Текст книги "Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц"

Радиоактивность – это естественный процесс. Она воплощает идею о том, что все в нашей жизни, даже сама материя, находится в постоянном изменении. В некоторых случаях это изменение происходит мучительно медленно, поэтому мы называем некоторые атомы «стабильными», что означает, что мы еще не видели, как они распадаются, поскольку их периоды полураспада намного больше возраста Вселенной. Но другие атомы решительно нестабильны. Их период полураспада – от миллиардов лет до дней или минут, и по этой причине они гораздо более интересны – и часто полезны – для нас.

Эти радиоактивные элементы естественным образом содержатся в горных породах, в воздухе, почти везде. Гранит вашей кухонной столешницы может содержать уран, торий и продукты их радиоактивного распада. Некоторые элементы, такие как калий (химический символ K), имеют как стабильные, так и нестабильные изотопы и различаются по атомной массе, поскольку их ядра имеют разное число нейтронов, которое может быть больше или меньше числа протонов. Изотопы одного и того же элемента могут обладать различными радиоактивными свойствами. Например, большая часть калия представляет собой стабильный изотоп К-39, но 0,0012 % приходится на изотоп К-40, который содержит один дополнительный нейтрон, испускающий в основном бета-излучение (электроны) с периодом полураспада 1,3 миллиарда лет. Это означает, что даже бананы, технически, радиоактивны. Однако доза облучения мизерна, и вам пришлось бы съесть 5 миллионов бананов за один присест, чтобы почувствовать ее вредные последствия. Наши собственные тела тоже неизбежно содержат эти изотопы. Мы все радиоактивны.

Сегодня мы полагаемся на природные радиоактивные элементы во многих технологиях, от датчиков дыма (где америций, источник альфа-частиц, создает небольшой ток, который отключается при появлении дыма) до радиоактивных источников, опускаемых в глубокие скважины и используемых для определения состава окружающей породы. Этот метод, известный как каротаж скважин, стимулирует гамма-излучение элементов в породе и позволяет с минимальными затратами оценить, есть ли нефть, газ или иные ценные продукты глубоко под землей. Другие радиоактивные источники уже много лет используются для лечения рака и стерилизации почты, особенно после того, как в 2001 году были предприняты попытки отравить письма сибирской язвой, – теперь правительственная почта США стерилизуется с помощью радиации[47]47
  Агентство по охране окружающей среды США. Облучение почты. Доступно по адресу https://www.epa.gov/radtown/mail-irradiation. Дата обращения: 29 марта 2021 года.


[Закрыть].

Использование естественной радиоактивности в других сферах жизни общества – неотъемлемая часть нашего мира, и легко забыть, что ее не существовало до открытий Резерфорда, Содди, Брукс, Гейгера и Марсдена. Чтобы убедиться в этом, достаточно заглянуть в Манчестерский музей, расположенный всего в нескольких шагах от старой лаборатории Резерфорда. В нем нет никакого старого физического оборудования, но представлено много окаменелостей (в том числе огромный скелет тираннозавра по имени Стэн). Репродукция огромной корневой системы дерева из верхнего каменноугольного периода с табличкой, указывающей, что дереву 290–323 миллиона лет. Плезиозавр, который был найден в Северном Йоркшире группой студентов университета, – его окаменелые кости возрастом 180 миллионов лет выставлены в огромном стеклянном ящике. Легко предположить, что у нас всегда были методы определения возраста окаменелостей, горных пород и древних артефактов, но, как мы помним по разговору Резерфорда с геологом профессором Адамсом, это не так. Основная причина, по которой мы объективно знаем возраст практически любого исторического объекта, заключается в наших знаниях о радиоактивности.

После открытия Резерфордом ядра атома физикам потребовалось время, чтобы понять ядерную физику и то, почему периоды полураспада разных атомов различаются. В то же время открытие многих нестабильных атомов с различными периодами полураспада в природе дало нам широкий спектр инструментов и методов, позволяющих датировать не только окаменелости, но и практически все, что угодно. Невозможно перечислить все, о чем мы знаем благодаря радиометрическому датированию, но давайте рассмотрим несколько примеров.

Мы знаем, что Туринская плащаница – средневековая подделка[48]48
  П. Э. Деймон и др. Радиоуглеродное датирование Туринской плащаницы (Radiocarbon dating the Shroud of Turin). Nature. V. 337, 1989, pp. 611–615. https://doi.org/10.1038/337611a0.


