Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации - Геннадий Горелик

Особо драматичным этапом стала прокладка трансатлантического кабеля в 1856–1866 годах. Научным руководителем этой работы был Томсон, удостоенный за свои достижения дворянского звания, а затем и титула лорда. Время прокладки подводного кабеля совпало с работой Максвелла по созданию теории электромагнитного поля. А Томсон все электромагнитные расчеты делал на основе предыдущих — частичных — законов электромагнетизма, то есть обошелся без теории Максвелла. Дело в том, что Томсон имел дело с проводными цепями и с полями, меняющимися медленно. Ему под силу была задача об электромагнитных колебаниях в замкнутой цепи, но не распространение колебаний в пространстве — электромагнитные волны. Это явление без теории Максвелла понять невозможно.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в опытах Герца стало событием не только в истории науки, но и в мировой истории, о чем сам Герц не подозревал. Его можно понять. Он с трудом довел чувствительность своей экспериментальной установки до еле уловимой величины. И ему, фундаментальному физику, трудно было разглядеть в своей установке новый тип телеграфа, не требующего проводов, а тем более — радиопередатчик и радиоприемник.

Для этого нужны были глаза инженера-изобретателя и предпринимателя, восприимчивые к новейшим достижениям науки. Такие нашлись спустя семь лет после опытов Герца, когда Александр Попов в России и Гульельмо Маркони в Италии изобрели радиотелеграф. Оба использовали новый приемник колебаний, более чувствительный, чем был у Герца, — стеклянную трубку, наполненную металлическими опилками. Этот новый «радиоприемник», изобретенный во Франции в 1890-м, усовершенствовали в Англии в 1894 году.

Отсюда ясно, насколько стремительным и международным стало развитие науки в эпоху Максвелла, в эпоху электромагнетизма. Люди науки и техники осознавали это уже тогда, о чем говорит текст первой радиотелеграммы Попова: «ГЕНРИХ ГЕРЦ». Если бы не стремление к телеграфной краткости, Попов наверняка помянул бы и Максвелла. Ведь именно труды Максвелла, объединив электричество, магнетизм и оптику в стройное целое, предопределили глобальную связь людей в единое человечество. Электромагнитные волны сделали возможными телевидение и интернет, что увеличило потоки информации в миллионы раз. Ныне один компьютер получает и передает сведений больше, чем вся почта и телеграф во времена Попова и Маркони. И конкурентов электромагнитной связи не видно. А значит, не видно конца и эпохе электромагнетизма в мировой истории.

В истории науки эпоха Максвелла длилась всего несколько десятилетий. На смену ей пришли почти одновременно две эпохи, начатые открытиями Планка и Эйнштейна. Максвелл дал им не только исходную теорию, но и поучительный пример. Решая поставленную перед собой проблему, он ввел в физику первое после Ньютона новое фундаментальное понятие.

Глава 6

Начало квантовой эпохи

Профессор, не желавший делать открытия

Следующим после Максвелла, кто изобрел новое фундаментальное понятие, стал человек, этого не желавший и для этого малоподходящий, — 42-летний германский профессор Макс Карл Эрнст Людвиг Планк. Он вырос в семье профессора-юриста, а окончив гимназию, думал заняться античной литературой или музыкой, прежде чем избрал физику. И длинный ряд имен, и гуманитарность семейных обстоятельств предвещали скорее чинно традиционную профессорскую жизнь, чем сногсшибательное открытие, требующее перестроить фундамент физики. В жизни Планка это совместилось.

В студенческие годы от физики его пытался отговорить его же профессор, сказав ему, что там почти все уже открыто, осталось заполнить лишь пару пробелов. На это Планк ответил, что и не стремится открывать новое, а хочет лучше понять уже известные основы физики. Этим он и занимался 20 лет, изучая теоретическую физику и преподавая ее студентам.

В 1894 году чинная профессорская жизнь споткнулась о проблему теплового излучения.

Проблему эту, собственно, поставил перед собой сам профессор, размышляя над практической задачей — помочь электротехнической компании разработать экономичную лампу накаливания. Практическую задачу решать надо практически, выбрав конкретный материал для нити накаливания. Но конкретных материалов очень много. Нужна какая-то руководящая идея, а еще лучше теория в соответствии с афоризмом: «Нет ничего практичней хорошей теории».

Теории тогда еще не было. Никто не понимал, что в точности происходит с веществом, когда оно от жара начинает светиться. Из наблюдений знали, что разные вещества, разогретые до одинаковой температуры, светят по-разному. На этом основан спектральный анализ, с помощью которого открыли гелий на Солнце.

