Давайте проведем небольшой эксперимент. Пока будете читать эту статью, поставьте перед собой чашку горячего кофе. Вы ведь любите кофе? Его аромат и вкус. Но даже если вы заткнете нос и рот, то все равно сможете определить, что перед вами стоит чашка с кофе, не так ли? Естественно, вы ведь ее видите. А почему вы ее видите? Потому что свет от Солнца (или люстры) отражается от нее и попадает в ваши глаза.
А сейчас поднесите руку поближе к чашке – чувствуете свет, который от нее исходит? Чувствуете, но не видите. Этот свет называется тепло, и оно просто не видно человеческому глазу. Мы можем видеть лишь тот свет, что имеет длину волны больше, чем синий, и меньше, чем красный. А тепло от чашки – это инфракрасный свет, длина волны которого выше, чем у красного. Пусть его и не видно, но оно есть, и это тоже свет.
Пока вы сидите и пытаетесь осознать тот факт, что тепло – это свет, ваш кофе медленно остывает. В конце концов вы перестанете чувствовать тепло, исходящее от него. Но почему? Почему горячая чашка излучает излучение (простите за тавтологию), а холодная – нет? Кто вообще решает, когда излучению быть?
Что в черном ящике?
Это была одна из самых обсуждаемых тем среди ученых девятнадцатого столетия. В то время многие из них внимательно изучали потенциальное излучение, названное излучением абсолютно черного тела. Название взято от экспериментального устройства, использовавшегося в исследованиях. Это была коробка, выкрашенная в черный изнутри с одним небольшим отверстием для наблюдения.
Куда более корректно в наше время будет называть это «тепловым» излучением. Его испускает… все вокруг. Любой объект, собранный из атомов, пляшущих под музыку законов квантовой физики, испускает тепло, включая вас. Да, это значит, что оно исходит не только от горячей чашки, но и от холодной.
С помощью устройства абсолютно черного тела ученые смогли сделать несколько важных для физики открытий. Первое – чем температура объекта выше, тем больше света от него исходит (теперь вы понимаете, как работают тепловизоры). Второе – при повышении температуры растет не только количество, но и мощность испускаемого света. Холодная (и даже горячая) чашка кофе способна испускать лишь инфракрасный свет, который не виден человеческому глазу. Но если увеличить температуру, например, до поверхности Солнца, то такой объект начнет светиться уже в видимом для нас спектре. Более того, самые «горячие штучки» во Вселенной могут испускать даже ультрафиолетовые и рентгеновские лучи.
Но как они вообще это делают?
Одна очень плохая идея
Даже после совершения всех этих открытий перед физиками осталась одна нерешенная проблема – как температура влияет на то, какое конкретно излучение будет исходить от объекта? Модель атома, существовавшая в то время, предполагала, что все длины волн света используют равное количество энергии, что, конечно же, было неверным.
Если бы эта модель была права, то ваш кофе осыпал бы вас рентгеновскими лучами всякий раз, когда вы брали бы его в руку. Не самый радужный исход, но другой ответ никто в то время предложить не мог.
И вот наконец приблизился двадцатый век. В игру вступил перспективный физик-теоретик Макс Планк и… тоже ничего не придумал. Нет, у него совсем не было какого-то невероятного предположения, способного перевернуть все с ног на голову. Вместо этого у него была лишь плохая, нет, скорее, очень глупая идея. Позже физик сам признал, что, занимаясь решением этой задачи уже очень долгое время, он просто устал и хотел найти уже хоть что-нибудь. Поэтому придумал… костыль… заплатку… затычку… хак, объясняющий излучение черного тела.
Это на самом деле было ничто иное как попытка заткнуть зияющую дыру в вычислениях хоть чем-нибудь. Планк решил просто ввести константу, неизменяемое число, которое объясняло, как энергия внутри абсолютно черного тела преобразуется в излучение.
Благодаря этому числу Планк выяснял, сколько энергии требуется на определенное количество излучаемого света. Это уже означало, что объект не может излучать столько света, сколько захочет, так как количество энергии на все длины волн было ограничено. Более того, объект не способен испускать то излучение, что превышает количество доступной ему энергии. То есть чашка кофе не может наслать на вас рентгеновские лучи, так как они «стоят слишком дорого». Зато может излучать инфракрасный свет, на который требуется куда меньше энергии. Постоянная Планка стала именно тем связующим звеном, которого так не хватало ученым. Она связывала то, какой свет вы хотите излучать с тем, сколько энергии вам для этого потребуется.
Оставаться постоянной
Помимо этого великолепного эффекта, постоянная Планка могла похвастаться еще одним – она говорила, что свет не может излучаться непрерывно, а делает это с помощью конкретных небольших порций. Эти порции сегодня известны вам как фотоны.
Благодаря порциям можно было вычислить минимальное количество света, которое способен испускать конкретный объект. То есть он не может пустить 0,5 фотона или 53,2 фотона, потому что их количество всегда должно быть целым.
Этот костыль с постоянной величиной полностью нивелировал проблему абсолютно черного тела. Он сказал, что горячий объект обладает конечным количеством энергии, доступной для создания излучения. Поэтому, может ваша кружка кофе и хотела бы сделать рентгеновский снимок вашей левой ноги, но этот снимок стоит больше энергии, чем у нее есть. Поэтому ей приходится довольствоваться более «дешевым» инфракрасным излучением.
Впервые эту идею Планк представил в своей статье 1900 года, а затем ее подхватил сам Альберт Эйнштейн. Далее идея, которая изначально казалась глупой даже самому создателю, начала развиваться и расти. Ученые стали задумываться над тем, что, возможно, излучение – это не просто энергия, высвобождаемая определенными порциями. Возможно, это нечто куда более сложное. Возможно, сама реальность более сложная где-то там, на фундаментальном, субатомном… квантовом уровне.
Именно это предположение и положило начало тому, что сегодня мы называем квантовой механикой. Как в итоге оказалось, законы физики на таком микроуровне не особо похожи на те, что мы наблюдаем в своем макромире. И за это открытие мы должны благодарить Макса Планка и его глупую идею.