[Закрыть], и можем датировать свитки Мертвого моря. Мы знаем, что Homo sapiens мигрировали из Африки не единожды, а в течение нескольких периодов[49]49
  Кристофер Бай, К. Дука и М. Петралья. On the origin of modern humans: Asian perspectives. Science. V. 358, p. 6368, 2017. https://www. science.org/doi/10.1126/science.aai9067.


[Закрыть], и мы знаем, как они распространились по всему земному шару, потому что можем датировать человеческие останки – например, останки возрастом 14 300 лет, найденные в пещере в Орегоне[50]50
  Сара Зелински. Showing their age: Dating the fossils and artifacts that mark the great human migration. Smithsonian Magazine, июль 2008 года. Доступно по адресу https://www.smithsonianmag.com/ history/showing-their-age-62874. Дата обращения: 29 марта 2021 года.


[Закрыть]. В археологии мы можем не только локально установить временную шкалу для объектов, но и сравнить их в разных странах и даже на разных континентах, чтобы восстановить доисторическую эпоху нашего мира. Мы можем определить возраст льда в 1,5 миллиона лет[51]51
  К. Буйзерт и др. Radiometric 81Kr dating identifies 120,000-yearold ice at Taylor Glacier, Antarctica. Proceedings of the National Academy of Sciences. V. 111, 2014, pp. 6876–6881. https://doi.org/10.1073/ pnas.1320329111.


[Закрыть], чтобы понять древний климат по ледяным кернам. Благодаря радиометрическому датированию мы знаем, когда динозавры бродили по Земле, и знаем дату падения астероида, который уничтожил их 65 миллионов лет назад[52]52
  Астероидная гипотеза была первоначально выдвинута физиком Луисом Альваресом (см. главу 8) и его сыном. С тех пор ведутся споры, было ли то извержение вулкана, а не астероид, но в 2020 году моделирование каждого сценария выдвинуло теорию с астероидом как наиболее вероятную. См. Кьяренца и др. Asteroid impact and not volcanism caused the end-Cretaceous dinosaur extinction event. Proceedings of the National Academy of Sciences. V. 117, 2020, p. 17. https://doi.org/10.1073/pnas.2006087117.


[Закрыть]. Углубляясь в прошлое, мы можем идентифицировать первые свидетельства окаменелостей, которые могли быть животными, – разновидность древней морской губки, найденной в породах возрастом 665 миллионов лет в формации Трезона на юге Австралии[53]53
  Адам С. Малуф и др. Possible animal-body fossils in pre-Marinoan limestones from South Australia. Nature Geoscience, № 3, 2010, pp. 653–659. https://doi.org/10.1038%2Fngeo934.


[Закрыть].

Это знание составляет огромную часть культурного и исторического контекста нашей жизни и нашего вида. Мы можем точно сопоставить все эти истории не только потому, что способны сравнивать слои горных пород и скелеты друг с другом, но и потому, что атомы самопроизвольно распадаются на другие атомы. Потому, что Резерфорд, его команда и другие ученые после него разработали и усовершенствовали эти методы. Стремление понять мельчайшие объекты в природе в то время могло показаться незначительным разделом физики, но оно стало основой для нашего понимания культуры, искусства, геологии и нашего места в мировой истории.

И опять причина тому – простые эксперименты нескольких ученых, которые привели к новым знаниям: в основе самой материи лежит крошечное ядро. Это открытие также породило множество вопросов, которые были важны для дальнейшего рассмотрения. Как удерживается ядро? Как электроны остаются в атоме? Первые ответы на эти вопросы пришли из начала квантовой механики, рожденной в результате экспериментов, направленных на изучение природы света и его взаимодействия с материей. Со временем физика превратилась в область все возрастающей сложности, и простые эксперименты, которые так любил Резерфорд, уже не могли раскрыть секреты атома. Даже радиоактивные вещества, обнаруженные в природе, не казались достаточно мощными или гибкими и в конечном итоге стали ограничением, а не инструментом открытия.

Технологический и теоретический прогресс начал идти рука об руку с экспериментами. Физики стали устанавливать удивительные связи между, казалось бы, несопоставимыми аспектами природы. Теперь наша история подводит нас к первому из этих сюрпризов, когда взаимодействие между светом и материей привело физиков к принятию поразительно нового взгляда на наш мир на его самом фундаментальном уровне.

Глава 3
Фотоэлектрический эффект: квант света

Что такое свет? Споры о природе света ведутся с XVII века. Сначала предполагалось, что свет подобен частице[54]54
  В то время использовалось слово «корпускула», что делало Ньютона сторонником «корпускуляризма».


