хиггса и о частице, существование которой доказало бы правильность теории, – о бозоне Хиггса.
Той осенью Хиггс вернулся в Эдинбург и с новой энергией окунулся в работу. Перед ним по-прежнему стоял главный вопрос: была ли его теория просто блестящей идеей или чем-то большим? Питеру нужно было показать, как его идея работает в реальном мире. В том виде, в котором теория существовала ко времени его возвращения в Эдинбург, она многого не объясняла. Да, она показывала, как невесомые частицы могли приобрести массу на ранней стадии развития Вселенной, но у физиков имелся целый выводок частиц, причем у некоторых из них масса была, а у каких-то ее не было. Теория не объясняла, какие частицы поле Хиггса наделило массой, а какие – нет и почему.
Ответив на все эти вопросы, ученые сделают одно из главных открытий нашего века. В конце жизни Эйнштейн был одержим желанием доказать, что силы различного характера, например электромагнитная и гравитационная, были первоначально частями одной всеобъемлющей суперсилы, которая существовала только одно мгновение при рождении Вселенной. С тех пор физики пытаются понять, можно ли построить “теорию Великого объединения”, о которой мечтал Эйнштейн. Теория Хиггса объясняла, как природа могла взять все частицы во Вселенной и одним махом некоторые из них (те, из которых построена материя) наделить массой, а другие оставить безмассовыми (например, фотон). Для физиков это выглядело как подсказка – если бы они только смогли развить теорию Хиггса немного дальше, то сумели бы наконец объединить в единое целое все силы природы.
Глава 2
В тени бомбы
В начале XX века Нелли Мельба была всемирно известной примадонной. Благодаря удивительному, серебряному голосу она прославилась далеко за пределами родной Австралии. Мельба блистала на сценах множества оперных театров от Манхэттена до Лондона, не говоря уже о театрах континентальной Европы 3030
Полный отчет о вещании из Челмсфорда концерта Мельбы см. в кн.: Sean Street. A Concise History of British Radio 1922-2002:80 Years of Key Developments. Kelly publications, 2002; Brian Hennessy. The Emergence of Broadcasting in Britain. Southerleigh, 2005.
[Закрыть] . Мачты, возвышающиеся над штаб-квартирой компании Маркони в Челмсфорде (графство Эссекс), должно быть, показались ей весьма устрашающими.
Нелли не хотела ехать сюда. Она с презрением отнеслась к появлению “беспроводных” радиоприемников, выпущенных этой компанией, и не понимала, почему столько людей хочет приобрести эти “магические играющие ящики”. Но дива была дама не промах. Нельзя отказаться от выступления, за которое обещано 10 тыс. долларов, да к тому же к нему приковано внимание репортеров и журналистов всего мира!
Певица колебалась, стоит ли ей начинать петь, а представитель компании, Артур Барроуз, успокаивал ее, но, похоже, не очень удачно. Указывая вверх, он объяснял, как гигантские радиоантенны с высоты сотен футов будут нести божественный голос Нелли на сотни, возможно тысячи, километров к жаждущей услышать его публике в европейских культурных столицах – Париже, Берлине, Мадриде и бог знает где еще. Но певица, видимо незнакомая с принципами новомодной техники, переводила настороженный взгляд с антенн на своего гида. “Молодой человек, – сказала она, – если вы думаете, что я собираюсь туда взобраться, вы сильно ошибаетесь”. В тот день, 15 июня 1920 года, Нелли Мельба стала звездой первого в мире концерта, прозвучавшего в эфире.
Получасовой сольный концерт состоялся в бывшем сарае для хранения тары, превращенном в импровизированную студию. Там, сжимая сумку и наклонившись к микрофону (точнее, к телефонной трубке, оснащенной рупором, сделанным из старой деревянной коробки из-под сигар), Мельба, лучшее в мире сопрано, пела в сопровождении небольшого рояля. По округе тотчас разнесся слух, что приехала звезда, и вскоре на улице начала собираться возбужденная толпа поклонников, которую местные полицейские отчаянно пытались успокоить.
