Часть первая
Квант

Исаак Ньютон изобрел физику, и на ней покоится вся остальная наука. Хотя Ньютон, конечно, отталкивался от работ других, именно его публикация трех законов движения и теории гравитации свыше трех столетий назад вывела науку на путь, который в конце концов привел к покорению космоса, лазерам, атомной энергии, генной инженерии, пониманию химии и всего остального. На протяжении двух столетий ньютоновская физика (то, что сейчас называют «классической физикой») правила миром науки. Новые революционные идеи продвинули физику в двадцатом веке гораздо дальше Ньютона, однако без тех двух столетий научного роста эти идеи могли бы никогда не появиться. Эта книга не является историей науки: она рассказывает о новой физике – квантовой, а не о тех классических идеях. Однако даже в работе Ньютона трехсотлетней давности уже есть признаки того, что изменения неизбежны: они содержатся не в его трудах о движении планет и их орбитах, а в его исследованиях природы света.

Идеи Ньютона о свете во многом связаны с его идеями о поведении твердых объектов и орбитах планет. Он осознал, что наше повседневное восприятие поведения объектов может быть ошибочным и что объект, или частица, которая свободна от каких-либо внешних воздействий, должна вести себя совершенно иначе, нежели такая же частица, находящаяся на поверхности земли. Так, наш повседневный опыт указывает, что вещи склонны оставаться на одном месте, пока их не толкнешь, а если перестать их толкать, они перестанут двигаться. Тогда почему же тела вроде планет или Луны не останавливаются, двигаясь по орбитам? Что-то подталкивает их? Вовсе нет. Планеты находятся в естественном состоянии, свободные от внешнего воздействия, а взаимодействие происходит с телами на поверхности земли. Если я попробую заставить ручку скользить по столу, моему подталкиванию будет противодействовать сила трения ручки о стол, и именно она заставит ручку остановиться, когда я перестану толкать ее. В этом состоит первый закон Ньютона – каждое тело остается в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью, пока на него не окажет воздействия внешняя сила. Второй закон показывает, насколько велико воздействие силы – подталкивания – на тело. Такая сила изменяет скорость тела, а изменение скорости называется ускорением. Если разделить силу, воздействующую на тело, на его массу, то в результате получится ускорение, придаваемое телу этой силой. Обычно этот второй закон описывают немного по-другому: сила равна массе, умноженной на ускорение. А третий закон Ньютона показывает, как тело реагирует на внешнее воздействие: на каждое действие существует равное по силе и противоположное по направлению противодействие. Если ударить ракеткой по теннисному мячу, то сила воздействия ракетки на теннисный мяч будет в точности равна силе, действующей обратно на ракетку. На ручку, которая лежит на столе, действует сила гравитации, притягивающая ее вниз, но в то же время стол оказывает на нее равное воздействие в противоположном направлении. Сила взрыва, которая выталкивает газы из камеры сгорания ракеты, создает равную и противоположную по направлению силу противодействия, действующую на саму ракету и толкающую ее в противоположном направлении.

Вместе с законом гравитации Ньютона эти законы объяснили вращение планет вокруг Солнца и Луны вокруг Земли. Когда было должным образом учтено трение, они также объяснили поведение тел на поверхности Земли и заложили основы механики. Но они имели и глубокое философское значение. Согласно законам Ньютона поведение частицы может быть в точности предсказано на основании ее взаимодействия с другими частицами и силами, воздействующими на нее. Если бы была возможность узнать положение и скорость каждой частицы во Вселенной, то стало бы возможным с огромной точностью предсказывать будущее каждой частицы, а следовательно, и будущее Вселенной. Означало ли бы это, что Вселенная работает подобно механизму, сконструированному и запущенному Творцом по какому-то абсолютно предсказуемому пути? Классическая механика Ньютона дала серьезную поддержку такому детерминистскому взгляду на природу Вселенной, сформировав картину, где мало места осталось для случайности или свободной воли человека. Неужели мы все просто марионетки, которые движутся по жизни по заранее установленным направлениям, не имея никакого настоящего выбора? Большинство ученых не возражало отдать этот вопрос на откуп философам. Но с полной силой он вернулся в сердце новой физики двадцатого столетия.