[Закрыть], объекту, движущемуся на скорости через гипотетический эфир по прямой линии, – идея, отстаиваемая Исааком Ньютоном. Другой точки зрения придерживался голландский физик Христиан Гюйгенс, крупная фигура научной революции, который открыл спутник Сатурна Титан, а затем предложил математическую основу волновой теории света в своем «Трактате о свете» 1690 года. Гюйгенс утверждал, что свет – это волна, вибрациями прокладывающая свой путь через эфир (которого, как выяснилось позже, не существует[55]55
  Идея эфира сохранялась до XIX века, пока в 1887 году опыт Майкельсона – Морли не показал, что светоносного эфира не существует, что в достаточной мере смутило физиков. В дальнейшем отказ от идеи эфира помог принять специальную теорию относительности Эйнштейна.


[Закрыть]). Хотя из-за большого авторитета Ньютона теория частиц долгое время преобладала, но, как всегда, эксперименты расставили все по своим местам: на первое место вышла волновая теория.

Главный эксперимент, который разрешил дебаты в пользу волновой теории, был впервые проведен Томасом Юнгом в Англии в 1801 году. Современную версию этого эксперимента достаточно легко воссоздать, и большинство студентов-физиков пытаются это сделать. Он начинается с лазерной указки, направленной на черную металлическую пластину с двумя крошечными прорезями-щелями в ней. Это и дало эксперименту его название – «двухщелевой опыт». За двумя прорезями находится проекционный экран. Вопрос: что мы увидим на экране? Наша интуиция воспроизводит аналогичный опыт. Представьте себе забор в лучах солнца, в заборе недостает двух планок: он блокирует солнечный свет и отбрасывает тень на тротуар, но в промежутках, где отсутствуют планки, появляются два ярких пятна. Большинство подумает, что лазерный луч создаст две ярко-красные линии света на экране, причем двойная щель будет эквивалентом недостающих планок и остальная часть экрана будет в тени. Мы этого ожидаем, но происходит совсем иное. На экране появляется набор интерференционных полос: полосы светлых и темных пятен, растекающиеся по ширине экрана[56]56
  Дифракция происходит и в ситуации с забором, но ее незначительный эффект с лихвой компенсирует свет, проходящий через отверстия. Этот эффект заметен тогда, когда размер «щели» сопоставим с длиной волны света, которая составляет всего несколько сотен нанометров.


[Закрыть].

Эта интерференция – уникальное свойство волн. Например, мы можем воссоздать похожую модель с волнами воды. Если вы направитесь к тихому пруду с двумя надувными мячами, будете держать по одному мячу в каждой руке на расстоянии примерно метра друг от друга и синхронно чеканить мячики, создавая две волны, то вы будете наблюдать похожую ситуацию[57]57
  Но если у вас нет времени – или ваш пруд замерз, – вы можете понаблюдать этот эффект онлайн – например, эту версию от Veritasium. Доступно по адресу https://www.youtube.com/ watch?v=Iuv6hY6zsd0.


[Закрыть]. Там, где пики двух волн встречаются друг с другом, они вызывают «конструктивную» интерференцию; в противном случае, когда перекрываются пики и впадины, происходит «деструктивная» интерференция, и волны ослабляют друг друга. В результате получается красивый веерообразный узор, образованный чередующимися волнами и участками неподвижной воды, который распространяется от вас по всему пруду.

Интерференционные эффекты света проявляются и в нашей повседневной жизни, но куда менее заметно. Эти эффекты придают особые цвета мыльным пузырям, крыльям бабочки или «рисуют» радуги, которые вы видите, глядя на обратную сторону компакт-диска. Интерференция в этих ситуациях выглядит немного сложнее, потому что в них участвует белый свет (состоящий из множества цветов, в отличие от одноцветной лазерной указки), а интерференционные картины зависят от цвета, поэтому в этих сценариях вместо ярких и темных пятен получаются красочные узоры.

Двухщелевой опыт Юнга показывает эту интерференцию в действии: в некоторых местах экрана свет, добавленный к свету, дает еще более яркий свет, а в других местах свет, добавленный к свету, дает темноту. Измеряя расстояние между яркими пятнами на экране и зная длину волны света от лазерной указки, мы можем использовать волновую теорию света, чтобы предсказать, что мы увидим. И когда ученые XIX века добавили к этим знаниям доказательствам того, что свет может рассеиваться, преломляться, и интерферировать, а все это свойства волн, а не частиц, спор был исчерпан: свет – это волна.

