Давид Ласерна - Эйнштейн. Теория относительности. Пространство – это вопрос времени.
Из письма Эйнштейна к физику Луи де Брогли
Все началось, когда Макс Планк заявил, что материя испускает и поглощает электромагнитное излучение в виде порций (квантов) энергии, причем размеры этих порций не произвольны: сама природа задавала нижнюю границу энергетического обмена. Эйнштейн пошел еще дальше, предположив, что само излучение определяло «ограниченное количество квантов энергии», даже когда оно распространялось в пространстве свободно, вдалеке от тел.
Эйнштейн не одобрял идеи о непрерывном электромагнитном поле Максвелла и об определенной форме материи, состоящей из атомов и молекул. Непрерывное против дискретного – эти явления никак не соответствовали друг другу.
Если можно было бы рассмотреть электромагнитные волны сквозь квантовую линзу, мы бы увидели бесконечное множество частиц, подобно тому, как фотография при приближении на экране компьютера распадается на тысячи пикселей.
В течение долгого времени научное сообщество тактично игнорировало эту гипотезу. Когда в 1913 году кандидатура Эйнштейна была выдвинута для включения в Прусскую академию наук, Нернст и Планк в своем рекомендательном письме расхваливали ученого, однако отмечали, что иногда он «слишком далеко заходит в своих предположениях, как, например, в гипотезе о кванте света». Основная проблема, как и в случае с относительностью, состояла в том, что многие из догадок Эйнштейна пока было невозможно доказать экспериментальным путем.
Несмотря на общий скепсис, Эйнштейн, как обычно, стоял на своем. В 1916 году он сформулировал идею, которую вынашивал почти десятилетие: обмен энергией происходит в форме образования частиц, обладающих моментом силы (векторной величиной, равной массе тела, умноженной на его скорость).
То есть кванты света, или фотоны, вели себя как снаряды энергии. Спустя семь лет эта гипотеза была подтверждена в лаборатории Артура Комптона (1892-1962).
Однако под влиянием работ Бора, Гейзенберга и Борна Эйнштейн практически без перехода поменял позицию со слишком смелой на слишком консервативную.
В случае черных дыр мы увидели, как с помощью спектрального анализа можно определить элементарный состав излучающего тела. Атомные спектры предлагали бесценный инструментарий анализа для физиков, позволяющий формулировать сложные вопросы. Например, чем заряжен каждый заряд? Какова его структура? Методом проб и ошибок швейцарец Иоганн Бальмер описал с помощью простой формулы известный к тому времени спектр атомов водорода, однако так и не смог объяснить ее теоретические основы.
В 1912 году молодой датский физик Нильс Бор приехал в Университет Манчестера, чтобы просить о доступе к лаборатории Шустера. Директор лаборатории, Эрнест Резерфорд (1871-1937), вскоре оценил склонность Бора к решению парадоксов; он действовал словно дорожный каток – медленно, но верно. Использовав уравнения Планка и Эйнштейна, Бор создал модель атома, определив, что электроны могут двигаться только по определенным стационарным орбитам. Каждой орбите соответствует свой уровень энергии, и при переходе электронов с одной орбиты на другую происходит поглощение или излучение энергии в виде квантов электромагнитного излучения (или фотонов). Энергетический заряд кванта соответствует разнице в уровне энергии между орбитами.
Внутренняя структура каждого элемента подобна амфитеатру, ступени которого соответствуют разным уровням энергии; электроны перемещаются с одной ступени на другую, поглощая или испуская фотоны с характерным спектром. Таким образом, излучение соответствует строению атома (рисунки 3 и 4).
Алан Лайтман, говоря о статье Бора, отмечал, что квантовый туман начал проникать даже в научный язык:
«Любопытно, что Бор утверждает: электроны переходят с одной орбиты на другую, хотя довольно трудно представить, как именно это происходит. Согласно модели ученого, электрон никоим образом не может оказаться между орбитами, потому что в этом положении он непрерывно излучал бы энергию. Но каким-то образом электрон, находясь изначально на одном уровне энергии, соответствующем конкретной орбите, вдруг появляется на другой орбите с другим уровнем энергии. Только что я использовал слово „появиться". Бор пользуется словом „переходить". Некоторые ученые говорят, что электроны „перепрыгивают". Но на самом деле в нашем лексиконе нет подходящего слова для обозначения этого феномена, который выходит за пределы привычного человеческого опыта».