Трансляция имела грандиозный успех. И в Лондонском Императорском военном музее, и в Хрустальном дворце, где проводилась Всемирная выставка 1851 года, инженеры установили беспроводные телефонные аппараты, и любой мог подойти и прослушать концерт. Нелли спела вальс из “Нимфы и Сильвана” Германа Бемберга и “Addio” из “Богемы”, а закончила гимном Великобритании. Ее голос был слышен даже там, где Берроуз и не рассчитывал, – в Персии и на острове Ньюфаундленд. Позже певица рассказала журналистам, что это было самое замечательное приключение в ее жизни.
Истинные масштабы триумфа обнаружились только через несколько дней и даже недель. Письма-поздравления сыпались со всего мира. На приемной станции, установленной на Эйфелевой башне в Париже, голос Мельбы воспроизвелся так чисто, что его записали прямо на граммофонный диск, который позже использовали для изготовления пластинок с записью концерта.
Это уникальное действо финансировал лорд Нортклифф, технофил и собственник газеты “Daily Mail”, слегка страдавший манией величия. На следующий день газета описала это событие так: “Искусство и наука пожали друг другу руки”. (Кстати, именно лорд Нортклифф, большой специалист по рекламным кампаниям, сформулировал один из центральных принципов журналистики: “Новости – это то, что кто-то хочет скрыть, всё остальное – реклама.)” Всплеск интереса к радио в обществе превзошел все ожидания.
Вряд ли Томас Хиггс, живший в другом конце страны, в портовом Бристоле, ничего не слышал об этой исторической трансляции. Незадолго до сего знаменательного события он вернулся домой из Франции, где задержался после окончания Первой мировой войны, в которой участвовал в качестве военного переводчика. Хиггс получил диплом электротехника в Бристольском университете и считал, что будущее за радио. Наверняка трансляция концерта Мельбы вызвала у него восторг, хотя джаз ему нравился больше, чем опера.
Гульельмо Маркони, дедушка радио, говорил, что в один прекрасный день в каждом доме будет установлен беспроводной приемник. Однако, до этого было еще далеко. Концерт Нелли Мельбы стал одной из первых попыток трансляции развлекательных программ. Энтузиастам новых технологий еще предстояло убедить общественность, что по радио можно слушать не только унылые голоса дикторов, читающих мрачные новости, большая часть которых уже появилась в сегодняшних газетах, но и веселые, развлекательные передачи.
Однако любой человек с хорошим слухом понимал, что, когда дойдет дело до трансляций концертов, возникнет множество технических проблем. Дело в том, что качество воспроизведения было пока еще недостаточно хорошо для передачи богатого и сложного звучания оркестра, ансамблей музыкальных инструментов, игры музыкантов в концертном зале или соборе. Поначалу звук фортепиано и других инструментов имел металлический оттенок. Например, Перси Скоулз, редактор старейшего музыкального британского журнала “Musical Times”, так описал трансляцию скрипичного концерта: “Звук инструмента – не протяжный, а громкий и металлический – просверлил в моем черепе дырку, как при трепанации” 3131
Impacts and Influences: Essays on Media Power in the Twentieth Century, edited by James Curran, Anthony Smith and Pauline Wingate. Methuen Young Books, 1987.
[Закрыть] . Он советовал своим читателям, по крайней мере в ближайшее время, не использовать радио для прослушивания серьезной музыки.
Низкое качество музыкального радиовещания заставило ведущие радиокомпании срочно начать соответствующие исследования. В 1922 году эти компании слились и образовали Британскую радиовещательную компанию ВВС (Би-би-си). Берроуз, назначенный руководителем этих исследований на только что созданной Би-би-си, призвал своих коллег найти способ передачи реальных звуков инструментов и акустики концертных залов. Инженеры переделали микрофоны, улучшили электрические схемы и добавили разные звуковые трюки вроде эха и реверберации. Методом проб и ошибок они нашли способы сбалансировать звучание медных, духовых и струнных инструментов в оркестре. Постепенно радиотрансляции стали воспроизводить красоту и утонченность живых выступлений и дали возможность насладиться ими людям, никогда прежде такой возможности не имевшим 3232
См. предыдущие ссылки.
