Грег Иган - Вечное Пламя

Безо всяких церемоний Ассунто приступил к делу.

– Эксперименты с помутнением, проведенные Карлой и ее командой, убедительно доказали, что светороды твердого тела могут занимать лишь строго определенные энергетические уровни. Возможное объяснение этих уровней основано на представлении светорода не в виде частицы, занимающей определенное положение в каждый конкретный момент времени, а в виде стоячей волны, охватывающей всю ширину соответствующей энергетической ямы.

– С другой стороны, когда те же самые светороды покидают твердое тело и оказываются на свободе, их поведение в процессе рассеяния света указывает не только на то, что они действительно являются частицами, но и что рассеиваемый ими свет также состоит из частиц, примерно втрое превышающих светороды по своей массе.

– И все же свет, вне всякого сомнения, является волной. Джорджо и Нерео показали нам, как измерить его частоту, используя интерференционную картину, возникающую при прохождении света через несколько щелей. Хотя Карла и Патриция никогда не ставили своей целью опровержение этой идеи, они, тем не менее, просят нас согласиться с тем, что подобная волна всегда сопровождается надлежащей свитой частиц – которые не столько движутся вместе с волной под действием какой-либо поддающейся объяснению силы, сколько связаны с ней некой аксиомой – слишком сильной и туманной, чтобы уступить любым дальнейшим попыткам осмысления или научного изыскания.

Карла старалась сдерживать свой гнев; говоря по правде, это момент был самым слабым звеном их теории. Но сколько бы сарказма ни выливалось на эту странную гибридную онтологию, факт оставался фактом: дискретная природа света была настолько же очевидна, что и его волновые свойства.

– Как же нам поступить? – продолжал Ассунто. – Я предлагаю решение, основанное на успешном применении принципа Патриции. В соответствии с этим принципом уравнение, описывающее частицу, запертую в потенциальной яме, преобразуется в уравнение стоячей волны в той же самой яме. Такая волна может принимать лишь строго определенные формы, каждая из которых обладает характерным значением энергии.

– Но если наши представления о механике простой частицы требуют столь нового и радикального подхода, разве не следует нам проявить последовательность в его применении? Предположим, что мы можем идентифицировать другую систему , внешне подчиняющуюся тем же самым уравнениям, которые, как считалось ранее, адекватно описывают движение частицы в потенциальной яме. Разве не следует применить тот же самый подход и к ней?

Карла не представляла, какой пример он имел в виду, но по первому впечатлению идея звучала вполне здраво.

– Представим себе монохроматическую световую волну, движущуюся в конкретном направлении и обладающую определенной поляризацией. В реальном мире мы никогда не встречаемся с настолько простыми явлениями – однако настоящие волны, движение которых мы действительно наблюдаем в вакууме, всегда можно представить в виде суммы таких идеализированных волн.

– Поскольку такая волна обладает единственной частотой, всю информацию о ее изменении во времени мы можем почерпнуть из одного измерения величины, или амплитуды, светового поля в выбранной точке пространства. Данная амплитуда ведет себя довольно просто – она осциллирует с частотой, равной частоте всей волны.

– Вам это ничего не напоминает? Например… частицу, которая катается туда-сюда в своей потенциальной яме?

Ассунто сделал паузу, как бы ожидая возражений, но в зале по-прежнему царила тишина. Карла хотела опередить его – завершить аналогию, осознать ее последствия и найти какой-нибудь фатальный изъян, ускользнувший от его внимания – но ее охватил ступор, и возможность была упущена.

– Аналогию можно выразить точно, – заявил Ассунто. – Амплитуда нашей идеальной световой волны соответствует расстоянию между частицей и центром одномерной параболической потенциальной ямы с бесконечно высокими стенками. Энергию световой волны можно разделить на две части – первая аналогична потенциальной энергии частицы, связанной исключительно с ее положением внутри ямы, а вторая является аналогом кинетической, зависящей только от скорости ее движения.

– Карла со своей командой уже показала нам, что произойдет, если применить принцип Патриции к частице, запертой в потенциальной яме твердого тела. Наша система по сути даже проще, так как потенциальные ямы в твердых телах являются трехмерными и по форме отличаются от идеальных парабол. В более простом варианте те же самые расчеты дают бесконечную последовательность энергетических уровней, отделенных друг от друга одним и тем же интервалом.

– От чего зависит расстояние между соседними уровнями? В твердых телах оно определяется естественной частотой колебаний, совершаемых частицей в потенциальной яме – то есть в нашем случае зависит от частоты, с которой осциллирует амплитуда светового поля. Другими словами, энергия световой волны должна принадлежать некоторому дискретном множеству, а величина интервала между двумя соседними уровнями будет равна частоте света, умноженной на постоянную Патриции.

Карла в точности знала, к чему сейчас ведет Ассунто – и что именно означало уничижительное название его доклада.

– Однако этот интервал в точности совпадает с энергией, приписываемой каждому из фотонов , связанных с данной световой волной! – объявил он. Поэтому тот факт, что энергия волны может изменяться лишь дискретными шагами, больше не требует существования особых фиктивных частиц, которые повсюду следуют за волной, как зудни, увлекаемые дуновением ветра.

Ассунто изобразил у себя на груди два схематичных примера.

– Есть ли на этом рисунке частицы света? – задумчиво произнес он. – Нет, если под «частицей света» понимать нечто вроде крошечной песчинки. Количество фотонов, сопровождающих каждую световую волну, по сути представляет собой всего лишь обозначение ее энергетического уровня, который определяется числом шагов, отделяющих его от уровня с минимальной энергией. Это не количество каких-то предметов, которые можно было бы взять в руки.

– На самом нижнем уровне, с нулевым числом фотонов, энергия нулю не равна, – возразила Карла. – Это…

– Странно? – подсказал Ассунто. – Я согласен. Но то же самое верно и в отношении ваших светородов в твердых телах: они не могут неподвижно лежать на дне своих потенциальных ям.

– Да, но в этих ямах, по крайней мере, хоть что-то есть, – сказала в ответ Карла. – Вы утверждаете, что пустое пространство само по себе обладает энергией – и вклад в нее вносит каждая из возможных мод светового поля! – Каждая частота, каждое направление, каждая поляризация, которыми могла бы обладать произвольная световая волна, оставили бы в вакууме свой след – и наличия самих волн при этом не требовалось.