Примерно в XIX веке классическая волновая теория света развивалась все больше, предсказывая все известное поведение света, наблюдаемое в лаборатории. Основываясь на нем, мы смогли создать и понять микроскопы и телескопы, зеркала и линзы. Мы смогли объяснить, как работает радуга, почему небо голубое и многие другие явления. Классическая теория продолжала удерживать позиции даже после того, как шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл связал ее со своей теорией электромагнетизма, которая дала нам превосходное определение природы световых волн. Для большей точности мы можем сказать, что свет – это электромагнитная волна, движущаяся со скоростью почти 300 млн метров в секунду, обозначаемой буквой c. Волна имеет колеблющуюся электрическую составляющую и магнитную составляющую, постоянно меняющиеся местами. К 1900 году природа света уже не вызывала сомнений.

Затем серия экспериментов начала серьезно ставить под сомнение волновую теорию. Они показали, что свет не всегда действует как волна – иногда казалось, что свет действует как частица. Классическая теория столкнулась с трудностями, когда ученые начали задаваться вопросом, как волновая теория взаимодействует с другими разделами физики. На первый план вышло то, что ранее замалчивалось. Почему свет и материю следует рассматривать как отличающиеся друг от друга? Что заставляет свет действовать одним образом, а материю – другим? Пока физики размышляли над этими вопросами, появилась радикальная идея о том, что и свет, и материя – не совсем то, чем мы их считали. Это ознаменовало начало революции в физике и начало своеобразных, но замечательных теорий квантовой механики.

Давайте подведем итоги того, куда привело нас наше путешествие с момента обнаружения X-излучения в лаборатории Рентгена в 1896 году. Эксперимент с электронами и золотой фольгой доказал физикам, что атомы – не самые маленькие объекты в природе, поскольку внутри атомов находятся крошечные электроны, несущие отрицательный электрический заряд. Атомы оказались не такими стабильными вечными сущностями, какими их хотели видеть химики: физика показала, что атомы могут изменяться, превращаясь в различные элементы путем радиоактивного излучения, многократно изменяя форму, пока не достигнут точки стабильности. Атомы больше не были твердыми сферами материи: оказалось, что они состоят в основном из пустого пространства. Все эти знания предвещали следующие крупные открытия, которые изменили физику почти до неузнаваемости. Мы даже по-другому называем физику, появившуюся на рубеже ХХ века. Мы называем ее современной физикой – в противоположность классической физике, как будто все, что было до теорий этой эпохи, было несколько обычным.

Основа проблемы была заложена в 1887 году, когда Генрих Герц превзошел свое более раннее открытие электромагнитных волн, случайно обнаружив, что свет может создавать искры. Точнее говоря, он обнаружил, что если направить ультрафиолетовый свет на металлическую поверхность, то выбрасываются электроны. Эта связь между светом и электричеством называется фотоэлектрическим эффектом и стала популярной темой исследований[58]58
  В то время они описывали эффект в терминах электрического заряда, поскольку электроны пока не были открыты.


[Закрыть] многих физиков, в том числе Вильгельма Халльвакса и Филиппа Ленарда в Германии, Аугусто Риги в Италии, Джей Джей Томсона в Англии и Александра Столетова в России – все пытались понять принцип его действия.

Свет, согласно волновой теории, несет определенное количество энергии, пропорциональное квадрату его амплитуды (размеру волны или яркости света). Физики, изучающие фотоэлектрический эффект, подозревали, что в металле электроны связаны в атомах, поэтому электрону нужно получить немного энергии, чтобы вылететь из атома. Преодолев этот начальный энергетический барьер, все большее и большее количество света должно передавать электрону все больше и больше энергии, пока он не вылетит с энергией, соответствующей поглощенной энергии света (минус энергия, необходимая для того, чтобы электрон покинул металл). Исходя из этого, можно сделать три прогноза. Во-первых, более яркий свет должен привести к тому, что электроны будут двигаться быстрее. Ученые рассудили, что чем сильнее свет, падающий на металл, тем больше энергии будет у электрона и, следовательно, тем быстрее он покинет металл. Это казалось разумным. Во-вторых, если свет достаточно тусклый, потребуется больше времени на накопление энергии, необходимой для того, чтобы электрон покинул металл, после чего электрон будет двигаться с низкой скоростью. И в-третьих, поскольку электроны должны перемещаться и поглощать энергию, чтобы вырваться, температура металла должна влиять на результат.

В 1902 году Филипп Ленард, физик венгерского происхождения, работавший в Германии[59]59
  Ленард получил Нобелевскую премию в 1905 году за свой вклад в изучение фотоэлектрического эффекта. Он был открытым антисемитом и назвал работу Эйнштейна по теории относительности «еврейским мошенничеством». Позже он возглавил движение «арийской физики» при Гитлере.