[Закрыть] .
Вся эта история выглядела столь заманчивой, что обидно было в ней не поучаствовать, и в 1923 году Томас Хиггс сделал шаг, положивший начало его профессиональной карьеры. Годом ранее ВВС приступила к вещанию из Лондона, а в других крупных городах, таких как Бирмингем и Манчестер, были созданы региональные станции. Вот Хиггс и устроился работать на подобную станцию в Ньюкасле, на северо-востоке Англии. В его функции входило “балансировать и контролировать” —он должен был следить, чтобы музыка аутентично передавалась через эфир.
Это было время невероятного расцвета радиовещания. В течение нескольких лет радиостанцию Би-би-си стали слушать по всей Великобритании. Количество выданных радиолицензий возросло почти до двух миллионов. Такая ситуация сложилась незадолго до того, как вновь созданная вещательная компания вступила в конфликт с правительством. Всеобщая забастовка 1926 года, вызванная экономическим спадом в угольной промышленности, вынудила многие газеты сократить свои тиражи. Это позволило радио – живому и не требующему больших затрат по сравнению с газетами – заполнить информационный вакуум. Радио рассказывало о кризисе – информационные бюллетени выходили в эфир пять раз в день.
Растущая независимость Би-би-си раздражала канцлера Уинстона Черчилля, который призвал премьер-министра Стэнли Болдуина взять компанию под государственный контроль 3333
Burton Paulu. Television and Radio in the United Kingdom. University of Minnesota Press, 1981.
[Закрыть] . И только умное лоббирование со стороны генерального директора Би-би-си Джона Райта сохранило компанию. В следующем году радиовещательной компании была дарована Королевская хартия, и она стала называться Британской радиовещательной корпорацией.
К 1929 году радиовещание в мире уже вполне утвердилось, и не за горами была новая революция в СМИ – телевизионная. На Лондонской радиотрансляционной станции ВВС 2LO разрабатывались планы по запуску первой ежедневной телевизионной трансляции с использованием несовершенного механического дисплея Джона Лоуги Бэрда со сканированием в 30 линий. Главного инженера ВВС эти планы очень пугали 3434
George Shiers. Early Television: A Bibliographic Guide to 1940. Routledge, 1996. Francis Wheen. Television. David & Charles, 1986.
[Закрыть] . Качество движущихся изображений было настолько плохо, что он даже выступил против пробного вещания – побоялся, что зрители разочаруются и не захотят смотреть телевизор.
В среду 29 мая того года все британцы думали только о выборах. Правительство Болдуина было на волоске от провала. Впервые в выборах, которые должны были состояться на следующий день, участвовали три кандидата, кроме того, впервые допускались к голосованию женщины до 30 лет! Но в доме Хиггса о выборах говорили мало. В тот день Томас и его жена Гертруда с которой он познакомился еще в Бристоле, праздновали рождение первого и единственного своего ребенка, Питера.
Радиовещание – яркий пример того, как понимание законов природы может дать толчок техническому прогрессу, меняющему жизнь людей на земле. Если вам когда-нибудь понадобится аргумент в пользу необходимости фундаментальных —оторванных от реальности – исследований, то история создания радиовещания —самый убедительный из аргументов.
Все началось с Дафти —так одноклассники прозвали будущего юного Джеймса Максвелла. Тогда, в годы его учебы в эдинбургской школе, над ним часто посмеивались за сильный дамфрисширский акцент и “эксцентричную деревенскую” внешность, и его грубые самодельные башмаки только усугубляли впечатление 3535
Более подробную информацию о необычной наружности Максвелла см., например, в кн.: Henry Abraham Boorse, Lloyd Motz and Jefferson Hane Weaver. The Atomic Scientists: A Biographical History. Wiley, 1989; Martin Goldman. The Demon in the Aether: The Story of James Clerk Maxwell. Adam Hilger, 1984.
