Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

Планк понял, что, используя технику Больцмана, он может получить свою формулу для распределения излучения абсолютно черного тела, только если осцилляторы поглощают и излучают энергию порциями, размер которых пропорционален частоте колебаний. Планк говорил, что “самым важным местом всего расчета” было предположение о том, что при данной частоте энергия состоит из набора равных и неделимых “элементов энергии”. Позднее он назвал их квантами⁵⁸.

Ведомый своей формулой, Планк был вынужден разделить энергию (E) на порции размером h, где — частота осциллятора, a h — константа. Позднее равенство E = h станет одной из самых известных формул. Если, например, частота будет равна 20, a h = 2, то величина каждого кванта энергии будет равна 20 х 2 = 40. Если при этой частоте полная энергия равна 3600, то, значит, 3600 : 40 = 90 квантов распределены между десятью осцилляторами, колеблющимися с данной частотой. У Больцмана Планк научился методу, позволяющему определить наиболее вероятное распределение этих квантов среди осцилляторов.

Оказалось, что энергия каждого из осцилляторов может равняться только: 0, h, 2h, 3h, 4h и так далее до значения nh, где n — целое число. Это соответствует тому, что поглощается или испускается целое число “элементов энергии” (квантов) размером h. (Напоминает кассира в банке, который может выдавать купюры только достоинством в 1, 2, 5, 10, 20 и 50 фунтов стерлингов.) Поскольку осцилляторы Планка не могут иметь другой энергии, амплитуда их колебаний ограничена. Необычность такого вывода в применении к повседневному миру особенно наглядна, если рассмотреть груз, подвешенный на пружине.

Если амплитуда колебаний груза равна 1 см, его энергия равна 1 (не будем останавливаться на единицах измерения энергии). Если пружину с привязанным к ней тем же грузом растянуть на 2 см, частота колебаний остается прежней. Однако энергия, пропорциональная квадрату амплитуды, будет равна 4. Если правило для энергии осцилляторов Планка применить к грузу на пружине, то в интервале от 1 см до 2 см возможны только колебания с амплитудами 1,42 см и 1,73 см, поскольку соответствующие энергии равны 2 и 3⁵⁹. Например, амплитуда колебаний не может равняться 1,5 см, поскольку в этом случае энергия равнялась бы 2,25. Квант энергии неделим. Осциллятор не может получить часть кванта энергии: либо все, либо ничего. Это не согласуется с повседневной физикой. В обычном мире нет ограничений на размах колебаний и, значит на величину энергии, которая может излучаться или поглощаться или быть испущена одномоментно. Она может принимать любое значение.

От безысходности Планк открыл нечто столь важное и неожиданное, что и сам не сумел сразу оценить значение своего открытия. Его осцилляторы не могут поглощать или испускать энергию непрерывно, наподобие воды, текущей из крана. Вместо этого они могут получать и терять энергию дискретно, маленькими порциями величиной E = h, где — частота колебаний, совпадающая с частотой излучения, которое может испускать или поглощать осциллятор.

Причина, по которой нельзя увидеть, что макроскопические осцилляторы ведут себя, как осцилляторы атомного размера Планка, в том, что значение h равно 0,000000000000000000000000006626 эргов, помноженных на секунду, или 6,626, деленное на тысячу триллионов триллионов. Согласно формуле Планка, энергия может увеличиваться или уменьшаться только шажками, размер которых пропорционален значению h. Однако из-за того, что величина h бесконечно мала, в нашем мире квантовые эффекты незаметны. Речь идет о маятниках, детях на качелях и грузах на пружинах.

Осцилляторы заставили Планка “нарезать” энергию излучения так, чтобы их можно было снабдить порциями нужного размера, равного h. Он не верил, что энергия излучения действительно “нарезана” на кванты. Для него это был просто способ, которым его осцилляторы могли получать и испускать энергию. Трудность состояла в том, что, согласно методу Больцмана, после разделения энергии в конце требовалось делать порции все меньше и меньше — до тех пор, пока их размер с точки зрения математики не станет равным нулю, сами порции не исчезнут, а полученный результат все равно останется неизменным. Основой всего расчета был прием, позволявший собрать обратно разделенные кванты. К несчастью для Планка, при использовании такого приема его формула тоже исчезала. Ему некуда было деваться от квантов, но его это не волновало. Формула получена, а с остальным можно было разобраться позднее.