Максвелл полагал, что разные вещества излучают по-разному потому, что состоят из разных атомов. Но если разные атомы излучают по-разному, то, казалось бы, и никакой общей теории быть не может?

Физики придумали, как сделать излучение зависящим лишь от температуры излучающего вещества, но не от других его свойств. Для этого надо излучение уравновесить с веществом в замкнутой емкости — в печке — с малым отверстием. Тогда излучение внутри печки выйдет наружу, наткнувшись на отверстие, лишь после долгих блужданий между стенками емкости. За время этих блужданий излучение придет в некое уравновешенное состояние.

Для физиков малое отверстие в большой емкости — отличная модель абсолютно черного тела. Так физики называют тело, которое поглощает все падающие на него лучи, не отражая ничего, но само может излучать. Отверстие в печке, разумеется, излучает, если печка достаточно разогрелась.

Физикам удалось доказать теоретически, что яркость такого теплового уравновешенного излучения зависит не от печки, а лишь от ее температуры. Но из теории никак не следовало, какого цвета и яркости это излучение должно быть. На помощь пришли экспериментаторы, и, согласно измерениям, яркость оказалась распределена по цветам согласно графикам такого вида (цвет описывается длиной волны или частотой колебаний ν):

Самый выдающийся пример печки, излучение которой определяется аналогичной кривой, — Солнце, если в его спектре не обращать внимание на темные фраунгоферовы линии и светлые линии протуберанцев. И те и другие линии возникают за пределами поверхности Солнца, а основное его излучение, прежде чем доберется до поверхности, успевает за время своих внутренних блужданий прийти в равновесие с веществом Солнца.

Важно, что спектр равновесного излучения — универсальная кривая, а значит, определяется какими-то универсальными — фундаментальными — законами. Но какими? Об этом и размышлял Планк, опираясь на главные достижения Максвелла и Больцмана: электромагнитную теорию света и статистическую теорию тепла. Надо было сложить две теории в одну. Но как это сделать, не зная устройство вещества, не зная, как именно излучают атомы?

Планк решил эту проблему, сделав вещество искусственно, теоретически. Ведь если спектр теплового излучения универсален, значит, он возникнет из равновесия с любым веществом. И Планк сотворил вещество — мысленно — из осцилляторов Герца, которыми тот изучал электромагнитные волны Максвелла. Каждый осциллятор — петля из проводника с маленьким разрывом. Поскольку осциллятор мысленный, можно не думать, из чего он сделан, а частота осциллятора определяется размерами петли и разрыва.

Мысленно-экспериментальная «печка» Планка с зеркальными стенками содержала внутри множество осцилляторов разных частот. Излучение уравновешивалось в результате многократного взаимодействия с осцилляторами.

Поначалу Планк думал, что ему хватит одной электродинамики, что осциллятор излучает не так, как поглощает, чем и объяснится приход к равновесию. Надежду эту опроверг Больцман — в чистой электродинамике излучение и поглощение равноправны. Об этом своем заблуждении Планк рассказал в нобелевской лекции, в начале которой процитировал Гёте: «Пока человек стремится к цели, он делает ошибки». Но поделился и собственным наблюдением: «Стремление к определенной цели, свет которой не гаснет от первых неудач, — предпосылка, хоть вовсе и не гарантия успеха». Такой целью для Планка было понять распределение яркости в спектре равновесного излучения, иначе говоря, вывести форму графика.

После неудачи электромагнитного объяснения он начал с другого конца, всматриваясь в само тепловое равновесие. Надо было понять равновесное распределение энергии между осцилляторами разных частот. Графики измерений кое-что подсказывали, но Планк искал теоретический путь к этим графикам.

Тепловое равновесие, как поняли Максвелл и Больцман, это наиболее вероятное состояние системы, наиболее вероятное распределение энергии между элементами системы. И Планк думал о наиболее вероятном распределении энергии между осцилляторами. Больцман вычислял вероятности состояний, полагая энергию разделенной на малые порции, а затем в полученной формуле уменьшая размер порции до нуля. Планк пошел тем же путем и в своих расчетах использовал вспомогательные константы a и b, вторая из которых отвечала за размер порции энергии. Пробуя разные варианты вычислений и учитывая, что осцилляторы различаются лишь частотой, он записал размер порции в виде E = b, собираясь в окончательной формуле устремить b к нулю. Однако полученная им формула давала график, удивительно похожий на те, какие давал опыт. Если же устремить b к нулю, то график получался неправильный и даже абсурдный — выходило, что нагретое тело излучает бесконечную энергию.