Олег Фейгин - Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

Увы! В действительности все выглядело совершенно иным образом! Достаточно было включить источник света — и во внешней цепи тут же появлялся ток. Более того, вскоре выяснилось, что далеко не всякий свет годился для наблюдения фотоэффекта. Красный свет даже высокой интенсивности не мог «запустить» течение процесса, а вот слабый солнечный лучик вполне для этого годился. Картина вырисовывалась довольно странная, как если бы силач, раскачивал-раскачивал ствол медленными движениями, пригибая его чуть ли не до земли, и ни одного яблока не упало, а вот подошел ребенок, резко ударил небольшим молоточком — и тотчас сорвался поток плодов. В ходе многочисленных опытов Столетов вплотную подошел к решению загадки фотоэффекта, но окончательное решение здесь предстояло найти другому гению современности — Эйнштейну.

В то время прошло лишь чуть больше пяти лет после рождения кванта действия Планка, но молодой служащий патентного бюро в Берне смело взялся развивать революционную модель Планка, перенося идеи ее создателя о квантованности электромагнитной энергии на корпускулярное строение светового потока. Действительно, такой подход (кстати, известный задолго до Ньютона, с именем которого обычно связывают понятие «корпускул света») легко позволил объяснить все противоречия фотоэффекта. Достаточно было только предположить, что неделимая частичка света — фотон, выбивая электрон с поверхности металла, должен иметь определенную «пороговую энергию», и все встало на свои места.

Великий Эйнштейн

Явление фотоэффекта

Эйнштейн в 1905 году построил теорию фотоэффекта, развивая квантовые представления Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть что дискретность присуща не только процессам испускания и поглощения света, но и самому свету, что свет состоит из отдельных порций — световых квантов.

Сложная волновая поверхность

Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить предмет, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

Весь последующий период развития квантовой науки неразрывно связан с именем еще одного из «младших отцов-основателей нового взгляда на материю» — Нильса Бора(1885–1962). Этот знаменитый датский ученый начал свою научную карьеру в святом для каждого физика месте — Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Именно здесь молодой ученый приступил под руководством самого сэра Резерфорда к построению новых моделей атомных структур. В этот период на небосводе науки засверкал первый более-менее достоверный планетарный атом Резерфорда. Эта модель своей наглядностью, простотой и глубоким смыслом (Вселенная в атоме!) еще долго привлекала внимание публики, до сих пор (!) встречаясь в некоторых неудачных учебниках и научных популяризациях. Почему неудачных?

Дело в том, что, вращаясь с центростремительным ускорением вокруг атомного ядра, электрон по законам электродинамики должен мгновенно излучить энергию и упасть. Разрешить эту проблему и направить физиков по верному пути понимания атомной структуры удалось молодому датскому теоретику Нильсу Бору, прибывшему на стажировку в Англию после защиты докторской диссертации у себя на родине. За отправную точку Бор принял новые постулаты квантовой механики, согласно которым на субатомном уровне энергия испускается исключительно квантовыми порциями.

Согласно хрестоматийным постулатам Бора, электрон не излучает энергию, находясь на неких «стационарных» орбитах. При этом сам акт излучения кванта электромагнитной энергии сопоставляется с переходом: «высокая» орбита — «низкая» орбита.

Объяснить странные правила поведения электронов внутри атома Бор в то время не мог, но он уже тогда высказал догадку, что эти отдельные, дискретные орбиты как-то связаны с еще науке неизвестными квантовыми закономерностями движения. Предположения Бора основывались на том, что именно своеобразие квантового движения выделяет отдельные орбиты из всей возможной их совокупности.

Все это уже серьезно расходилось с планетарной аналогией, ведь по законам классической механики орбиты электронов должны были бы быть совсем иными. Получалось, что именно особенности квантового движения внутри атома проявлялись в наличии лишь некоторых избранных состояний трансдислокации электронов.

Впоследствии, после завершения основных этапов развития квантовой науки, выяснилось, что атомные постулаты Бора об устойчивых орбитах на самом деле органически вытекают из нее, как некое приближенное правило. При этом существует орбита с наименьшей из возможных энергий, на которой электрон может находиться неограниченное время. Говоря научным языком, Бор показал, что электрон не может находиться на произвольном удалении от атомного ядра, а может быть лишь на ряде фиксированных орбит, получивших название «разрешенные орбиты». Электроны, находящиеся на таких орбитах, не могут излучать электромагнитные волны произвольной интенсивности и частоты, иначе им, скорее всего, пришлось бы перейти на более низкую, неразрешенную орбиту. Поэтому они и удерживаются на своей более высокой орбите, подобно самолету в аэропорту отправления, когда аэропорт назначения закрыт по причине нелетной погоды.

Однако электроны могут переходить на другую разрешенную орбиту. Как и большинство явлений в мире квантовой механики, этот процесс не так просто представить наглядно. Электрон просто исчезает с одной орбиты и материализуется на другой, не пересекая пространства между ними. Этот эффект назвали «квантовым прыжком» или «квантовым скачком». Боровские правила квантования атомных орбит объяснили не только удивительную стабильность окружающих нас атомов, но и тот удивительный факт, что атомы испускают свет строго определенных частот. Данные частоты Бор выразил через величины зарядов ядра и электрона, их массы и постоянную Планка. Таким образом, загадочные по своему смыслу правила квантования Бора стали описывать все главнейшие свойства атомов.