Жозе Фаус - Наука. Величайшие теории: выпуск 3: Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?

• Название: Наука. Величайшие теории: выпуск 3: Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?
• Автор: Жозе Фаус
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2015

В течение многих лет Вернер Гейзенберг считался одним из самых демонических представителей западной науки. И это неудивительно, ведь именно он стоял во главе нацистской ядерной программы, к счастью, безуспешной. И все же сотрудничество ученого с преступным режимом не заслонило его огромный вклад в науку. В 1925 году Гейзенберг обобщил беспорядочное на первый взгляд скопление наблюдений в сфере квантовой физики за предыдущие десятилетия, а через два года вывел свой знаменитый принцип неопределенности. Ученый заявил, что наблюдатель влияет на созерцаемую им реальность. Этот принцип и выводы, из него следующие, заставили недоумевать многих ученых, в том числе и Эйнштейна, который, протестуя, писал: «Мне хотелось бы думать, что Луна существует, даже если я на нее не смотрю».

---

1,6:1,185:1,058:1.

Двоеточия означают, что речь идет об отношениях чисел. Теперь нужно как-то записать эти числа в виде рациональных дробей, то есть как частные двух целых. Предприняв несколько попыток, вы увидите, что если мы умножим все четыре числа на 9/8, то получим:

9/5:4/3:25/21:9/8.

Было бы удобнее, если бы знаменатели располагались в порядке возрастания. Для этого умножим второе и четвертое число на 4/4, то есть на 1. Новый ряд чисел будет выглядеть так:

9/5; 16/12; 25/21; 36/32.

Видите ли вы какую-либо закономерность, связывающую эти числа? От Бальмера не ускользнул тот факт, что их числители являются квадратами последовательных целых чисел (3,4,5,6), а знаменатели равны числителям, уменьшенным на 4, что можно записать как 2 в квадрате. Подведем итог: если каждой линии спектра поставить в соответствие целое число n, то длины волн будут пропорциональны дроби n²/(n² -2² ), где n принимает значения 3, 4 и так далее. Читатель может убедиться, что коэффициент пропорциональности равен 364,56 нм. Это выражение представляет собой всего лишь результат игры с числами, однако, как предположил Бальмер, его можно записать для других линий спектра, заменив 2² квадратами следующих целых чисел. Если рассмотреть частоты, которые, как известно, обратно пропорциональны длинам волн, то, с точностью до постоянного коэффициента, они будут описываться членами ряда 1/2² -1/n² .

Квантовая дискретность

С зарождением квантовой физики связана одна техническая задача. Во второй половине XIX века ученые и инженеры заинтересовались изучением абсолютно черного тела – идеального объекта, поглощающего все падающее на него излучение. На практике абсолютно черное тело представляет собой полость, внутреннее излучение которой можно наблюдать сквозь небольшое отверстие. Интерес к этому идеальному объекту возник, когда Густав Кирхгоф показал, что интенсивность излучения (точнее, энергия излучения на единицу объема и на единицу частоты внутри полости) не зависит от природы стенок тела, а определяется исключительно частотой излучения и температурой полости. Изучение абсолютно черного тела позволяло определить закономерности, описывающие излучение светящихся тел.

Интенсивность излучения можно было измерить без особых проблем. Она определялась как функция частоты, ее графиком является кривая, выходящая из начала координат, следующая через точку максимума и приближающаяся к нулю по мере роста частоты. Эта кривая напоминает асимметричный колокол, высота и ширина которого зависят от температуры. Однако эту кривую нельзя было объяснить с помощью известных в то время теорий. К 1910 году немецкий ученый Макс Планк эмпирическим путем получил математическую формулу, описывавшую результаты наблюдений для любой частоты и температуры. Для теоретического подкрепления этой формулы Планку пришлось выдвинуть крайне специфическую гипотезу (по его словам, это было «актом отчаяния»): ученый предположил, что излучение с частотой ƒ не может передавать материи произвольную величину энергии; энергия должна быть кратной некой минимальной величине, пропорциональной частоте излучения. Энергообмен описывался дискретной величиной nhƒ, где коэффициент пропорциональности h вначале назывался квантом действия (действие в физике определяется как произведение энергии на время), однако вскоре стал называться постоянной Планка.

Абсолютно черное тело

Кривая излучения абсолютно черного тела напоминает асимметричный колокол, форма которого зависит от температуры. Значение физических терминов не всегда совпадает с обычным значением обозначающих их слов: звезды ведут себя как абсолютно черные тела, а анализ кривой излучения звезд позволяет определить температуру их поверхности. Так, известно, что температура поверхности Солнца составляет примерно 6000°С. Анализ фонового излучения Вселенной показал, что ее температура составляет примерно 3 К.