[Закрыть] . Но Максвелл был гений. Его работы проложили дорогу всем современным средствам связи, от радио и цифрового телевидения до мобильных телефонов и спутниковой навигации.
Когда мы чествуем великих людей и говорим о замечательном наследстве, которое они нам передали, мы рискуем потерять из виду их реальные достижения. Восторгаясь технологиями, основанными на работах Максвелла, можно не заметить концептуальный прорыв, лежащий в основе его достижений. Максвелл выдвинул две основные идеи, которые во многом сформировали современную физику. Обе они играют ключевую роль в истории с Хигедгсом. Во-первых, это введенное Максвеллом понятие “поля”, которое считалось в то время спорной и бездоказательной концепцией 3636
Matthew Radmanesh. The Gateway to Understanding: Elections to Waves and Beyond. Author-House, 2005: Rodney Carlisle. Scientific American Inventions and Discoveries: All the Milestones in Ingenuity from the Discovery of Fire to the Invention of the Microwave Oven. Wiley, 2004. Фарадей был первым, кто в 1845 году использовал термин “магнитное поле”.
[Закрыть] . Вторая его замечательная идея – способ работы в науке. Максвелл показал, что секрет великих открытий – в установлении связи между, казалось бы, не связанными друг с другом природными явлениями. Идея оказалась настолько плодотворной, что стала рабочей философией ученых.
В 1860 году в возрасте 29 лет Максвелла уволили с должности профессора физики в Маришальском колледже в Абердине (несмотря на то, что он был женат на дочери ректора), после чего молодой ученый перебрался в Королевский колледж в Лондоне, заняв там аналогичную должность. Время, проведенное Максвеллом в Королевском колледже, было, возможно, наиболее плодотворным периодом в его жизни, и именно там он занялся проблемами электричества и магнетизма. Его интерес к ним вызвали эксперименты Майкла Фарадея, которые тот проделал несколькими годами ранее. Фарадей брал катушку с намотанным на сердечник проводом в одну руку и магнитный стержень в другую. Когда он вдвигал магнит внутрь катушки, в катушке возникал электрический ток, а когда держал магнит неподвижно, ток исчезал. Фарадей описал эффект так: “Движущийся магнит создает электрическое поле”.
Из поразительных экспериментов Фарадея было ясно: электричество и магнетизм как-то связаны, но вот как? Этого не знал никто. И тогда Максвелл решил понять, можно ли их связать математически. Формулы, которые он вывел, показали, что электричество и магнетизм не только связаны, но фактически являются двумя сторонами одной медали. На бумаге уравнения Максвелла выглядят экзотичными и абстрактными, но, если подставить в них числа, они начинают жить! Итак, они показывают, что движущийся магнит создает электрическое поле. Но это только начало. Вновь созданное электрическое поле создает собственное магнитное поле, а то, в свою очередь, другое электрическое поле. И так далее. Колебания электрического и магнитного полей провоцируют друг друга, бесконечно распространяясь в пространстве...
Однако Максвелл этим не ограничился. Пораженный чудесными колебаниями электромагнитного поля, он пошел дальше. А как быстро поля удаляются от своих источников? Ответ был ошеломляющим: они распространяются со скоростью света! Увидев, что этот ответ получается из расчета, сделанного им в тетрадке, Максвелл, должно быть, почувствовал волнение, известное только тому, кто первым раскрыл какую-либо из глубоких тайн природы, – ведь он предположил, что колебания электромагнитного поля и есть свет.
Благодаря работам Максвелла концепция полей получила твердое обоснование. Этим он заложил необходимую основу для работы Питера Хиггса, использовавшего поля для объяснения природы массы. Позже Эйнштейн воздал должное Максвеллу, открывшему глаза ученым на важность понятия поля, написав: “Это изменение концепции описания реальности является самым глубоким и плодотворным из тех, что физика испытала со времен Ньютона 3737
Martin Goldman. The Demon in the Aether. The Story of James Clerk Maxwell. Adam Hilger, 1984.
