Манжит Кумар - Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности
Убедить оппонентов и скептиков сделать выбор между двумя конкурирующими теориями можно было, поставив эксперимент, для которого эти теории предсказывали разные результаты. Таким экспериментом, проведенным в 1850 году во Франции, стало измерение скорости света в средах плотнее, чем воздух. Оказалось, что в стекле или воде свет распространяется медленнее. Это полностью совпадало с предсказанием волновой теории. Корпускулярная теория Ньютона не могла объяснить, почему свет движется именно с такой скоростью. Но оставался вопрос: если свет — это волна, то каковы ее свойства? Здесь на сцене появляется Джеймс Клерк Максвелл со своей теорией электромагнетизма.
Родившемуся в 1831 году в Эдинбурге сыну шотландского дворянина было предопределено стать величайшим физиком XIX столетия. Свою первую научную работу о математических методах черчения овалов Максвелл опубликовал, когда ему было пятнадцать лет. В 1855 году Кембриджский университет присудил ему премию им. Адамса за исследование устойчивости колец Сатурна. Он показал, что эти кольца должны состоять из маленьких, раздробленных осколков вещества — метеоритов. В 1860 году Максвелл фактически завершил кинетическую теорию газов, объясняющую свойства газа постоянным движением составляющих его частиц. Но главным достижением Максвелла стала теория электромагнетизма.
В 1819 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед показал, что текущий по проволоке электрический ток отклоняет стрелку компаса. Через год француз Франсуа Араго обнаружил, что проволока с током ведет себя как магнит и может притягивать железную стружку. Вскоре его соотечественник Андре Мари Ампер выяснил, что две параллельные проволочки притягиваются друг к другу, если направление текущих по ним токов одинаково. Если же направления токов разные, то проволочки отталкиваются. Заинтригованный возможностью создать магнетизм с помощью электрического тока, великий английский экспериментатор Майкл Фарадей решил выяснить, можно ли превратить магнетизм в электричество. Вставив магнит в катушку, на которую была намотана проволока, он убедился, что если магнит двигать вверх и вниз, то по проволоке течет электрический ток. Ток исчезал, если магнит внутри катушки переставал двигаться.
В 1864 году Максвелл показал, что так же, как лед, вода и пар суть формы одного и того же вещества, электричество и магнетизм — разные проявления одного и того же явления: электромагнетизма. Ему удалось описать поведение столь разных на первый взгляд электричества и магнетизма с помощью системы четырех очень красивых математических уравнений. Увидев их, Людвиг Больцман сразу осознал величие сделанного Максвеллом открытия. В восторге он процитировал Гете: “Начертан этот знак не Бога ли рукой?” (пер. Н. Холодковского)71. Используя свои уравнения, Максвелл сделал удивительное открытие: электрические волны распространяются по эфиру со скоростью света. Этот результат нуждался в проверке. Если утверждение справедливо, то свет является одной из форм электромагнитного излучения. Но существуют ли электромагнитные волны на самом деле? Если да, распространяются ли они со скоростью света? Максвелл не дожил до экспериментального подтверждения своего открытия. В ноябре 1879 года, в возрасте сорока восьми лет он умер от рака. В тот год родился Эйнштейн. А меньше чем через десять лет, в 1887 году, предсказания Максвелла были проверены в экспериментах Генриха Герца. Объединение электричества, магнетизма и света стало величайшим достижением физики XIX века.
Герц указывал, что его исследования “по меньшей мере позволяют полностью отбросить сомнения касательно тождественности света, лучистой энергии и движения электромагнитных волн. Я верю, что теперь можно с достаточной степенью надежности использовать эту идентичность при изучении оптических и электрических явлений”72. По иронии, именно в этих экспериментах Герц открыл фотоэффект, который помог Эйнштейну показать ошибочность этого утверждения. Его квант света бросил вызов волновой теории, казавшейся всем, включая Герца, неопровержимой. Свет представляет собой форму электромагнитного излучения. Это утверждение считалось столь надежно доказанным, что физики не могли даже помыслить, что от него можно отказаться в пользу кванта света. Многие считали квант света абсурдом. В конце концов, энергия кванта определяется частотой света, но частота есть характеристика волны, а не похожих на частицы порций энергии, путешествующих в пространстве.