РИС.3
РИС. 4
Переход электрона с одного энергетического уровня(E1) на другой, более высокий (Е2), сопровождающийся поглощением фотонов (рис. 3). Переход с одного энергетического уровня (Е2) на другой, более низкий (Е1), сопровождающийся излучением фотонов (рис. 4).
Модель Бора идеально подошла атому водорода – простейшему из атомов. Однако хотя она и облегчала понимание химического поведения элементов, по мере роста числа электронов все яснее становилось, что эта модель – не конец пути, а лишь остановка на длинном маршруте.
Благодаря Бору мы получили ясное и понятное представление об атоме, но без ответа оставалось еще слишком много вопросов. Например, вопрос о фотонах. Излучение происходило в определенном направлении и в определенный момент, но что определяло этот момент и это направление? Почему электрон, двигаясь по стационарной орбите, не излучает энергию, а при переходе с орбиты на орбиту делает это?
Модель Бора объединяла подходы классической и новой физики. Вернер Гейзенберг (1901-1976) пришел к выводу о том, что необычность этой модели является ее преимуществом, а ее недостатки объясняются как раз использованием в ней понятий из классической физики. Словом, впереди науку ожидали еще более странные открытия.
К этим открытиям приложил руку и сам Гейзенберг. В разгар лета 1925 года жестокий приступ аллергии застал его на острове Гельголанд в Северном море. Антигистаминных препаратов тогда еще не было, поэтому физик упорно боролся с ринитом и одновременно обдумывал специальную теорию относительности. Как правило, Эйнштейн отбрасывал любой концепт, если он не согласовывался с видимыми явлениями, – даже если этот концепт казался логичным с точки зрении интуиции. Гейнзенберг решил пойти по стопам знаменитого коллеги. Да, ученые наблюдали спектр атомного излучения, но кто-нибудь когда-нибудь наблюдал электрон во время его перехода с одной орбиты на другую? Боровские орбиты с их заданными радиусом и периодом невозможно было наблюдать, потому модель требовала уточнения. Гейзенберг заявил: «Я приложу все усилия на то, чтобы уничтожить понятие орбиты». А затем заложил основы новой теории – принципа неопределенности. Ученый полагал, что природные явления на атомном уровне «поддаются пониманию только тогда, когда исследователь по мере возможностей оставляет попытки представить их наглядно». Вместо образов Гейзенберг предложил абстрактное, чисто математическое представление, основанное на использовании принципиально наблюдаемых величин, таких как частоты спектральных линий.
Фотография, сделанная 28 июня 1929 года. Макс Планк вручает Эйнштейну медаль со своим именем. Эти двое ученых стали первыми лауреатами премии Немецкого физического общества, которая вручалась за особые достижения в области теоретической физики.
Для того чтобы проанализировать материю, необходимо взаимодействовать с ней. И в этом случае квантовый мир ставит перед нами вопрос: до какой степени наше вмешательство в качестве наблюдателей влияет на исследуемое явление? Возможно ли, что те данные, которые мы считаем объективным результатом анализа, модифицированы самим актом измерения? Представим себе, что мы стреляем по статуе резиновыми пулями, чтобы проанализировать, в каком направлении они отскакивают. Пули, не отскочившие от поверхности, позволят довольно точно определить размеры статуи. Если вместо пуль использовать надувные мячи, выводы будут лишь весьма приблизительными, но с уменьшением размера снаряда информация становится все более детальной. Связь между кривизной поверхности наших снарядов и информацией о скульптуре, которую мы хотим получить, оказывается критической.
Фотоны видимого света имеют гораздо меньший размер, чем доступно нашему зрению, кроме того, они не имеют жесткой поверхности и едва ли способны изменить состояние материи, взаимодействуя с ней. Аналогию, приведенную выше, не стоит воспринимать буквально, ведь свет не имеет обыкновения отскакивать от освещаемого предмета рикошетом, однако она позволяет дать интуитивное представление о процессе.
На атомном уровне снаряды, которые раньше казались нам крохотными, становятся такими же огромными, как статуя, которую мы собрались изучать. Если для того чтобы, например, обнаружить электрон, мы начнем бомбардировку атома фотонами с низким энергетическим зарядом и большой длиной волны, получится, что мы бросаемся надувными шарами того же размера, что статуя. Чтобы получить точную информацию, придется увеличить энергию фотона, а это значит, что наши пули станут тверже. И это будет означать не только возможность разглядеть детали статуи, но и риск ее разрушить. Траектория отскока в этом случае будет говорить не столько о рельефе объекта, сколько о процессе его фрагментации. Как видите, наша попытка изучить феномен полностью меняет его суть.
