Два «облачка», изменившие физику

Восьмая лекция проекта «Научные Weekend`ы», состоявшаяся 20 марта, была посвящена нобелевским лауреатам по физике. Ее автор кандидат физико-математических наук, директор научно-исследовательского института прикладной физики ИГУ Андрей

Танаев назвал лекцию «Буря и натиск».

Век мировых революций

К началу ХХ века классическая физика представляла собой, с точки зрения занимавшихся ею ученых, законченное и полностью сформированное здание храма науки, в фундаменте которого лежали принципы детерминизма и непрерывности, а стройные колонны отдельных законов опирались на абсолютные понятия о пространстве и времени. Никто не мог даже представить, что к этому зданию можно что-то пристроить и тем более изменить его полностью – разве что провести косметический ремонт и дополнительно украсить.

– В основе физики лежал принцип абсолютного детерминизма: причина определяет следствие; зная состояние системы в определенный момент времени и обладая достаточными вычислительными мощностями, мы сможем определить ее состояние в любой иной момент. Второй принцип – непрерывности: если физическая система изменяется со временем, то она постоянно проходит какую-то непрерывную цепочку состояний, чтобы попасть в конечную точку. Иными словами, тело движется по траектории, и эта траектория непрерывна. Третий принцип – абсолютности пространства и времени: пространство и время существуют каждое само по себе, и их свойства не зависят от материи, которая находится в этом пространстве. Скорость течения времени не зависит от наблюдателя и системы отсчета, – напомнил слушателям Андрей Танаев.

Глава Британского научного общества Уильям Томсон, получивший за научные достижения титул лорда Кельвина, заявил, что в физике открыто почти все: «…на ясном небе динамической теории осталось лишь два облачка – физический эфир, который никак не удается обнаружить или хотя бы вразумительно описать; и абсолютно черное тело, в теории о котором возникают досадные парадоксы». Не менее скептически оценивал ситуацию декан физического факультета Мюнхенского университета, который в 1875 году отговаривал абитуриента от поступления такими словами: «Физика – область знания, в которой почти все открыто. Все важные открытия уже сделаны. Едва ли имеет смысл поступать на физический факультет».

К концу 1880-х физика делилась на три больших учения: классическая механика, термодинамика и электродинамика. Открытия в области электромагнитной индукции поражали всех жителей планеты, преобразование электрического тока в механическую работу и освещение зданий потрясали воображение. Четыре уравнения Максвелла поставили, как казалось, точку и в этой области, описав электромагнитные явления для вакуума и отсутствие электромагнитных явлений.

Первым следствием из этих уравнений, на которые обратили внимание физики, стала гипотеза о существовании электромагнитных волн. Действительно, такие волны вскоре были открыты, и скорость волн совпала со скоростью света, из чего Максвелл сделал вывод, что счет – это электромагнитная волна. Вскоре было доказано, что и радиоволны имеют электромагнитную природу, и было понятно, в какой среде они распространяются. До конца XIX века это было понятное и общепринятое правило: для распространения каждого типа волн требуется определенная среда – для волн на воде сама вода, для звуковых волн – воздух. Но что является средой для электромагнитных волн? Предположили, что это тот самый эфир, и принялись его искать.

Один из наиболее известных опытов по выявлению эфира поставили ученые Майкельскон и Морли. Они предположили, что при движении Земли вокруг Солнца скорость распространения света по направлению движения будет выше, чем скорость света, направленного поперек этого направления. Разницу этих скоростей, предполагали экспериментаторы, может, и не удастся измерить точно, но, по крайней мере, мы сможем установить сам факт различия скоростей. Как бы ни меняли условия экспериментов, ни один из них не подтвердил гипотезу, но за построенные при этих попытках оптические приборы, позволявшие наблюдать очень тонкие оптические эффекты, Альберт Майкельсон получил в 1907 году одну из первых Нобелевских премий по физике.

Эфира нет, но нет и абсолютного времени

Отказавшись от идеи эфира, физики вновь вернулись к уравнениям Максвелла и попытались проанализировать их математическими методами. Для классической физики огромную роль сыграли преобразования Галилея, а вот уравнения Максвелла выглядели после подобных преобразований «уродливо». Однако они полностью отвечали результатам опытов, и это означало, что здесь что-то не так с инструментами анализа. К началу 1890-х годов Хендрик Антон Лоренц разработал преобразования, которые позволили по-новому взглянуть на уравнения Максвелла.   