Эйнштейн был полностью согласен, что волновая теория света “великолепно работает при объяснении дифракции, интерференции, отражения и рефракции” и что, “вероятно, никогда не будет заменена другой теорией”73. Однако, отмечал он, этот успех зиждется на том, что она описывает явления, для которых важно, как ведет себя свет в течение определенного периода времени. При этом те его свойства, которые похожи на свойства частиц, не проявляются. Ситуация полностью меняется, если речь идет о практически “мгновенном” испускании и поглощении света. Эйнштейн предположил, что именно поэтому волновая теория сталкивается “с огромными трудностями” при объяснении такого явления, как фотоэлектрический эффект74.
Макс фон Лауэ (в то время приват-доцент Берлинского университета и будущий Нобелевский лауреат) писал Эйнштейну, что готов согласиться с тем, что кванты принимают участие в испускании и поглощении света. Но это все: свет сам по себе не состоит из квантов, предостерегал Лауэ, а “только при обмене энергией с материей ведет себя как они”75. Очень немногие соглашались даже с этим. Частично проблема заключалась в Эйнштейне. В своей первой работе он действительно отметил, что свет ведет себя так, как если бы он состоял из квантов. Это трудно назвать категорическим утверждением, способствующим признанию кванта света. А дело было в том, что Эйнштейн не хотел ограничиваться “эвристической точкой зрения”: ему очень хотелось построить до конца проработанную теорию.
Фотоэффект оказался полем боя между считавшимися непрерывными световыми волнами и прерывностью материи — атомами. Но в 1905 году еще не все до конца верили в существование атомов. Одиннадцатого мая (меньше чем через два месяца после окончания статьи о квантах) в редакцию “Аннален дер физик” поступила вторая за тот год работа Эйнштейна. В ней объяснялось, что представляет собой таинственное броуновское движение. Именно эта работа стала основным свидетельством в поддержку существования атомов76.
В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун рассматривал в микроскоп взвешенную в воде пыльцу. Он видел, что ее частички, словно борясь с невидимой силой, все время беспорядочно двигаются. Еще ранее было замечено, что если увеличивать температуру воды, это странное ерзание нарастает. Считалось, что оно объясняется какими-то биологическими причинами. Однако Броун обнаружил, что даже если частички пыльцы до опыта пролежали на полке двадцать лет, в растворе они будут двигаться точно так же. Заинтригованный, он стал использовать мелкую пудру, приготовленную из различных неорганических веществ, начиная со стекла и заканчивая растертыми в порошок камешками, отколовшимися от египетского сфинкса. Наблюдая взвесь этих частиц в воде, он увидел то же хаотическое движение и понял, что никакая жизненная сила не может быть его причиной. Броун опубликовал свои исследования в брошюре “Краткий отчет о наблюдениях в микроскоп, выполненных в июне, июле и августе 1827 года, над частицами пыльцы растений, и о повсеместном существовании активных молекул в органических и неорганических телах”. Предлагалось много более или менее правдоподобных объяснений броуновского движения, однако рано или поздно все они оказывались несостоятельными. Лишь к концу XIX столетия ученые, верившие в существование атомов и молекул, сошлись на том, что броуновское движение — это результат столкновения частиц взвеси с молекулами воды.
Эйнштейн понял, что броуновское движение вызвано не отдельным столкновением частицы с молекулой воды, а совокупностью большого числа таких столкновений. В каждый момент времени коллективный эффект таких столкновений приводит к случайному хаотическому движению зерен пыльцы или частичек взвеси. Эйнштейн предположил, что ключ к пониманию такого непредсказуемого движения надо искать в отклонениях (статистических флуктуациях) от ожидаемого “усредненного” поведения молекул воды. Учитывая соотношение размеров молекул и частичек, можно предположить, что в среднем большое число молекул одновременно с разных направлений ударяет по частичке. Учитывая разницу масштабов, каждое столкновение будет приводить к бесконечно малому сдвигу зерна пыльцы в каком-то определенном направлении. Однако суммарный эффект столкновений сведется к тому, что частичка останется неподвижной, поскольку столкновения нейтрализуют друг друга. Эйнштейн понял, что броуновское движение связано с регулярным отклонением поведения молекул воды от “нормального”. Некоторые из них сбиваются в кучки и все вместе, как одно целое, ударяют по зерну пыльцы, посылая его в какую-то определенную сторону.