[Закрыть] .”
Ученые получили и другой великий урок от Максвелла 3838
Концепция объединения стала мощным ориентиром в физике и других науках. Более подробную информацию о большом объединении в физике см. в кн.: Z. Hassan. Ideals and Realities: Selected Essays of Abdus Salam. World Scientific, 1983; Tom Siegfried. Strange Matters: Undiscovered Ideas at the Frontiers of Space and Time. Joseph Henry Press, 2002.
[Закрыть] . В поисках связи между двумя разными явлениями – электричеством и магнетизмом – Максвелл раскрыл глубинные тайны природы. То, что началось с попытки объяснить опыты Фарадея, закончилось созданием теории света. Вслед за этим пришло открытие других видов электромагнитных волн, в том числе радиоволн, которые и разнесли голос Нелли Мельбы над Челмсфордом и передали первые нечеткие изображения в телевизионные устройства образца 1920 года.
Работы Максвелла поставили перед учеными, размышлявшими о природе материи, новую задачу. В то время преобладала ньютоновская модель мироздания, то есть считалось, что все в природе может быть объяснено в терминах вещества, принимающего ту или иную форму. Веришь в это – и нет необходимости во введении полей, ведь с помощью законов Ньютона можно описать всю материю и движение космоса как единую гигантскую механическую систему.
Очевидный конфликт идеологий возникал при определении сущности света. Ньютон утверждал, что луч света – поток крошечных частиц, или корпускул, а Максвелл говорил, что свет – волны. Тут возникал вопрос: что такое распространение волн? Какова природа электромагнитного поля? Эти вопросы ставили в тупик и самого Максвелла. Реакция тогдашних ученых показывает, как трудно поколебать хорошо укоренившиеся в науке представления. В поисках ответа было предложено ввести понятие эфира – странной формы материи, которой якобы заполнена вся Вселенная 3939
Более подробную информацию об эфире см. в кн.: Lawrence Krauss. Quintessence. Vintage, 2001: Kevin С. Knox and Richard Noakes. From Newton to Hawking: A History of Cambridge University’s Lucasian Professors of Mathematics. Cambridge University Press, 2002.
[Закрыть] . Световые волны, говорили защитники сей идеи, – это волны сжатия в эфире, подобно тому как звуковые волны – в воздухе.
Чтобы убедиться в существовании эфира, нужно было провести некоторые исследования. Ученые знали, что звуковые волны распространяются быстрее в жидкостях, чем в воздухе, и еще быстрее в твердых телах. Они также знали о невероятно большой скорости света. Отсюда следовало, что если свет представляет собой волны сжатия в эфире, то эфир – действительно некое экзотическое вещество, причем невидимое и не мешающее движению планет, ведь даже малейшее сопротивление полету этих небесных тел привело бы к их торможению и в конце концов – к весьма грациозному падению по спирали на Солнце.
Многие полагают, что введение эфира было серьезным заблуждением, но не будем столь категоричны. Детально разработанные неверные концепции иногда приносят пользу, заполняя бреши в нашем понимании природы. В лучшем случае заблуждения в науке какое-то время играют положительную роль, в худшем же они существенно тормозят прогресс подобно тому, как удачный выстрел не всегда способен остановить движение солдата, но зато может сделать его продвижение вперед мучительно болезненным и медленным.
Чудеса природы часто приводят в качестве доказательств грандиозной работы Бога, так было и с эфиром 4040
Bernard Cohen and George E. Smith. The Cambridge Companion to Newton. Cambridge University Press, 2002.