– Если я еду по дороге и бросаю со скоростью один метр в секунду мяч в голову велосипедиста, который едет ко мне тоже со скоростью один метр в секунду, то для велосипедиста скорость мяча будет два метра в секунду. Это и есть галилеевское преобразование систем отсчета скорости – отсчет относительно Земли превращается в отсчет относительно велосипедиста. Это закон сложения скоростей, известный всем из школьного курса. Если я свечу фонариком, то световой фронт удаляется от меня со скоростью света. Если я отправлюсь с Земли со скоростью в половину скорости света, то можно предположить, что для моего друга, оставшегося на Земле, световой фронт будет удаляться со скоростью в полтора раза выше скорости света. Но на деле это совершенно не так: скорость света не зависит от скорости источника. При переходе из одной системы в другую скорости не складываются, скорость света постоянна, – пояснил Андрей Танаев.

Представим другую ситуацию. Автомобиль с включенными фарами движется по дороге. Свет распространяется с одной и той же скоростью, но для наблюдателя на обочине и для водителя за рулем одни и те же предметы, освещенные фарами, будут видны не одновременно. Само понятие одновременности отменяется, перестает быть абсолютным. Точно так же и для двух наблюдателей расстояние между двумя точками перестает быть одинаковым, оно постоянно меняется. Лоренц за свои работы и вклад в теоретическую физику получил Нобелевскую премию в 1902 году. 

Свет не только волна

Вдохновленный работами Лоренца, очень молодой (всего 26 лет) и малоизвестный на тот момент физик Альберт Эйнштейн в 1905 году написал и отправил в журнал «Анналы физики» работу, в которой создал первые наброски теории, позднее получившей название специальной теории относительности. Весь 1905 год вошел в историю физики как «год чудес» – один только Эйнштейн написал три статьи, которые стали базой для нового понимания многих проблем. Помимо статьи о преобразованиях Лоренца и специальной теории относительности, это были статьи о броуновском движении и о фотоэффекте.

Фотоэффект заключается в том, что если свет попадает на некоторые материалы, то они начинают испускать электроны, и возникает электрический ток – на этом принципе работают солнечные батареи. Явление было открыто за 30 лет до Эйнштейна, но были проблемы, которые никто не мог объяснить, например, почему при понижении частоты излучения фотоэффект прекращается (так называемая красная граница). Для объяснения этого явления Эйнштейн отказался от гипотезы о волновой природе света и предположил, что свет – это поток частиц. Каждая такая частица выбивает электрон из атомов материала, и таким образом возникает ток. Эта гипотеза противоречила первой статье самого Эйнштейна, но зато позволяла заняться второй проблемой, о которой говорил Максвелл.

Абсолютно черным телом физики называют не самый черный предмет, а объект, поглощающий весь спектр излучения, которое на него падает. Самым черным телом в Солнечной системе является Солнце – оно само излучает, но любое направленное на него излучение звезда поглотит. Классическая термодинамика предполагала: для того, чтобы измерить количество тепла, поглощенного неким телом, нужно подсчитать площадь фигуры, образованной графиком кривой, рассчитанной по формуле Рэлея-Джинса. Но эта кривая постоянно растет, и, следовательно, любое тело должно ярко светиться и очень быстро терять полученное тепло, до абсолютного нуля. Но это противоречит наблюдаемым фактам – ничто не остывает мгновенно.

Этой задачей занялся физик Макс Планк – тот самый студент, которого декан отговаривал от поступления на физический факультет Мюнхенского университета. Планк предположил, что тело излучает тепло не равномерно, а порциями, пропорциональными длине волны излучения. Коэффициент пропорциональности получил название «постоянная Планка», а сам он за эту работу стал нобелевским лауреатом 1918 года. Самого Планка, как ни странно, его открытие испугало, всю жизнь он боролся против собственной теории и признал ее лишь к концу жизни, заявив, что его работа позволила более глубоко рассмотреть теорию световых квантов (фотонов).     