Добившись такого успеха в физике частиц, Ньютон, что неудивительно, попытался с помощью частиц объяснить и поведение света. Что ни говори, лучи света с позиции наблюдателя распространяются по прямой, а свет отражается от зеркала очень схожим образом с тем, как мяч отскакивает от твердой стены. Ньютон сконструировал первый зеркальный телескоп, определил белый цвет как наложение всех цветов радуги и сделал многое другое в сфере оптики, но его теории всегда покоились на предположении, что свет представляет собой поток крошечных частиц, которые он называл корпускулами. Лучи света преломляются, проходя границу раздела двух сред, например воздуха и воды или стекла (именно поэтому соломинка в стакане джин-тоника кажется надломленной), и это преломление в точности объясняется корпускулярной теорией, которая предполагает, что корпускулы движутся быстрее в оптически более «плотной» среде. Однако даже во времена Ньютона существовало альтернативное объяснение всего этого.

Рис. 1.1. Параллельно идущие волны воды проходят сквозь маленькое отверстие в препятствии и расходятся кругами от него, не оставляя «тени».

Голландский физик Христиан Гюйгенс родился в 1629 году, на тринадцать лет раньше Ньютона, и был его современником. Он развил идею о том, что свет является не потоком частиц, а волной и распространяется подобно волнам на поверхности моря или озера, однако по невидимой среде, называемой «светоносным эфиром». Как и рябь, создаваемая камнем, брошенным в пруд, световые волны в эфире, по представлениям Гюйгенса, должны распространяться во все стороны от источника. Волновая теория, как и корпускулярная, объясняла отражение и преломление. Однако она утверждала, что волны света должны не ускоряться, а, напротив, замедляться в оптически более плотной среде. Поскольку в XVII веке не существовало способа измерить скорость света, это различие не могло разрешить конфликт между двумя теориями. Однако в одном ключевом аспекте эти два представления давали различие в наблюдениях. Когда свет проходит мимо острого края, он оставляет после себя тень, также имеющую острый край. Именно так должны вести себя потоки частиц, движущихся по прямым линиям. Волна склонна огибать препятствия, или дифрагировать, немного заходя внутрь тени (представьте себе рябь на пруду, огибающую скалу). Триста лет назад это стало наглядным доказательством в пользу корпускулярной теории, а волновая теория хоть и не была забыта, но оказалась отвергнутой. Однако к началу девятнадцатого века статусы двух теорий практически поменялись местами.

Рис. 1.2. Круговые возмущения, подобные тем, что создает камень, брошенный в пруд, распространяются подобно круговым волнам с центром в точке, где они проходят через узкое отверстие (и, разумеется, волны, наталкивающиеся на препятствие, отражаются обратно).

В XVIII веке очень немногие воспринимали волновую теорию света всерьез. Одним из тех, кто не только принимал ее всерьез, но и писал работы в ее поддержку, был швейцарец Леонард Эйлер – ведущий математик своего времени, внесший значительный вклад в развитие геометрии, математического анализа и тригонометрии. Современная математика и физика записываются на языке арифметики при помощи уравнений. Методы, на которых в значительной степени основывается это арифметическое описание, были развиты Эйлером, и в процессе работы над ними он ввел несколько удобных способов записи, дошедших и до наших дней, – число «пи» для отношения длины окружности к ее диаметру, символ ί для квадратного корня из минус единицы (мы встретимся с ним, как и с числом «пи», чуть позже), а также символы, используемые математиками для обозначения операции интегрирования. Забавно, но статья об Эйлере в Британской энциклопедии не упоминает о его взглядах на волновую теорию света, которых, по словам современников, не придерживался «ни один великий физик». Единственным значительным современником Эйлера, который разделял эти взгляды, был Бенджамин Франклин. Однако физикам удавалось легко игнорировать их, пока в начале девятнадцатого столетия англичанином Томасом Юнгом, а чуть позже французом Огюстеном Френелем не были проведены новые важные эксперименты.

