Вибрирующие заряды излучают свет. При нагревании металла эти крохотные заряды получали больше энергии, и из-за этого вибрировали яростнее, испуская при этом больше света. Учёные понимали, что цвет излучения внутренне связан с колебаниями зарядов, и установить, как именно энергия нагрева заставляет заряды вибрировать, было принципиально важно для их вычислений. Но к несчастью, математика не срабатывала. Учёные могли правильно вычислить количество красного света света с более низкой энергией и большей длиной волны. Однако у голубого света больше энергии, и теоретически его должно быть больше. Те же формулы предсказывали и другое: что должно быть излучение с ещё более высокими энергиями, чем у голубого света: ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-лучи. А опыты этого не подтверждали! «Ультрафиолетовая катастрофа» свидетельствовала о крахе нашего понимания физического мира.
Планк тоже был на грани неудачи. И здесь ему в голову пришло нечто радикальное. Вообще-то это было на него не похоже: он, как написал позже в его некрологе коллега-физик Макс Борн, был человеком консервативным, скептиком, не любившим умозрительных гипотез. Радикализм ему присущ не был. Но он чувствовал, что у него не было выбора[2]. И он заключил, что законы физики, как он их понимал, не в силах решить проблему цвета раскалённого металла.
Гипотеза квантов
Озарение, посетившее Планка, заключалось в том, чтобы рассматривать вибрации зарядов как дискретные разбитые на неделимые порции. Слово «дискретный» может показаться странным, но его смысл легко представить себе, если провести аналогию с деньгами. Представьте, что у вас есть пачка долларовых бумажек. Если попросить вас отсчитать сколько-то денег из этой пачки, это всегда будет только целое число долларов: $0, $1, $2 Имея пачку долларовых банкнот, вы никогда не сможете отсчитать $1.23 если только не начнете рвать бумажки на части, что вряд ли можно считать удачной мыслью!
Планк предположил, что колебания зарядов в нагретом веществе происходят дискретно, и мы считаем их так же, как доллары из пачки, а вибрации на доли этих дискретных единиц запрещены. Такие слова, как «запрещены», возможно, звучат немного странно, когда мы говорим о физических законах и теориях, но мы просто хотим сказать, что Планк записал эти правила на математическом языке, желая посмотреть, что из них следует. Он не знал, почему законы должны быть именно такими.
К его изумлению, оказалось, что новые законы работают! Цвет нагретого металла был в точности таким, как его описывали математические уравнения для планковских колеблющихся зарядов. Проблема заключалась в том, что новый подход шёл вразрез с принятыми представлениями. За 250 лет до этого Ньютон предложил описывать физический мир при помощи дифференциального исчисления, и невероятный успех этого подхода заставил всех учёных укрепиться в одной мысли: мир и всё, что в нём есть, непрерывны. Всё можно разделить на половинки, половинки на четвертинки, и так далее, опять и опять, бесконечно. То, что на этом пути можно прийти к какому-то концу, к пределу, за которым, как предположил Планк, окажутся только неделимые дискретные частицы, было неприемлемым произволом, безобразным искажением идеального мира, в котором, казалось, отражалась математическая красота бесконечного.
Планк был обескуражен и ошеломлён своим открытием. Ему казалось, что он попал в какую-то математическую ловушку и, может быть, если копнёт поглубже, поймёт суть этого трюка, который в действительности всё-таки основывается на устоявшихся физических представлениях, и всё снова придёт в соответствие с научным пониманием законов Вселенной. Но в конце концов и ему, и другим физикам стало ясно, что этого не случится. Изменения энергии в очень малых масштабах действительно физически происходят мельчайшими порциями, или квантами. Работая над проблемой теплового излучения металла, Планк, сам того не зная, сделал первые шаги к тому, что мы сейчас называем квантовой теорией.
Физики разрабатывали идею квантов на протяжении нескольких последующих десятилетий, на каждом этапе этой работы убеждаясь: законы микромира не вписываются в картину Вселенной, где в ежедневной жизни точно выполняются ньютоновские законы сил и движения. Несколько поколений учёных разбирались в законах квантового мира, управляемого математическим аппаратом и теорией вероятностей, доступными только посвящённым. Возможно, именно абстрактностью концепций квантовой теории отчасти объяснялось ее неохотное признание. Однако как только начали одно за другим появляться построенные на новой физике экспериментальные открытия, научное сообщество быстро откликнулось на них. Без квантовой физики мы, возможно, и обеспечили бы мир электричеством, полученным от сжигания угля, но с нею мы обладаем леденящей кровь способностью этот мир уничтожить. Квантовая физика даёт нам описание природы, на котором построена вся современная техника.
Всегда считалось, что события нашего мира, квантового или нет, разыгрываются на подмостках пространства, а темп их измеряется течением универсального всемирного времени. Но оказалось, что и эти краеугольные идеи подверглись революционным преобразованиям.
Кто пролил свет на пространство и время
Во времена рождения квантовой механики был ещё один учёный, глубоко проникший в природу света и материи. В конечном счёте он пришёл к противостоянию с начинавшим устанавливаться всеобщим признанием абстрактной природы квантового мира. Сыграв одну из главных ролей в развитии квантовой физики, все свои последние годы он спорил с её основателями. Однако в нашей истории он упомянут не поэтому, а потому, что первым обратил свой взор к небу и произвёл революцию в нашем понимании Вселенной. Имя этого учёного Альберт Эйнштейн.
Как и Планк, Эйнштейн задумывался о фундаментальных основах Вселенной. Но он размышлял не об атомах и свете, которые заполняют её, а о пространстве и времени, в которых она существует. По мнению его предшественников, пространство и время остаются жесткими и неизменяемыми сущностями сценой, на которой в согласии с универсальными законами движения разворачивается игра физических взаимодействий. Идеи Эйнштейна изменили эту картину. В его рассуждениях огромную роль сыграла прославившая его техника мысленного эксперимента Gedankenexperiment. К 1905 году, который стал для Эйнштейна «годом чудес», его мысленные эксперименты сосредоточились на вопросах движения частиц света и восприятии этого движения различными наблюдателями[3].
Задолго до того, ещё в XVI веке, Галилей продемонстрировал относительность движения. Не существует эксперимента, который помог бы вам понять, сидите вы в кресле у себя дома или на корабле, идеально плавно скользящем по морской глади, если вы наблюдаете за броском мяча или полётом мухи. Наблюдающий за вами человек, находящийся относительно вас в движении, конечно, заметил бы это различие. Однако этому человеку не легче, нежели вам: он не может сказать, кто из вас двоих на самом деле движется! Если вам когда-нибудь при взгляде в зеркало заднего вида вашей машины казалось, что вы приближаетесь к автомобилю, догоняющему (на самом деле) вас, вы знаете, что такое относительность движения. Для Галилея относительным было любое движение абсолютного покоя не существовало. Но Галилей ничего не знал о природе света. Ему, конечно, и в голову не могло бы прийти, что это знание так сильно изменит наше представление о движении.