[Закрыть], обнаружил, что с самым первым предсказанием есть проблема: он не видел корреляции между скоростью выбрасываемых электронов и интенсивностью света. Ленард даже выдвинул гипотезу о том, что вся идея ошибочна: световая энергия не преобразуется в энергии электронов в фотоэлектрическом эффекте вообще, и вместо этого свет был просто триггером, инициирующим атомы высвобождать электроны[60]60
  Б. Р. Уитон. Philipp Lenard and the Photoelectric Effect, 1889–1911. Historical Studies in the Physical Sciences. V. 9, 1978, pp. 299–322.


[Закрыть]. Эта гипотеза с «триггером» казалась маловероятной, но другого убедительного объяснения не было.

На другом конце света другой физик-экспериментатор пытался поспевать за наукой. Роберт Милликен, ассистент профессора Чикагского университета, был полон решимости оставить свой след в физике, но испытывал трудности из-за нехватки оборудования и того факта, что никого в его лаборатории не интересовало то, что он делал.

Милликен впервые обнаружил свою любовь к физике после того, как его учитель греческого языка в Оберлинском колледже в Огайо попросил его прочесть курс по этому предмету. Несмотря на то что у него не было никаких предварительных знаний, он взялся летом за самостоятельное изучение физики, решая все задачи, которые только попадались ему в учебниках. Он получил докторскую степень в Колумбийском университете, а затем провел год в Германии, прежде чем занять должность в Чикагском университете. Милликен был хорошо известен своим невероятно строгим графиком: он работал по 12 часов в день: 6 часов преподавал и 6 часов занимался исследованиями.

По счастливой случайности, время, которое он провел в Германии, пришлось на 1895–1986 год, когда были открыты рентгеновские лучи и радиоактивность: это помогло Милликену сформировать новые идеи для своих исследований. Но в Чикаго, несмотря на напряженный график и неувядающий оптимизм, он остро ощущал отсутствие прогресса в исследованиях из-за своей изолированности. Милликен знал, что в Германии Ленард добьется результатов в окружении других экспертов, в то время как он работал почти полностью независимо.

Как и все лаборатории того времени, его лаборатория сильно отличалась от современных. В конце концов, это было начало 1900-х годов: электрическое освещение было новым и не очень эффективным, поэтому лаборатория больше походила на унылую фабрику, чем на яркие белые помещения сегодняшнего дня. Большинство домов в районе Чикаго все еще освещались газовыми лампами или свечами, так как электричество у них появится только через 20 лет. Компьютеров, конечно, не было. Все расчеты делались с использованием логарифмической линейки, карандаша и бумаги, а оборудование изготавливалось собственными силами, поскольку у Милликена не было коллег, к помощи которых он мог бы прибегнуть. Чтобы решиться на экспериментальное исследование, нужна большая самоотдача, и Милликен таковой обладал.

Все, что ему было нужно, – хорошая проблема, над которой можно поработать. И чтобы ее найти, он принялся читать все последние исследовательские работы – что было полезно также и потому, что он отвечал за организацию еженедельных семинаров для своей кафедры. Чтобы оживить одну из дискуссий, однажды он принес и представил исследовательскую работу, которая произвела на него большое впечатление и с которой мы уже знакомы: статью Дж. Дж. Томсона 1897 года об открытии электрона. Милликен был настолько вдохновлен работой Томсона, что решил работать над этой темой. Он хотел изучить электрический разряд в высоком вакууме, но в его лаборатории не было вакуумных насосов, которые справились бы с этой задачей.

В те времена вакуумные насосы были в основном ртутными: сложные, но изящные конструкции из соединенных между собой стеклянных трубок и колб, изготовленных вручную стеклодувами. Жидкая ртуть должна была проталкиваться по трубкам и по мере прохождения удалять несколько молекул воздуха. Если повторить это действие достаточное количество раз, в конце концов можно удалить достаточно воздуха, чтобы получить хороший уровень вакуума. Но Милликену пришлось начинать с нуля, и в течение трех кропотливых лет он неоднократно пытался и терпел неудачу, пока в конце концов не изобрел более удобный аппарат. К стандартному ртутному насосу он добавил трубку, содержащую древесный уголь, погруженный в жидкий воздух. К 1903 году его аппарат мог откачать достаточно воздуха, чтобы в эксперименте использовалось в миллиард раз более низкое давление по сравнению с атмосферным[61]61
  Уровень вакуума, которого он достиг, составлял миллионную долю миллиметра ртутного столба, примерно 10–6 миллибар в современных единицах измерения, что вполне соответствует современному диапазону «высокого вакуума», – поразительное достижение для стеклянных трубок!