[Закрыть] . Если бы он реально существовал, то должен был бы иметь немыслимые размеры, обладать абсолютной прозрачностью и другими свойствами, которые трудно согласовать друг с другом. Для людей религиозных взглядов, а Максвелл был верующим человеком, было очевидно – только Господу под силу создать такое вещество. Лорд Кельвин, выдающийся ученый того времени, не сомневался, что свет распространяется в виде волн сжатия в эфире. (Впрочем, он также считал, что у радио нет никакого будущего, и утверждал, что идея создания пассажирских самолетов может прийти в голову только людям с куриными мозгами – понятно, что такие самолеты никогда не оторвутся от земли 4141
Более подробную информацию о предсказаниях Кельвина см., например, в кн.: Gordon Fraser. The New Physics for the Twenty-First Century. Cambridge University Press, 2006: Ted Davis, Roger H. Stuerwer and Rutherford Aris. Springs of Scientific Creativity: Essays on Founders of Modern Science. University of Minnesota Press, 1983.
[Закрыть] .) Пример Кельвина очень красноречив. Мы видим, что научные теории в будущем часто оказываются неправильными, а кроме того, ученые редко понимают, какую технологию завтра может породить их сегодняшнее открытие.
Максвелловская теория света поставила концепцию поля на прочную основу и тем самым заложила фундамент теории Хиггса. Но, чтобы Хиггс смог совершить свой прорыв в науке, понадобился еще более драматический поворот событий. Квантовая революция началась через двадцать лет после смерти Максвелла, и первый ее этап закончился в год рождения Хиггса. Ни в одну другую эпоху физики не пребывали в таком замешательстве, а сама наука физика никогда не была столь противоречива.
Величайшие научные революции порой начинаются с кажущихся на первый взгляд малозначительными экспериментов. Квантовая физика началась с наблюдения за изменениями цвета печи по мере нагрева. Этот эксперимент был не самым эффектным событием в истории науки, но он породил одну из самых важных теорий в физике XX века. Для обычного ученого этот эксперимент, возможно, так и остался бы незначительным. Но Макс Планк, усатый физик из Берлинского университета, был далеко не обычным человеком – он был просто одержим желанием понять законы природы. Эйнштейн писал, что Планком движет “голод души” 4242
Barbara Lovett Cline. Men Who Made a New Physics: Physicists and the Quantum Theory. University Of Chicago Press, 1987.
[Закрыть] . Говорили, что его страсть познания была сродни страсти влюбленного.
В автобиографии Планк, размышляя о своем отношении к науке, писал: “Крайне важно понять, что внешний мир есть нечто совершенно независимое от человека, нечто абсолютное, и поиски законов, которые управляют этим абсолютным миром, всегда казались мне самой возвышенной задачей науки” 4343
Цитируется в кн.: William Cropper. Great Physicists (см. библиографию), автор, который ссылается на кн.: Max Planck. Scientific Autobiography and Other Papers (Physikalische Abhandlungen und Vortrage). New York Philosophical Library, 1949.
[Закрыть] . Планк, возможно, лучше, чем кто-либо другой, понимал, что реальность, с которой мы сталкиваемся изо дня в день, является проявлением действия бесчисленных законов, управляющих игрой невидимых микроскопических объектов.
Все вокруг нас поглощает и излучает энергию в виде электромагнитных волн. Когда люди выделяют тепло, энергия излучается в виде инфракрасных волн. Эти волны невидимы для человеческого глаза, но могут быть зарегистрированы инфракрасной камерой типа тех, что используются полицией для слежки за преступниками в темноте. В эксперименте, который заинтересовал Планка, использовались печи, специально предназначенные для изучения теплового излучения.
Планк не должен был делать эксперименты сам. Он был физиком-теоретиком и анализировал данные, полученные его друзьями, работавшими в университетской лаборатории. Его задачей было найти объяснение результатов, и для этого он должен был разобраться, почему по мере нагрева печь меняет свой цвет.