Юнг использовал знание того, как волны движутся по поверхности пруда, чтобы разработать эксперимент, позволяющий проверить, ведет ли свет себя таким же образом. Мы все знаем, как выглядит волна воды, однако важно представить себе именно рябь, а не большую волну, чтобы аналогия была верной. Отличительной особенностью волны является то, что она слегка поднимает уровень воды, а затем, уходя, опускает. Высота гребня волны над уровнем невозмущенной водной поверхности является ее амплитудой, и для идеальной волны она равна высоте, на которую уровень воды снижается, когда волна отходит. Волны, идущие друг за другом, подобно тем, что отходят от камня, брошенного в пруд, имеют одинаковые промежутки, называемые длиной волны, которая измеряется как расстояние от одного гребня до другого. От места, в котором камень попал вводу, волны начинают распространяться кругами, тогда как волны на море или рябь от ветра на озере могут двигаться последовательными прямыми линиями, параллельными волнами, одна задругой.

Рис. 1.3. Способность волн огибать углы также означает, что они могут быстро заполнять тень позади препятствия, если только препятствие по размерам значительно не превышает длину волны.

Иными словами, число гребней, проходящих через некоторую фиксированную точку (вроде скалы) в секунду, показывает нам частоту волны. Частота – это число длин волн, проходящих каждую секунду, соответственно, скорость волны, то есть скорость движения каждого гребня, – это произведение длины волны и ее частоты.

Рис. 1.4. Способность света дифрагировать на углах и маленьких отверстиях может быть проверена при помощи одиночной прорези для образования круговой волны и двух прорезей для возникновения интерференции.

Краеугольный эксперимент начинается с параллельно идущих волн, сходных с полосами волн, набегающих на пляж до того, как они обрушиваются. Вы можете представить себе эти волны, вообразив, что они исходят от очень большого объекта, упавшего в воду очень далеко от берега. «Рябь», распространяющаяся расширяющимися кругами, кажется параллельными, или плоскими, волнами, если находиться достаточно далеко от источника волн, поскольку трудно определить кривизну очень большого круга с центром в месте источника возмущений. Легко проверить, что происходит с такими волнами в емкости с водой, когда на их пути помещено препятствие. Если препятствие маленькое, то волны огибают его и оказываются позади из-за дифракции, оставляя очень маленькую «тень». Однако если преграда велика в сравнении с длиной волн, то они лишь слегка огибают ее, оставляя зону невозмущенной воды. Если свет – это волна, то появление теней с резкими углами все же возможно, при условии, что длина волны света гораздо меньше, чем размер объекта, отбрасывающего тень.

Рис. 1.5. Подобно водной ряби, проходящей через отверстие, волны света, распространяющиеся кругами от первой прорези, движутся «друг за другом».

Теперь посмотрим на это с другой стороны. Представим обычную последовательность волн, распространяющихся в емкости с водой и наталкивающихся не на препятствие, окруженное водой, а на сплошную стену на их пути, имеющую в центре промежуток. Если промежуток гораздо больше, чем длина волны, то дальше пройдет лишь та часть волны, которая умещается в него, при этом незначительно расширяясь, однако оставляя большую часть воды по ту сторону преграды невозмущенной – подобно волнам, приходящим к проему в стене бухты. Однако если промежуток в стене очень мал, то отверстие ведет себя как новый источник круговых волн, будто в этом месте в воду бросают гальку. На дальней стороне стены эта круговая волна (или, точнее, полукруговая) распространяется по всей поверхности воды, не оставляя невозмущенной зоны.

Рис. 1.6. Круговые волны, исходящие от каждого из отверстий в экране с двумя прорезями, интерферируют, создавая картину из светлых и темных полос на белом экране обзора. Это ясно доказывает, что в рамках эксперимента свет ведет себя как волна.

