Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн - Тибо Дамур

В целом, основной вывод, который следует из рассмотренного примера, состоит в следующем. Если мы позволяем определенному количеству, скажем n, блох занимать площадь, в 64 раза большую площади, на которой они находились изначально, то число возможных конфигураций для такой системы умножается на 64n. Если бы мы рассмотрели другое отношение площадей, скажем конечную площадь в 10 раз больше начальной, то число возможных конфигураций умножилось бы на 10n. И если бы мы рассмотрели не блох на шахматной доске, а, скажем, мух, исходно ограниченных небольшим объемом и затем выпущенных летать по всему объему комнаты, то число возможных конфигураций нужно было бы умножить на фактор rn, где r – отношение конечного объема к начальному, а n – количество мух. Существенным моментом для дальнейшего обсуждения является то, что число n независимых элементов (или «корпускул») рассматриваемой системы появляется в виде отношения объемов, доступных для системы в конечном и начальном состояниях.

Энтропия и беспорядок

В физике, если имеется система, для которой указаны лишь некоторые глобальные макроскопические характеристики, такие как ее полная энергия и объем, в котором она находится, энтропией называется логарифм числа возможных микроскопических конфигураций системы (также называемых «микроскопическими состояниями»). Напомним, что логарифм числа, по существу, определяется как количество цифр его десятичного представления, стоящих перед запятой, минус один{115}. Например, логарифм 10 равен 1, логарифм 100 равен 2, логарифм одного миллиона равен 6. Отметим также, что логарифм единицы равен нулю. Другими словами, логарифм L заданного числа N удовлетворяет условию: N = 10L. Понятие энтропии было введено в середине XIX в. Рудольфом Клаузиусом, когда он пытался лучше понять основополагающую работу Сади Карно. Клаузиус показал, как можно определить энтропию системы, исходя из знания ее термодинамических характеристик, и предложил в качестве аксиомы хорошо известный всем второй принцип термодинамики, согласно которому энтропия изолированной системы может только возрастать. [Напомним, что первый принцип термодинамики гласит, что энергия сохраняется.] Несколько лет спустя венский физик Людвиг Больцман понял, что второй закон термодинамики имеет под собой статистические основания{116} и что энтропия системы должна быть пропорциональна логарифму числа возможных микроскопических состояний{117}. Это позволило осознать второй закон термодинамики как простое выражение естественной тенденции изолированных систем стремиться к беспорядку. Примером может служить рассмотренная выше система блох, которая из начального «упорядоченного» состояния спонтанно развивается, последовательно занимая всевозможные доступные состояния, и, таким образом, большую часть времени находится в некотором обобщенном состоянии, утратив свой «первоначальный порядок».

Неизвестное уравнение E = hf

В 1905 г. Эйнштейн был одним из немногих физиков, понимавших глубокую связь между энтропией и числом микроскопических состояний{118}. Он знал, как, исходя из закона Вина для излучения внутри печи, рассчитать энтропию и затем количество возможных микроскопических состояний для излучения (с фиксированной частотой f), существующего в печи с заданным объемом. Отсюда он вывел коэффициент, на который умножалось число возможных микроскопических состояний излучения, когда доступный для системы объем увеличивался в r раз. Он обнаружил, что этот мультипликативный фактор числа состояний (или, другими словами, фактор «увеличения микроскопического беспорядка») имел тот вид, который мы получили выше в случае блох или мух, распространяющихся в большом объеме: он задавался определенной степенью отношения r, скажем rn. Эйнштейн делает из этого вывод, что показатель n, возникающий в мультипликативном факторе числа микроскопических состояний, может быть истолкован как «число независимых частиц света», присутствующих в излучении частоты f в печи. Такова была его главная аргументация, лежащая в основе революционной идеи о том, что свет, как бушель блох, обладает дискретной структурой и состоит из отдельных световых гранул, названных им «квантами света».

Более того, его рассуждения позволили определить точное значение показателя n, т. е. количество независимых квантов света, присутствующих в излучении. Фактически он нашел, что число n определяется отношением полной энергии излучения (с частотой f) к выражению типа hf, где h – универсальная постоянная, а f – частота излучения. Эйнштейн пришел к выводу, что все происходит так, «как если бы» свет состоял из гранул и каждая гранула света имела бы энергию E, пропорциональную частоте света f – E = hf. Универсальная константа h имеет примерное значение 6,626 × 10−27 г · см² · с−1 и называется «постоянная Планка»{119}.

Уравнение E = hf, полученное Эйнштейном в марте 1905 г., имеет, возможно, даже более фундаментальное значение, чем уравнение E = mc², выведенное им в сентябре того же года. Тем не менее первое уравнение мало известно, тогда как второе знают все. Необходимо заметить прежде всего, что Макс Планк был первым, кто связал, еще в декабре 1900 г., частоту f излучения черного тела с количеством энергии E = hf. Тем не менее уравнение E = hf стало приобретать свой полноценный физический смысл лишь после выхода статей Эйнштейна в 1905 и 1906 гг. Именно по этой причине это уравнение часто называют уравнением Планка – Эйнштейна.

Вопреки обычному представлению, фигурирующему в основной массе научно-популярной литературы, Планк в 1900 г. никоим образом не утверждал, что энергия материи, образующей стенки печи (и тем более энергия света), должна быть физически «квантована» в единицах E = hf, т. е. может принимать лишь значения 0, hf, 2hf, 3hf, 4hf… Планк использовал E = hf, или то, что он назвал «элементами энергии», как вычислительный прием для придания смысла «количеству микроскопических состояний» материи печных стен. В общих чертах он использовал эти элементы энергии точно так же, как мы использовали в приведенном выше примере шахматную доску (с конечным числом клеток) для расчета количества возможных конфигураций блох, распределенных на некоторой площади. В конце концов, все, что имело значение в такой оценке, – это отношение между площадью, доступной в конечном состоянии, и начальной площадью. При этом сам размер элементарной клетки шахматной доски не входил в окончательный результат{120}. Однако Планк понимал, что результат его вычислений зависит от фактического размера «элементарной клетки», энергии E = hf, которую он использовал, хотя и надеялся на возможность в будущем придать вычислению некоторый смысл, оставаясь в рамках физических представлений своего времени, т. е. базируясь на представлениях об энергии вещества, принимающей всевозможные значения от нуля до бесконечности, и о свете, описываемом как непрерывная волна.

Эйнштейн был первым{121}, кто осознал связь между дискретностью физических величин (сейчас это называется квантовой дискретностью) и универсальной постоянной h. Если Планка можно считать первооткрывателем (в 1900 г.) новой универсальной физической константы (который понимал с самого начала, что это открытие было зарей новой эпохи физики), то Эйнштейн (в 1905–1907 гг.) стал инициатором создания физики явлений квантовой дискретности (который хорошо понимал, насколько «революционным» было это новое направление).

Первые следствия неизвестного уравнения

Получив фундаментальный результат, в соответствии с которым свет состоит из гранул, несущих энергию E = hf, Эйнштейн заканчивает свою мартовскую статью 1905 г. тем, что выводит из этого утверждения некоторые следствия, доступные для экспериментальной проверки. Наиболее известные из них касаются фотоэлектрического эффекта (именно они после экспериментальной проверки приведут к присуждению Эйнштейну Нобелевской премии). Выше мы объяснили, почему Ленарду казалось странным, что даже при очень большой интенсивности свет не может выбить электроны из поверхности твердого тела, когда частота f световой волны становится меньше определенного порогового значения. Гипотеза световых квантов Эйнштейна легко объясняет этот феномен.