Квант

Старая волновая теория света гласила, что чем выше частота излучения черного тела, тем больше его мощность. На ультрафиолетовых частотах эта мощность становилась бесконечной. С теорией явно что-то было не так.

Квантовая теория Планка предсказала кривую, которая совпадала с кривой старой волновой теории на частотах в пределах видимого диапазона, но по мере увеличения частоты не продолжала подниматься вверх. Вместо этого теория предсказывала, что мощность должна снова снижаться до нуля – в полном соответствии с экспериментальными данными.

До Планка считалось, что испускаемая черным телом энергия непрерывна и может принимать любое значение – как мяч, катящийся по гладкому склону. Планк предположил, что энергия состоит из квантов, а потому может принимать только определенные значения.

Однако в первой из трех главных работ Эйнштейна, опубликованных в 1905 году, он объяснил происхождение феномена, известного как «фотоэлектрический эффект», и именно эта работа наиболее интересна для нашей истории. Пять лет на формулу Планка почти не обращали внимания. Эйнштейн подарил ей вторую жизнь и вывел ее следствия на новый уровень.

Частицы света

Фотоэлектрический эффект представлял собой еще один феномен, который не могла объяснить физика XIX века. Он заключался в том, что при направлении света на электрически заряженную металлическую пластину с ее поверхности начинали вылетать электроны. Внимательно изучив этот процесс, ученые пришли к выводу, что он еще сильнее противоречит господствующей волновой теории света, чем проблема излучения черного тела.

Этот эффект обладает тремя необычными характеристиками. Во-первых, можно решить, что раз уж свет способен выбивать частицы материи, то их энергия будет зависеть от яркости, или интенсивности, света. Как ни странно, было обнаружено, что на самом деле способность света выбивать электроны зависит от длины его волны. Если считать свет волной, этот результат становится довольно неожиданным, поскольку повышение его интенсивности, а следовательно, и энергии, предполагает и увеличение размеров его осцилляторов. Представьте волны, которые бьются о берег: энергии в них тем больше, чем они выше, а не чем быстрее они накатывают на землю. В фотоэлектрическом эффекте свет высокой интенсивности не выбивает более энергетически заряженные электроны, он просто выбивает больше электронов!

Во-вторых, согласно волновой теории, фотоэлектрический эффект должен наблюдаться при любой частоте света, при условии что он достаточно интенсивен, чтобы наделить электроны достаточным количеством энергии для отрыва. Однако при наблюдении выяснилось, что существует минимальная частота света, ниже которой электроны не испускаются, какой бы высокой ни была его интенсивность.

Наконец, волновая теория предполагает, что, находясь под действием энергии световой волны, электроны будут нуждаться в конечном времени для поглощения достаточного количества энергии, чтобы оторваться от поверхности, особенно если свет слаб. Но временной задержки не наблюдалось. Электроны выбивались, как только свет попадал на поверхность.

Яркий, более интенсивный свет является результатом большего количества фотонов, чем тусклый свет. Но средняя энергия отдельного фотона в обоих случаях одинакова.

Эйнштейн успешно объяснил этот эффект, применив идею Планка к сгусткам энергии света. Не забывайте, Планк не дошел до того, чтобы сказать, что все излучение делится на кванты. Вместо этого он предположил, что черное тело излучает энергию пакетами, поскольку это обусловлено свойствами материи. При этом он полагал, что в общем случае электромагнетическое излучение непрерывно. Эйнштейн предположил, что весь свет состоит из квантов энергии[12], которые теперь называют фотонами. Принять такое Планк был не готов.

Двойственная природа света

Вклад Планка и Эйнштейна в квантовую революцию стал лишь первым шагом на пути к ней. Оглядываясь сегодня назад и учитывая все, что мы знаем о богатстве квантовой механики и феноменах, которые она может объяснить, мы видим, что в идее о частицах света нет ничего удивительного. В конце концов, даже сам Исаак Ньютон полагал, что свет состоит из частиц, которые он называл «корпускулами». Современник Ньютона, голландский астроном Христиан Гюйгенс, разработал конкурирующую волновую теорию света. Но только в начале XIX века англичанин по имени Томас Юнг смог доказать, что свет совершенно точно представляет собой волну.

Юнг провел эксперимент с двумя прорезями[13] со светом – этот эксперимент даже иногда называют экспериментом Юнга с прорезями, – а как мы увидели в первой главе, в его результатах нет ничего загадочного, если нам позволено думать, что волны проникают одновременно сквозь обе прорези. Мы понимаем, как волны делают это, и в результате на втором экране возникает картина интерференции. Нечего и удивляться, что после наблюдений Юнга ученые на сотню лет и думать забыли о том, что свет может состоять из частиц. В течение XIX века физики отдавали Ньютону должное за его великие достижения – его до сих пор по праву считают одним из величайших физиков всех времен, – однако о его идее корпускул света всегда забывали. Если бы свет действительно состоял из частиц, на экране не могла бы проявляться картина интерференции.

Но затем, спустя сто лет после экспериментов Юнга, Эйнштейн доказал, что ради объяснения фотоэлектрического эффекта свет следует считать потоком частиц!

Так что же происходит? Такое впечатление, что мы не можем считать свет исключительно волновым феноменом, но не можем и сказать, что он состоит только из частиц. В одних обстоятельствах (прорези Юнга) он словно бы ведет себя, как волна, в то время как в других (фотоэлектрический эффект) – как набор локализованных частиц. Все рассмотренные нами на настоящий момент явления подсказывают, что эту двойственную природу света следует воспринимать серьезно, хотя нам и становится не по себе, когда мы сталкиваемся с ней впервые. И правда, сегодня так называемый корпускулярно-волновой дуализм уже ни у кого не вызывает сомнений.

Но подождите, разве не может существовать два типа света – волновой и корпускулярный? Может ли свет изменять свое состояние в зависимости от того, как мы его используем или наблюдаем? Концепция фотона кажется физикам достаточно сложной. Не забывайте, каждый отдельный фотон (частица) ассоциируется с конкретной частотой и длиной волны (свойствами волн). Так что же мы имеем в виду, говоря, что частица обладает длиной волны? Распространенные волны действительно обладают длинами, а частицы – хм, частицы не распространяются вообще!

Нобелевская премия Эйнштейна

В 1921 году Альберту Эйнштейну вручили Нобелевскую премию за объяснение фотоэлектрического эффекта, что в то время считалось гораздо более значительным открытием, чем его знаменитая работа над теорией относительности.

Согласно Эйнштейну, каждый электрон испускается с поверхности вещества, когда его выбивает один фотон света, энергия которого зависит от его частоты. Эйнштейн утверждал, что обычно мы не видим, что свет состоит из частиц, поскольку фотонов очень много: точно так же мы не видим отдельные капли чернил на напечатанном изображении. Давайте рассмотрим, как эта картина справляется с тремя загадочными характеристиками фотоэлектрического эффекта.

12

Представьте их сгустками энергии, локализованными в пространстве. Однако, для того чтобы идея о «частицах» света прижилась, понадобилось некоторое время.

13

Само собой, в первой главе я называл его «фокусом», только чтобы добавить драматизма.