[Закрыть] – это приличный уровень вакуума даже по сегодняшним меркам. Ученый был готов к измерениям.

Пока Милликен разбирался с вакуумными насосами, вышла новая книга Дж. Дж. Томсона[62]62
  Дж. Дж. Томсон. Conduction of Electricity Through Gases. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, 1903.


[Закрыть], в которой излагалось предположение, что фотоэлектрическое излучение должно в значительной степени зависеть от температуры, как было не раз обнаружено экспериментаторами к тому времени[63]63
  Р. Э. Милликен и Дж. Винчестер. The influence of temperature upon photoelectric effects in a very high vacuum. Philosophical Magazine. V. 14, 1907, pp. 188–210. https://doi.org/10.1080/14786440709463670.


[Закрыть]. Согласно классической точке зрения, при более высокой температуре электроны в металле должны обладать большей энергией, поэтому они должны высвобождаться из металла гораздо легче и с большей скоростью, чем из металла при более низкой температуре.

Вооружившись высоковакуумной установкой, Милликен посчитал хорошей отправной точкой воспроизведение этих результатов. Он направил свет на металлический электрод, температура которого регулировалась внутри стеклянного аппарата. Как и другие экспериментаторы до него, он измерял скорость электронов с помощью напряжения, воздействовавшего на освобожденные электроны: чем выше скорость электрона, тем выше нужно напряжение, чтобы его остановить. Но когда Милликен попробовал провести эксперимент со своей вакуумной системой, он обнаружил, что результаты совершенно не зависят от температуры. Что он сделал не так?

Милликен поручил решение этой проблемы нескольким своим аспирантам. Они работали вместе в маленькой комнате, где постоянно приходилось переступать через лотки с серной кислотой и хлоридом кальция, установленные для осушения воздуха, чтобы предотвратить скопление воды на электродах в своих экспериментах. Потребовалось три или четыре дня непрерывной продувки системы чистым воздухом, прежде чем ученые смогли провести надежные измерения, и неделями они сталкивались с проблемами проникания воздуха в вакуумную систему, из-за чего им приходилось начинать все сначала.

Несмотря на трудности, Милликену в конце концов удалось нагреть алюминиевый электрод до температуры от 15 до 300 градусов по Цельсию и измерить излучаемый электрический ток. Опять же, никакой температурной зависимости обнаружено не было. Их детальная работа продолжалась в течение многих лет, команда создала сложную вакуумную установку с подвижным колесом, к которому прикрепили 11 различных металлических дисков: медь, никель, железо, цинк, серебро, магний, свинец, сурьма, золото, алюминий и латунь. Колесо сидело на агатовых подшипниках внутри стеклянного цилиндра диаметром 8 см с узким источником света – меньше каждого диска, – который освещал трубку. Они поместили полоску железа на край колеса так, чтобы при осторожном движении большим магнитом рядом с трубкой каждый образец металла поворачивался к источнику света без необходимости открывать систему для воздуха[64]64
  Там же.


[Закрыть]. Как оказалось, все результаты не зависят от температуры, по крайней мере, до 100 градусов по Цельсию, что было самым высоким показателем, на который они осмелились пойти с этой версией оборудования. Позже Милликен писал, что до сих пор он, «казалось, добился очень незначительных успехов как физик-экспериментатор!»[65]65
  Р. Э. Милликен. Автобиография Р. Э. Милликена (The Autobiography of R. A. Millikan). Prentice-Hall, Inc., Энглвуд-Клиффс, 1950.


[Закрыть]

Но результаты Милликена на самом деле были успешными. Поскольку они отличались от тех, что были прежде, ученый столкнулся с самым редким и потому драгоценным состояниям – пробелом в знаниях. Должно быть, у него было предчувствие, что отсутствие положительных результатов свидетельствует о чем-то большем, чем просто экспериментальная ошибка. В конце концов, он потратил годы на то, чтобы убедиться, что эксперимент работает исправно. Так каково же было альтернативное объяснение? Если его результаты правильные и фотоэлектрический эффект действительно не зависит от температуры, то классическая физика просто не может этот эффект объяснить.