Спектральная плотность мощности (в произвольных единицах)

Значение этой постоянной очень мало: h= 6,6 • 10-34, и из-за этого гипотеза Планка никак не проявляется в повседневной жизни. Конечно, сегодня эту гипотезу называют революционной, однако в свое время никто не ожидал подобного эффекта. Ученые, изучавшие абсолютно черное тело, использовали чудесную формулу Планка, корректность которой находила все новые подтверждения, но не придавали никакого значения его рассуждениям.

Корпускулярно-волновой дуализм

Исключением стал Эйнштейн – он не только серьезно отнесся к гипотезе Планка, но и пошел дальше него, совершив настоящую революцию в физике. В одной из своих знаменитых статей 1905 года – в работе «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» – Эйнштейн предположил, что свет образован квантами энергии, или частицами, которые с 1924 года называются фотонами. Иными словами, излучение передает дискретные величины энергии потому, что оно само состоит из дискретных элементов. Эта новая гипотеза помогла Эйнштейну объяснить два интересных экспериментальных результата. Одним из них был фотоэффект – явление, которое заключается в испускании металлом электронов под воздействием ультрафиолетовых лучей. Эйнштейн объяснил результаты, полученные Филиппом фон Ленардом в 1902 году, и выдвинул несколько гипотез, которые подтвердил Роберт Милликен в 1916 году. Еще одно любопытное достижение ученого было связано с удельной теплоемкостью – физической величиной, характеризующей изменение температуры тел при нагреве. С начала XIX века известно, что удельная теплоемкость тел при достаточно высоких температурах постоянна. Однако при низких температурах в классическую трактовку теплоемкости вносятся все новые и новые исключения. В работе, которую впоследствии уточнил голландский ученый Петер Дебай, Эйнштейн доказал, что кванты энергии в точности описывают результаты экспериментов с теплоемкостью тел при любой температуре. Таким образом, гипотезу Планка для частной задачи об излучении абсолютно черного тела Эйнштейн применил к самым разным областям.

Макс Планк

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (1858-1947) был одним из выдающихся выпускников мюнхенской Максимилиановской гимназии, которую несколькими годами позже окончил Вернер Гейзенберг. Планк учился в Берлине вместе с Германом фон Гельмгольцем и Густавом Кирхгофом и в 1879 году в Мюнхене получил докторскую степень, защитив диссертацию, посвященную второму закону термодинамики.

Планк возглавлял кафедру теоретической физики Берлинского университета с 1887 года и известен прежде всего благодаря исследованию абсолютно черного тела (1900), ознаменовавшему рождение современной квантовой механики. За это исследование ученый в 1918 году был удостоен Нобелевской премии по физике. Благодаря своим научным достижениям и высоким моральным качествам Планк пользовался огромным авторитетом среди коллег. Его имя носит самый престижный из современных немецких исследовательских центров – Общество Макса Планка, в котором ведутся научные работы в сфере естественных, социальных наук и психологии.

Однако с гипотезой о фотонах появилась новая проблема. На протяжении XIX века ученые получали все новые доказательства того, что свет по своей природе представляет собой электромагнитную волну. Но если свет состоит из частиц, как быть с волновой теорией? Эйнштейн осознавал эту трудность, поэтому в названии его статьи и говорилось «об одной эвристической точке зрения» – то есть о чем-то, что нельзя строго доказать, но можно лишь подтвердить, сопоставив с результатами наблюдений. Фотонная гипотеза была подтверждена в 1922 году американским ученым Комптоном. В своем эксперименте он облучил электроны пучком рентгеновских лучей и доказал, что полученные результаты можно объяснить, если предположить, что рентгеновские лучи состоят из частиц. Что же такое свет – волна или множество частиц? По мнению Эйнштейна, корректны обе теории. Он считал, что в итоге будет найдена общая теория, объединяющая корпускулярную и волновую. Нечто подобное действительно произошло, хотя и не совсем так, как предполагал Эйнштейн.

Все фотоны, электроны и другие частицы безумны, но, к счастью для физиков, все они безумны одинаково и больны одним недугом, который называется корпускулярно-волновым дуализмом.

Ричард Фейнман

Корпускулярно-волновой дуализм является ключевой темой в квантовой физике, поэтому напомним некоторые свойства частиц и волн. Представьте, что вы бросили камень в пруд. Сначала камень находился у вас в руке, затем в воздухе, после – на поверхности воды и так далее, и в любой точке он неизменно занимал определенную часть пространства соответственно своему размеру. Камень двигался вдоль определенной траектории и находился в один момент времени только в одной точке. При этом движении происходит перемещение массы, в частности массы камня. После удара камня о воду возникают колебания, распространяющиеся по поверхности пруда. На поверхности воды образуются концентрические круги с центром в точке соударения. Эти круги описывают вертикальные колебания воды и представляют собой пример волны.