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 этот цвет 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.
Глава 6
Материя. Частицы
Дело не в размере.
Атомное ядро еще мельче,
а страсти вокруг него еще больше. (Академик П. Капица)
Мы продолжаем экстремальный ликбез для любознательных гуманитариев. Если заглянуть на непрофильные форумы в интернете, то очевидно, что российская наука готовится к серьезному прорыву в физике, так как чуть ли не каждый пользователь интернета этой страны способен рассуждать на тему квантовой гравитации и убедительно доказывать свою правоту. Поэтому мы просто обязаны восполнять у населения пробелы в научной картине мира.
Сегодня мы решили напомнить научному сообществу Всемирной Паутины о том, что современная наука знает о материи.
Начнем с того, что все знают или догадываются. Окружающий нас мир состоит из атомов. Это понятные повседневному опыту материальные объекты, иногда видимые даже в микроскоп (правда, электронный). Одно время считалось, что атомы — мельчайшие неделимые частицы. Причем, идею выдвинули аж древние греки, которые слишком много думали о возвышенном, но потом римляне, а следом и христиане, переключились на другие проблемы, и вопрос о составе материи стал не актуален: крестовые походы сами себя не организуют. И только в 1789 году один юрист по имени Антуан Лавуазье вернулся к крамольным мыслишкам об атомах, открыв дверь богомерзкой науке о веществе.