В Берне в 1905 году Альберт Эйнштейн столкнется с фотоэлектрическим эффектом и выдвинет теорию, которая направит эксперименты Милликена. Эйнштейн изучал физику в Цюрихе, где по вечерам он продолжал работать со своей невестой Милевой Марич, физиком сербского происхождения и единственной женщиной на его курсе[66]66
  Есть некоторые свидетельства того, что основные работы Эйнштейна, по крайней мере частично, являются работой Милевы. См.: Полин Ганьон. The forgotten life of Einstein’s first wife. Scientific American, 2016. Доступно онлайн по адресу https:// blogs.scientificamerican.com/guest-blog/the-forgotten-life-of-einsteins-first-wife.


[Закрыть]. После своего последнего экзамена Эйнштейн не смог найти работу ассистента по физике, поэтому он временно занял низкооплачиваемую должность преподавателя в Винтертуре, в 20 км к северу. Однажды в 1901 году он написал Милеве, что «наполнен таким счастьем и радостью…»[67]67
  Дж. Холтон. Of love, physics and other passions: The letters of Albert and Mileva (Part 2), Physics Today. V. 47, 1994, p. 37.


[Закрыть]. Возможно, она ожидала, что он будет счастлив, поскольку только что написала ему, что он вот-вот станет отцом. Но причина, по которой он был так взволнован, заключалась в ином: он только что наткнулся на экспериментальные результаты Ленарда по фотоэлектрическому эффекту, показывающие, что электроны могут порождаться ультрафиолетовым излучением.

Эйнштейн считал странным, что большинство областей физики были подобны частицам: атомы, электроны и колебания отдельных молекул, вызывающие нагревание, – все это зависело от движения отдельных дискретных объектов. Даже волны воды состояли из небольших частиц – молекул воды – в коллективном движении, в то время как звуковые волны были волнами давления в молекулах газа. И все же световые волны считались непрерывным явлением. Почему так?

Эйнштейн знал о недавней работе своего старшего коллеги, немецкого физика Макса Планка, поклонника глубокой, фундаментальной теоретической физики. В молодости Планк предпочел физику музыке, несмотря на то что его профессор физики говорил ему: «Почти все уже открыто, разве что осталось заполнить несколько дыр». Планк недавно пришел к новой увлекательной идее объединить различные области физики – механическую вибрацию (тепло) и электромагнетизм (свет). Планк начал с признания того, что определенно существует некоторая взаимосвязь между теплом и светом: объекты излучают разные цвета при разных температурах, поэтому горячие угли светятся красным, в то время как солнечный свет ближе к желтому или белому.

Когда я говорю «свет», я имею в виду не только видимый спектр. Свет – или, точнее, электромагнитное излучение – различается по частоте: от рентгеновских и гамма-лучей до инфракрасных и радиоволн. Но для наших целей я буду называть это просто светом. Так почему же объекты светятся определенным цветом? Что мешает раскаленным углям светиться фиолетовым, а планете Юпитер излучать рентгеновские лучи?[68]68
  Астрофизические объекты могут излучать рентгеновские лучи. Рентгеновская астрономия – это всего лишь один из возможных способов наблюдать Вселенную в другом диапазоне частот, который простирается от радиоастрономии до гамма-лучей. Погуглите несколько снимков из рентгеновской обсерватории Чандра – они впечатляющие!


[Закрыть] И снова классическая физика потерпела неудачу.

Предыдущие физики пытались определить свет, который будет излучаться своего рода упрощенным горячим объектом, называемым абсолютно черным телом, воображаемой сущностью, введенной в 1859 году, чтобы лучше понять, как излучается тепло. Черное тело – это то, что образовалось бы, если бы вы взяли коробку и держали ее при постоянной температуре. Со временем она будет производить уникальный вид света, называемый излучением черного тела[69]69
  Это теоретический объект, хотя его можно аппроксимировать в экспериментах.


[Закрыть]. Ключевой момент в излучении абсолютно черного тела заключается в том, что не имеет значения, каков размер этого тела – с горошину или с планету: пока оно идеально поглощает и испускает излучение, спектр света, который оно излучает, то есть количество света каждого цвета, излучаемого черным телом, всегда одинаково. Вот что делает его уникальным. Эксперименты по аппроксимации чернотельных излучателей показали что количество излучаемого света сначала всегда увеличивалось с частотой, достигало максимума при каком-то цвете, а затем снова уменьшалось при высокой частоте. Этот пик зависел только от температуры объекта. Похожее можно увидеть в кузнице, где металл сначала светится красным, затем – оранжевым, а затем – белым, по мере того как он нагревается, причем пик спектра смещается от красного к синему.