“Господа!” — начал Планк, представ перед членами Немецкого физического общества, собравшегося в одной из аудиторий Физического института Берлинского университета. Рубенс, Люммер и Прингсгейм присутствовали на заседании. Доклад начался в пять часов вечера в пятницу, 14 декабря 1900 года, и назывался “К теории распределения энергии излучения нормального спектра”. “Несколько недель назад я имел честь привлечь ваше внимание к новому выражению, описывающему, как мне кажется, распределение энергии излучения во всех областях нормального спектра”, — говорил Планк⁶⁰. Теперь он рассказывал о физической модели, позволившей вывести новое уравнение.

Коллеги поздравляли докладчика. Они, как и сам Планк, считали введение кванта, порции энергии, “чисто формальным приемом”, о котором “не стоит слишком задумываться”. Важно было то, что Планку удалось обосновать формулу, о которой он рассказывал в октябре. Конечно, идея разделения энергии осциллятора на кванты была достаточно странной, но об этом на время можно было забыть. Все были уверены, что это трюк теоретика, остроумный математический прием, использованный, чтобы получить правильный ответ. Он не имеет истинного физического смысла. Что продолжало удивлять, так это точность полученной формулы для энергии излучения. Никто, включая самого Планка, не придал кванту энергии большого значения.

Однажды рано утром Планк вышел из дома с семилетним сыном Эрвином. Они направлялись в соседний Грюневальд-ский лес — любимое место прогулок семьи. Позднее Эрвин вспоминал, как отец сказал: “Сегодня я сделал открытие такое же важное, как открытие Ньютона”⁶¹. Рассказывая эту историю много лет спустя, он не смог точно вспомнить, когда именно это произошло. Вероятно, незадолго до декабрьской лекции. Возможно ли, что Планк уже тогда полностью осознавал, что такое квант? Или просто старался объяснить сыну, насколько важен новый закон излучения? Ни то, ни другое. Он просто выражал переполнявшую его радость открытия не одной, а сразу двух фундаментальных постоянных: постоянной k, которую он назвал постоянной Больцмана, и постоянной h — кванта действия. Позднее эту константу физики назовут постоянной Планка. Обе эти константы неизменны и вечны. Это две абсолютные величины, описывающие природу⁶².

Планк понимал, чем обязан Больцману. Он назвал именем этого австрийского физика постоянную k, введенную им при создании формулы для излучения абсолютно черного тела. Кроме того, Планк дважды, в 1905 и в 1906 годах, номинировал Больцмана на Нобелевскую премию. Но было поздно. Больцмана давно мучили болезни: астма, мигрень, слабое зрение, ангины. Но сильнее всего он страдал от приступов тяжелой маниакальной депрессии. В сентябре 1906 года, во время отдыха в Дуино вблизи Триеста, он повесился. Больцману было шестьдесят два года, и хотя некоторые из его друзей давно боялись худшего, известие о его смерти стало для них ужасным ударом. Больцман все больше чувствовал себя одиноким и недооцененным, хотя это было совсем не так. Он был одним из самых известных и уважаемых физиков своего времени. Но в периоды отчаяния непрекращающиеся споры о существовании атомов заставляли его считать, что дело всей его жизни разрушено. В 1902 году Больцман в третий и последний раз вернулся в Венский университет. После смерти Больцмана Планку предложили занять его место. Планк, считавший работы Больцмана “триумфом красоты теоретического исследования”, был польщен, но отказался⁶³.

Постоянная h — это тот “топор”, который “рубит” энергию на кванты, и Планк был первым, кто поднял его. Но для него квантование было лишь способом, с помощью которого воображаемые осцилляторы испускали и поглощали энергию. Планк не делил на порции величиной h саму энергию. Есть разница между открытием и его осмыслением. Планк выполнил только действия, которые были необходимы для вывода формулы, хотя ему они не были понятны. Он квантовал только энергию набора осцилляторов, но, хотя это и следовало сделать, не энергию отдельного осциллятора.

Частично это было связано с тем, что Планк надеялся избавиться от кванта. Только гораздо позже он осознал далеко идущие последствия своих действий. Глубоко консервативные взгляды заставили его потратить почти десятилетие на попытки уместить квант в рамки существовавшей физики. Он знал, что многие его коллеги считали это пустой тратой времени. “Я считал иначе, — писал Планк. — Я твердо знал, что элементарный квант действия [h] играет более важную роль в физике, чем мне представлялось вначале”⁶⁴.