Если нагревать некое тело (например, гвоздь), оно начнет светиться, и чем сильнее нагрев, тем ярче свечение. Если направить излучение на призму, то свет распадется на линии, видимые под микроскопом. Расстояния между полосами-линиями зависит от материала, и это открытие стало предметом исследования для многих физиков в начале ХХ века. Объяснить это явление какой-то теорией не удавалось, хотя эмпирическим путем удалось подобрать некоторые формулы и принципы распределения линий. Приемлемую теорию предложил нобелевский лауреат Вильгельм Вин, который предположил, что вид линий зависит от строения атомов вещества, а атомы похожи на планетную систему: положительно заряженное ядро в центре и вращающиеся вокруг него электроны.

Казалось бы, все становится понятно, но электрон, вращающийся вокруг ядра, должен излучать – в классической термодинамике допустить это не получалось, планетарная система должна была быстро разрушаться. Тем не менее после опытов Эрнеста Резерфорда ее пришлось признать. Резерфорд облучил тонкую золотую пластину альфа-частицами, зафиксировал траектории и пришел к выводу, что в целом атомы пусты, но в них есть сосредоточения зарядов, от которых альфа-частицы отскакивают при столкновении. Это возможно только в том случае, если атом выглядит именно как планетарная система. Работа получила Нобелевскую премию 1908 года, а позднее Резерфорд тоже получил титул барона Британской империи.

Задачу излучения электрона смог решить Нильс Бор, нобелевский лауреат 1922 года, который заявил: классическая электродинамика не работает в масштабах атома. Электроны вращаются вокруг ядра, а излучение происходит при переходе электрона с одной орбиты на другую. При нагреве или освещении светом атом можно перевести в более активное состояние и заставить испустить фотон. Бор сформулировал два правила для стационарных орбит, и они успешно описывали видимые на спектрах водорода и других веществ результаты.

Там, где Бор не справился и не смог объяснить, почему в атоме не действует электродинамика, справился Вернер Гейзенберг. Отдыхая на курорте, он размышлял над проблемой излучения и пришел к выводу: не может быть классического понятия о траектории электрона внутри атома. Вместо одной волны излучения Гейзенберг предложил скачки состояния, которые описывают наблюдаемое излучение. Дата публикации статьи Гейзенберга – 23 июля 1925 года – считается днем рождения квантовой механики. За эту работу Гейзенберг получил Нобелевскую премию в 1935 году.

Буря и натиск

За два года до Гейзенберга австрийский физик Эрвин Шредингер получил Нобелевскую премию за внедрение матричных вычислений в виде привычных для физиков дифференциальных уравнений. Шредингер сумел доказать, что его формула – это те же матричные вычисления Гейзенберга, но записанные на другом языке, и подтвердил предположение, что свет является и волной, и частицей, то есть дал обоснование корпускулярно-волнового дуализма.

Коэффициент пси в уравнении Шредингера сам он считал выражением некой материальной волны, однако его последователь Макс Борн предложил считать этот коэффициент мерой вероятности того, что электрон окажется в определенном положении в атоме в определенный момент времени – вероятность нахождения на орбите высокая, в ядре – низкая, но не нулевая. Эта работа была оценена, и Борн получил Нобелевскую премию 1954 года.   

– Волновая функция Шредингера и принцип дополнительности предполагают, что в результате эксперимента мы можем обнаружить некое состояние атома – одно, второе или третье, но в принципе невозможно установить, какое именно состояние мы обнаружили. Тем самым из здания классической физики был извлечен последний краеугольный камень, который предполагал возможность точно измерить реальную ситуацию и точно рассчитать разные состояния системы. Детерминизм перешел на уровень глубже – он описывает не состояние, а вероятность, – подчеркнул Андрей Танаев. – Классическая физика по-прежнему красива, но сквозь нее проступает другая красота, природная, не имеющая отношения к тому, чем гордились раньше.

В завершение лекции Андрей Танаев все-таки пояснил, чем, кроме отказа от культа разума, его герои связаны с «бурей и натиском»: большинство германских литераторов, создавших это направление, не дожили до 30 лет. Точно так же и все физики, о которых говорилось в лекции, сделали открытия и сформулировали свои теории в этом же возрасте.

Записал Борис Самойлов, «Байкальские вести»

Фото из презентации к лекции Андрея Танаева