Итак, нагреваясь, печь сначала становилась тускло-красной, затем ярко-красной, потом оранжевой, желтой и наконец блестяще-белой. Выходит, цвет напрямую связан с температурой, причем так строго, что по цвету можно определить температуру печи. Значит, размышлял Планк, изменение цвета указывает на “нечто абсолютное” – тут присутствует какая-то фундаментальная тайна природы. Чтобы цвет излучения менялся так, как он менялся, печь, нагреваясь, должна испускать волны со все более короткой длиной (красный свет имеет большую длину волны, чем оранжевый, а тот – большую, чем желтый), при этом диапазон длин волн испускаемого излучения расширяется. При самых высоких температурах печь испускает белый свет – светится сразу всеми цветами радуги.
Время от времени наука совершает скачок лишь благодаря интуиции ученого, а как раз интуиции у Планка было в избытке. Однажды вечером он вывел математическую формулу, почти идеально описывающую экспериментальные результаты по излучению печи. Уравнение Планка оказалось настолько точным, что, когда ученые усовершенствовали установку, результаты, полученные с ее помощью, стали описываться этим уравнением еще лучше.
И тогда Планк задумался: почему его формула так хорошо описывает эксперимент? В чем тут секрет? Он знал, что количество световой энергии, которое печь излучает в равновесном режиме, определяется ее температурой. Чем горячее печь, тем больше энергии она излучает. Планк понял, что вопреки существовавшим ранее представлениям коротковолновый свет должен нести большую энергию, чем длинноволновый. Когда печь едва теплая, она может излучать только красный свет, но при более высоких температурах у нее достаточно энергии, чтобы светиться оранжевым, желтым или даже голубым.
Настоящая магия в открытии Планка обнаружилась позже. Он понял, что его формула работает, только если энергия, излучаемая печью, представляет собой поток крошечных импульсов или пакетов. Количество энергии в каждом волновом пакете зависит от цвета. У пакетов красного света меньше энергии, чем у пакетов синего света. Позже эти волновые пакеты световой энергии стали называть квантами.
Планк опубликовал свои поистине революционные результаты в 1900 году – то был для него весьма неплохой год, а ведь, когда Планку было 17 лет, все советовали ему найти себе занятие поувлекательнее физики, поскольку тогда считалось, что основные задачи этой науки уже решены!
Планк сделал свое открытие случайно. И в тот момент никто, и даже он сам, не понимал, насколько оно важно. Планк считал свою теорию скорее математическим трюком, чем правильным описанием физического явления. Легко понять, почему ученый осторожничал – его теория противоречила общепризнанной работе Максвелла, описывающей свет как непрерывную электромагнитную волну.
А первым оценил значимость теории Планка Альберт Эйнштейн – ему, кстати, тогда было всего двадцать с небольшим. В 1905 году Эйнштейн понял, что если он истолкует понятие кванта буквально, то сможет объяснить одну из загадок физики того времени – так называемый фотоэлектрический эффект 4444
Более подробную информацию о квантовом описании эффекта см. в кн.: Andrew Whitaker. Einstein, Bohr and the Quantum Dilemma: From Quantum Theory to Quantum Information. Cambridge University Press, 2006; Abraham Pais. Subtle Is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press, 2005.
[Закрыть] . Лабораторные эксперименты показали, что, если освещать светом фотокатод в вакуумном приборе, в нем при замыкании цепи может возникнуть электрический ток, причем наиболее ярко эффект проявлялся при облучении фиолетовым светом, зато полностью отсутствовал при облучении красным.
Эйнштейн рассудил, что электроны не вылетают с поверхности металла, пока количество поглощенной ими энергии меньше определенного значения. Ток возникает только тогда, когда падающий свет состоит из квантов со сравнительно большой энергией, достаточной для преодоления электронами работы выхода. Вы можете направить прожектор на кусок металла, но вам не удастся выбить из него ни одного электрона, если вы освещаете светом неправильного цвета, – его кванты несут слишком мало энергии. Это все равно что играть в ярмарочную игру “бросание шаров в кокосовые орехи” (типа игры в кегли), кидая в мишени мячи для пинг-понга. Бросай сколько хочешь, но кокос не пошевелится, пока вы не запустите в него что-то более весомое. За использование концепции квантов для объяснения фотоэлектрического эффекта Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Его работы ясно показали, что идея представления потока энергии как потока квантов должна восприниматься всерьез. Очень скоро квантовая теория стала основным направлением в теоретической физике. Через четыре года после объяснения фотоэффекта Эйнштейн существенно развил ее и показал: кванты света обладают еще и импульсом, что делает их полноправными частицами. Ученые работали над квантовой теорией еще на протяжении трех десятилетий, пока она не превратилась в стройную теорию, объясняющую процессы, происходящие внутри атомов.
