Сегодня мы знаем, что расширение Вселенной – реальность. Убедительное подтверждение сценария, предсказанного уравнениями Эйнштейна, было получено в 1964 году, когда двое американских радиоастрономов, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, случайно открыли излучение, заполняющее Вселенную; это излучение оказалось остатком того самого невероятного жара, который царил в молодой Вселенной. И снова теория оказалась верна в своих самых удивительных предсказаниях.
С тех пор как мы обнаружили, что Земля круглая и вертится, как безумный волчок, мы поняли, что реальность не такая, какой она окажется: всякий раз, когда мы схватываем новый ее аспект, мы испытываем глубокое эмоциональное переживание. Еще одна пелена спадает с наших глаз. Но шаг, сделанный Эйнштейном, беспрецедентен: пространство-время – это поле; мир состоит из полей и частиц; пространство и время – это не что-то иное, отличное от всей остальной природы, а просто одно из полей среди других (рис. 3.17).
Рис. 3.17. Эйнштейновский мир: частицы и поля, которые движутся по другим полям
В 1953 году ученик начальной школы пишет Альберту Эйнштейну: «Наш класс изучает Вселенную. Меня очень интересует пространство. Я хотел бы поблагодарить Вас за все, что Вы сделали, чтобы мы могли его понять»
[68].
Я полностью разделяю эти чувства.
4
Кванты
Трудно вообразить что-то более различающееся, чем два столпа физики XX столетия – общая теория относительности и квантовая механика. Теория относительности – это маленький драгоценный камень, ухваченный мыслью одного человека и основанный на соединении предшествующих теорий. Это простая и согласованная картина гравитации, пространства и времени. Квантовая механика, или квантовая теория, напротив, возникает из экспериментов в ходе долгого, четвертьвекового созревания, в которое многие внесли свой вклад; она демонстрирует беспрецедентный успех в эксперименте и ведет к практическим реализациям, которые меняют нашу повседневную жизнь (таким, например, как компьютер, за которым я это пишу); но даже спустя столетие после своего рождения она все еще окутана завесой неясности и непостижимости.
В этой главе описывается странная физика этой теории, рассказывается о том, как она появилась на свет и о трех аспектах реальности, которые она раскрыла: зернистости, неопределенности и реляционности.
Снова Альберт
Я говорил, что квантовая механика родилась в 1900 году, фактически возвестив начало столетия мозгового штурма. В 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался рассчитать количество электромагнитных волн, находящихся в равновесии с горячей оболочкой. Чтобы получить формулу, соответствующую экспериментальным результатам, он в конце концов использовал прием, который, казалось бы, не имел смысла: он предположил, что энергия электрического поля распространяется квантами, то есть маленькими пакетами, небольшими порциями энергии. Размер пакетов, согласно его предположению, зависит от частоты (то есть от цвета) электромагнитных волн. Для частоты ν каждый квант, или каждый пакет, обладает энергией
Это первая формула квантовой механики; буква h – это новая константа, которую сегодня мы называем постоянной Планка. Она определяет, сколько энергии содержится в каждом энергетическом пакете для излучения с частотой (цветом) ν. Постоянная h определяет масштаб всех квантовых явлений.
Мысль о том, что энергия может получаться сложением конечных пакетов, шла вразрез со всем, что было известно к тому времени: энергия рассматривалась как нечто, что может меняться непрерывным образом, и не было причины рассматривать ее как нечто сложенное из крупиц. Например, энергия маятника определяет амплитуду его колебаний. Не существует никаких причин, по которым маятник должен колебаться только с некоторыми определенными амплитудами, а не с другими. Для Макса Планка принятие конечного размера энергетических пакетов было лишь странным трюком, который, как оказалось, помог в вычислениях, то есть в воспроизведении результатов лабораторных измерений, но было совершенно непонятно, каким образом.
Спустя пять лет Альберт Эйнштейн – да, снова он – понял, что планковские пакеты энергии совершенно реальны. Это было темой третьей из тех статей, что он отправил в Annalen der Physik в 1905 году. И это подлинный год рождения квантовой теории.
В этой своей статье Эйнштейн показывает, что свет действительно состоит из крошечных зерен, частиц света. Он рассматривает недавно открытое явление – фотоэлектрический эффект. Есть вещества, которые порождают слабый электрический ток, когда на них падает свет. То есть под воздействием освещения они испускают электроны. Сегодня мы используем этот эффект, например, в фотоэлементах, которые открывают двери, когда мы к ним приближаемся, реагируя на изменения в потоке падающего на сенсор света. То, что это происходит, само по себе неудивительно, поскольку свет несет энергию (которая, например, согревает нас) и эта энергия заставляет электроны «спрыгивать» со своих атомов – она дает им необходимый для этого толчок.
Но вот что странно. Естественно было бы ожидать, что при малом количестве световой энергии, то есть при тусклом освещении, это явление наблюдаться не будет, в отличие от ситуации, когда энергии достаточно, то есть свет яркий. Но на деле всё не так: явление наблюдается, только если частота света высокая, и не наблюдается, если частота низкая. Иначе говоря, оно зависит от цвета (частоты) излучения, а не от его интенсивности (энергии). Это совершенно невозможно понять на основе стандартной физики.
Эйнштейн использует планковскую идею о пакетах энергии с размером, зависящим от частоты, и понимает, что если эти пакеты реальны, то явление можно объяснить. Нетрудно понять как. Представьте, что свет приходит в форме частиц энергии. Электрон будет выбит из атома, если отдельная частица, ударяющая по нему, несет много энергии. Важна энергия каждой частицы, а не число этих частиц. Если, как предположил Планк, энергия каждой частицы определяется частотой, явление должно наблюдаться только при достаточно высокой частоте, то есть если отдельные частицы энергии достаточно велики, а от общего количества поступающей энергии оно зависеть не будет.
Это похоже на автомобиль под градом: будет ли он помят, зависит не от количества упавших градин, а от размера отдельных кусков льда. Может выпасть очень интенсивный град, но он не вызовет повреждений, если все градины будут малы. Аналогично, если свет интенсивный, то есть приходит большое количество световых пакетов, но отдельные частицы света слишком малы, то есть если частота света слишком низкая, электроны не будут извлекаться из своих атомов. Это объясняет, почему цвет, а не интенсивность света определяет, будет ли наблюдаться фотоэлектрический эффект. Это простое рассуждение принесло Эйнштейну Нобелевскую премию. Совсем не трудно понять вещи, которые кто-то уже увидел. Трудно увидеть их в первый раз.