Пока все сходится. Теперь мы наконец подбираемся к опыту Юнга. Представим ту же конструкцию с емкостью с водой и параллельными волнами, движущимися к препятствию, но теперь в нем сделано уже две маленькие прорези. Каждая из прорезей ведет себя как новый источник полукруговых волн в области позади препятствия, и поскольку эти две вторичные волны являются производными одной плоской волны с другой стороны препятствия, они движутся согласованно, или в фазе. Теперь мы имеем две серии волн, распространяющихся по воде, и это создает более сложную картину на поверхности. В месте, где обе волны поднимают уровень воды, возникает более выраженный гребень. Там, где одна волна пытается создать гребень, а другая впадину, они нивелируют друг друга и уровень остается неизменным. Эти явления называются конструктивной и деструктивной интерференцией, и их легко наблюдать в грубом приближении, одновременно бросив два камня в воду. Если свет – это волна, то сходный эксперимент должен выявить такую же интерференцию и между световыми волнами. Именно это и открыл Юнг.

Он пустил свет на экран, в котором были проделаны две узкие прорези. Позади этого препятствия свет от двух прорезей расходился и интерферировал. Если аналогия с волнами воды была верна, то по ту сторону препятствия должна была появиться интерференционная картина из чередующихся зон света и темноты, вызванная конструктивной и деструктивной интерференцией волн от каждой прорези. Юнг наблюдал именно это – сменяющие друг друга полосы света и тени на экране, – когда поместил позади прорезей белый экран.

Однако эксперимент Юнга не перевернул научный мир, особенно в Британии. Научное сообщество там практически приравнивало любое несогласие с идеями Ньютона к ереси и отсутствию патриотизма. Ньютон умер только в 1727 году, а в 1705-м, менее чем за сто лет до оглашения Юнгом своих результатов, он стал первым ученым, которого посвятили в рыцари. В Англии не могли так скоро сбросить со счетов легенду, поэтому, возможно, в те годы Наполеоновских войн наилучшим стало то, что именно француз, Огюстен Френель, подхватил эту «непатриотичную» идею и в итоге развил волновое объяснение природы света. Работа Френеля появилась через несколько лет после опыта Юнга и, будучи более полной, дала волновое объяснение практически всех аспектов поведения света. Среди прочего Френель объяснил явление, известное всем нам сегодня, – красивые цветные разводы, которые возникают при попадании света на тонкую масляную пленку. Это происходит опять же из-за интерференции волн. Часть света отражается от поверхности пленки, тогда как другая проникает внутрь и отражается от нижнего слоя. Таким образом получаются два отраженных пучка, которые интерферируют друг с другом. Поскольку каждый цвет соответствует различной длине волны, а белый свет состоит из смеси всех цветов радуги, отражение белого света от масляной пленки создает множество цветов из-за того, что некоторые волны (цвета) интерферируют деструктивно, а некоторые конструктивно – в зависимости от того, где располагается глаз наблюдателя относительно пленки.

К моменту, когда французский физик Леон Фуко, известный благодаря маятнику, носящему его имя, в середине XIX века установил, что, вопреки предсказаниям корпускулярной теории Ньютона, скорость света в воде меньше, чем в воздухе, к этому уже был готов любой заслуживающий внимания ученый. К этому времени «все знали», что свет, чем бы он ни был, представлял собой некоторую форму волнового движения в эфире. Однако все же было не лишним продемонстрировать, что такое «волна» в пучке света. В 1860-х и 1870-х теория света, казалось, наконец была завершена, когда великий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл установил существование волн, связанных с изменением электрического и магнитного полей. Электромагнитное излучение, по предположению Максвелла, имело череду сильных и слабых электрических и магнитных полей, подобно гребням и впадинам на поверхности волн воды. В 1887 году Генрих Герц сумел произвести передачу и прием электромагнитного излучения в форме радиоволн, которые подобны волнам света, однако имеют гораздо большую длину. В конце концов волновая теория света была завершена, но лишь с тем чтобы вновь быть перевернутой великой революцией в научном понимании со времен Ньютона и Галилея. К концу XIX столетия лишь дурак или гений мог считать свет корпускулярным. Таким человеком стал Альберт Эйнштейн, однако, перед тем как мы поймем, почему он сделал этот смелый шаг, нам нужно обратиться глубже к идеям физики XIX столетия.