Работы Планка и Эйнштейна показали, что микромир, мир атомов, подчиняется совсем иным законам, чем те, что Ньютон написал для макромира и которые согласуются с нашим повседневным опытом. Законы Ньютона прекрасно годятся для описания больших предметов вроде автомобилей и пушечных ядер, но в мире атомных частиц действуют другие правила – странные и противоречащие общепринятым понятиям. Поведение строительных блоков материи просто невозможно понять без понимания законов квантового мира.
Когда рождалась квантовая физика, ученые еще мало что знали о структуре атома. В модели, предложенной Эрнестом Резерфордом и Нильсом Бором, атомы состояли из твердых ядер, окруженных электронами, которые вращались вокруг ядер по концентрическим орбитам. В 1913 году Бор понял, что квантовая интерпретация движения электронов по орбитам позволяет объяснить длину волны (цвет) света, поглощаемого и излучаемого газообразным водородом. Это была очень специальная работа, но она окончательно убедила физиков, что идея квантов дает ключ к пониманию строения материи.
На протяжении более чем десяти лет работы в области квантовой физики носили фрагментарный и отрывочный характер, а ученым требовалась полная квантовая теория, объясняющая поведение любой частицы в любом атоме или молекуле. Успех принесли четыре года, с 1925-го по 1929-й, четыре года интенсивной работы, завершившиеся созданием “квантовой механики” – раздела квантовой теории, описывающей процессы, происходящие в мире атомов.
Вернер Гейзенберг, 24-летний физик из Геттингенского университета, был первым, кто добился тогда серьезных успехов. В конце мая 1925 года Гейзенберг жестоко страдал от сенной лихорадки. Нужно было срочно уехать – туда, где ничего не росло и не цвело. Отпросившись у своего руководителя Макса Борна в отпуск на две недели, Гейзенберг отправился на Гельголанд, небольшой остров в Северном море, который милостью Божьей был лишен всяческих цветов и трав. Когда он приехал – с жутко распухшим лицом и слезящимися глазами, – хозяйка гостиницы решила, что его избили в драке, и предложила подлечить молодого постояльца. Из окна его номера на втором этаже Гейзенбергу открылся чарующий вид на деревню, песчаные дюны и бескрайнее море.
К этому времени Гейзенберг разочаровался в результатах физиков, бьющихся над проблемами квантовой теории, и решил начать все заново. Единственное, что он использовал в своих расчетах, —это свойства атомов, полученные в лабораторных экспериментах, например длины волн света, поглощаемого или испускаемого газами, или иначе —атомные спектры 4545
Газы поглощают и излучают свет разных длин волн из-за различия энергий электронных орбит. Можно представить электронные орбиты в виде концентрических колец с центром в атомном ядре. Если электрон поглотит достаточно энергии, он перескочит вверх на более высокую орбиту. Длина волны поглощенного света определяется разностью энергетических уровней – величиной энергетического зазора между орбитами. Когда электрон падает снова вниз, он излучает свет той же длины волны. Изучая спектры разных газов, ученые могут определить расположение их электронных орбит.
[Закрыть] . Расположив данные в виде таблицы, Гейзенберг решил описывать процессы поглощения и излучения света с помощью прыжков электронов с одних энергетических уровней в атоме на другие. Поглощая свет, электроны прыгают на более высокий уровень; падая вниз, испускают его снова.