Использование классической физики для вычисления света, испускаемого абсолютно черным телом, привело к уравнению, которое вообще не соответствовало экспериментам. Более ранние расчеты британского физика лорда Рэлея предсказывали, что количество света, излучаемого в нижней (более красной) части спектра, будет небольшим, но затем, от желтого и зеленого к синему, фиолетовому и ультрафиолетовому, количество будет расти и расти, в конечном итоге достигнув максимума с высокоэнергетическим рентгеновским излучением и даже высокочастотным гамма-излучением. При каждом удвоении частоты количество излучаемого света должно увеличиваться в четыре раза. Но это явно неправильно: когда мы смотрим на мир, он не синий и фиолетовый[70]70
  Мы гораздо менее чувствительны к фиолетовому свету, чем к синему, поэтому, даже если бы фиолетовая часть спектра была ярче, наш глаз воспринимал бы синий цвет как самый яркий.


[Закрыть] и не сжигает нас высокоэнергетическими рентгеновскими лучами. Вычисления были невозможны и потому, что если вы сложите общее количество световой мощности, излучаемой на всех частотах, то общая сумма будет бесконечной. Если бы это было правдой, то вся материя, даже самая холодная, излучала бы так интенсивно, что вся энергия исчезла бы в облаке высокочастотного света. Это было настолько парадоксально для теоретической физики, что само явление стало известно как «ультрафиолетовая катастрофа». Планк не мог смириться с такой ситуацией. Взявшись за эту проблему примерно в 1900 году[71]71
  Физики часто рассказывают историю о том, что Планк начал изучать излучение абсолютно черного тела, потому что немецкие власти попросили его рассчитать, как сделать лампочки более эффективными, но в этом слухе мало правды.


[Закрыть], он понял, что в этих более ранних расчетах спектра излучения сделаны некоторые предположения о том, как энергия ведет себя внутри абсолютно черного тела. Предполагалось, что энергия может быть разделена между атомами (или «резонаторами») в черном теле любым способом, так что существует бесконечное множество способов распределения энергии[72]72
  Планк считал, что свет, испускаемый абсолютно черным телом, должен быть вызван колебаниями так называемых резонаторов – колеблющихся электрических зарядов, которые производят электромагнитное излучение. Каждый резонатор мог вибрировать на любой частоте. Эта идея возникла благодаря взгляду на теплофизику с точки зрения статистической механики.


[Закрыть]. Но это означало, что при суммировании общей излучаемой мощности складывались все эти возможные состояния, вот почему мощность получалась бесконечной. Планк понял, что можно прибегнуть к математическому трюку, чтобы избежать этой проблемы, но ему это не понравилось.

Если бы энергию можно было поглощать или излучать только порциями, то есть если бы энергия имела некоторый наименьший размер, то поделить ее можно только конечным количеством способов[73]73
  Подробное, но проницательное объяснение ключевой статьи Планка см. в книге А. Лайтмана The Discoveries: Great Breakthroughs in Twentieth-Century Science. Pantheon, Нью-Йорк, 2005.


[Закрыть]. Точно так же, как вы можете разделить группу из 10 человек: у меня может быть пять человек в группе, и у вас пять, или у меня 10, а у вас ноль, или, возможно, четыре и шесть, но нет смысла делить группы на 2,32 и 7,68 человека. Потому что люди – дискретные, а не непрерывные объекты.

Планк рассматривал эту задачку так, как если бы энергия поступала дискретными порциями, и с математической точки зрения это ему помогло. Планк ввел наименьшую порцию энергии, которую он назвал квантом. Чтобы его математика работала, он также определил, что энергия может поступать только в целых числах, кратных этому базовому количеству. Размер этого количества энергии крошечный и связан с частотой света через новую физическую постоянную, введенную Планком, – h, которая, по его словам, имела значение около 6 × 10^–34 Дж · с[74]74
  h имеет значение 6,626×10^–34 Дж·c (или в единицах СИ кг · м²/с). Важно то, что это очень небольшое число. Единица измерения Джоуль-секунда – это единица действия (энергия, умноженная на время), которая представляет энергию волны, деленную на частоту волны в Гц (с^–1).


[Закрыть]. Он не видел другого варианта, который дал бы правильный результат, но поскольку «теоретическое объяснение должно быть найдено любой ценой, сколь высокой она ни была бы»[75]75
  А. Герман. The Genesis of Quantum Theory. MIT Press, Кембридж, штат Массачусетс, 1971.


[Закрыть], он, чтобы разрешить проблему, предпринял то, что назвал «актом отчаяния».