Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

Эти парадоксальные факты привели соответственно Эйнштейна и Бора к тому, чтобы предложить скандальные и оказавшиеся лишь наполовину правильными гипотезы, которые послужили первыми ступеньками в крутом подъеме к современной квантовой теории.

Фотоэлектрический эффект возникает, когда вы направляете свет (или, еще лучше, ультрафиолетовое излучение) на определенные материалы. Они при этом начинают испускать электроны. Этот эффект используется, например, в солнечных батареях, которые превращают свет в электричество.

Идея о том, что свет может ускорять электроны, увеличивать их энергию и, возможно, иногда отрывать их от атомов, сама по себе не удивительна. Электрическое поле света должно делать такие вещи. Потрясало то, каким образом это происходило. Можно было бы ожидать, что энергии требуется время для накопления, т. е. когда вы включаете свет, то вначале вы не видите испускаемых электронов. Отнюдь нет, этот эффект «включается» мгновенно. Также можно было бы ожидать, что частота падающего света, т. е. его спектральный цвет, менее важна, чем его сила или яркость. И это не так: оказалось, что спектральные цвета из красного конца спектра неэффективны. Если свет слишком красный, то вы сумеете освободить лишь небольшое количество электронов, как бы ярко вы ни освещали материал.

Эйнштейн объяснил этот и другие эффекты фотонной гипотезой. Он предположил, что свет передается отдельными единицами, фотонами, которые уже не могут дробиться. Количество энергии в минимальной единице или кванте света пропорционально частоте света, причем фотоны на синем конце спектра несут примерно вдвое большую энергию, чем фотоны красного конца спектра, а у фотонов ультрафиолетового излучения энергия еще выше.

Фотонная гипотеза дала простое качественное объяснение парадоксальных свойств фотоэлектрического эффекта. Поскольку каждый фотон или отдает всю свою энергию, или не отдает ее вовсе, нет никакой нужды в постепенном ее накоплении, и для этого не требуется специального времени в начале эксперимента. Поскольку красные фотоны приносят меньше энергии, они менее эффективны, и, если у них нет достаточной энергии для высвобождения электронов из определенного материала, они попросту этого не делают.

Фотонная гипотеза Эйнштейна не была частью некоей большой системы, как уравнения Максвелла или небесная механика Ньютона. На самом деле она в самой своей основе противоречила тому, что казалось очевидным следствием из уравнений Максвелла. Гипотеза объясняла некоторые факты ценой подрыва существующих и очень успешных основных принципов, которые объясняли многие другие явления. Это был скандал! В 1913 г., предлагая кандидатуру Эйнштейна для избрания академиком Прусской академии наук, Планк писал:

То, что он в своих рассуждениях иногда выходит за пределы цели, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком сильно ставить ему в упрек. Ибо, не решившись пойти на риск, нельзя осуществить истинно нового, даже в самом точном естествознании [58] Борн М. Альберт Эйнштейн и световые кванты // Успехи физических наук. 1956. Т. 59. № 1. .

Эйнштейн ввел световые кванты, т. е. то, что мы сегодня называем фотонами, в 1905 г. – восемью годами ранее! Еще через восемь, в 1921-м, когда он получил Нобелевскую премию, в качестве основания для награды приводилась конкретно его работа по световым квантам. К тому времени она доказала свою ценность.

Что касается нашего второго парадокса, парадокса существования стабильных неизменных атомов, Нильс Бор предложил идею о том, что атомы могут пребывать только в стационарных состояниях . В классической механике возможно бесчисленное количество орбит, как мы видели на примере Горы Ньютона. Бор предположил, что в атоме электроны, удерживаемые электрическими силами, обращаются вокруг ядра, однако возможен только некоторый ограниченный набор орбит. Для простейшего атома – водорода – он предложил простое точное правило, определяющее возможные орбиты его электронов [59] Для тех, кто разбирается в вопросе: требуется, чтобы интеграл импульса, взятый по длине орбиты, – так называемый интеграл действия – равнялся целому числу единиц, известных как постоянная Планка. – Прим. авт. . Когда электрон следует по одной из «разрешенных» орбит, мы говорим, что атом находится в стационарном состоянии. Электрон остается на этой конкретной орбите до тех пор, пока его не пнут слишком сильно, потому что другие возможные орбиты значительно отличаются от исходной, и легким толчком вам не удастся перебросить его! Наконец, атомы не коллапсируют оттого, что все разрешенные орбиты удерживают электроны на безопасном расстоянии от ядер.

Гипотеза стационарного состояния Бора также не была частью большой системы. На самом деле она тоже противоречила тому, что казалось очевидным следствием очень успешной теории, а именно – механики Ньютона. Кем был Бор, чтобы указывать электронам, где они могут, а где не могут быть или какие скорости они могут или не могут иметь? Это был скандал! Гипотеза объясняла некоторые факты, но ценой подрыва существующих и очень успешных основных принципов, которые объясняли многие другие явления.

Правило Бора для водорода могло быть и было проверено экспериментами. Их успех сделал его скандальную гипотезу достойной доверия.

И Эйнштейн, и Бор очень хорошо понимали, что они делают и чего не делают, выдвигая свои скандальные гипотезы. Они не предлагали последовательную «теорию всего» или даже некий большой синтез в духе небесной механики Ньютона или электромагнетизма Максвелла. Вернее будет сказать, что они, в духе поисков Пифагора, работы Ньютона о свете или Максвелла о восприятии, выявили поразительные совокупности фактов, которым в будущем могло найтись более глубокое объяснение.

Важная часть хорошей научной стратегии – это деление проблемных областей на те, из которых может вырасти большое обобщение, и на те, где более плодотворным будет конъюнктурный подход. Успешная теория чего-то может быть более ценной, чем попытка создания Теории Всего .

Атомы определенного вида – например, атомы водорода – поглощают одни цвета спектрального света более эффективно, чем другие. (Если говорить более обобщенно, они будут поглощать электромагнитные волны некоторых частот гораздо более эффективно, чем другие.) Те же самые атомы, если их «подогреть», будут испускать большую часть своего излучения в тех же самых спектральных цветах. Набор приоритетных цветов различен для атомов различных видов и формирует что-то вроде отпечатков пальцев, по которому мы можем распознать их. Набор приоритетных цветов атома называется его спектром .