Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Сегодня мы знаем, что из невидимых частиц, или квантов, состоит всё: энергия, материя, электрический заряд и так далее. Природа на самом мельчайшем уровне не имеет цельной структуры, как это представляла себе классическая физика, а оказывается зернистой, как старый фотоснимок при увеличении.

«Физическая константа» ℎ впоследствии стала известна как постоянная Планка. Так как фотон очень невелик, энергия, которую он переносит, имеет ничтожно малое значение. Поэтому мы не замечаем, что свет, исходящий от лампочки, — это на самом деле поток крошечных частиц. Их просто слишком много.

Чтобы лучше понимать, какую роль постоянная Планка играет в микромире, давайте представим себе, что её можно увеличить до такого размера, что её действие станет заметно в реальном мире. В какой-то момент каждый протон сможет переносить столько энергии, что нить накаливания в лампочке сможет испускать лишь небольшое количество частиц. Она начнёт мерцать. Сначала лампочка испустит десять фотонов, через секунду — семь, ещё через одну — 15 и так далее. Если значение ℎ продолжит увеличиваться, то уровень энергии, переносимой каждым фотоном, станет слишком высоким. Нить накаливания не сможет испустить ни одного фотона, и лампочка перестанет светить.

Эйнштейн использовал идею того, что свет состоит из фотонов, для объяснения непонятного явления — отрыва электронов от поверхности некоторых металлов. [224] Когда свет попадает на поверхность определённого металла, с неё выбиваются электроны, и чем больше объём (выше интенсивность) света, тем больше электронов высвобождается. Но если энергия света имеет значение меньше порогового, высвобождения электронов не происходит. Согласно Эйнштейну, этот «фотоэлектрический эффект» можно объяснить тем, что свет состоит из фотонов, и только те из них, которые обладают достаточной энергией, в состоянии выбить электроны из атомов металла. Открытие фотоэффекта не просто принесло ему Нобелевскую премию по физике в 1921 году. Это была единственная работа, которую сам Эйнштейн считал революционной. [225] Как только были подтверждены существование атомов и их крохотные размеры (десять миллионов атомов могут поместиться в точку в конце этого предложения), учёные задумались о парадоксе. Длина волны видимого света примерно в 10 000 раз больше размеров атома. Как же он может поглощать или излучать свет? Всё дело в том, что свет локализуется в фотонах, имеющих атомные размеры. Чтобы понять почему, нужно обратить внимание на одно повседневное явление.

Посмотрите в окно. Вы увидите то, что происходит снаружи, а если приглядитесь — то и отражение собственного лица. Это происходит потому, что стекло не является полностью прозрачным. Бо́льшая часть попадающего на него света проходит сквозь стекло, но небольшая доля отражается.

Это явление можно легко объяснить волновой природой света. Представьте себе волну, которая идёт по поверхности озера и натыкается на преграду, например корягу. Волна продолжит своё движение, за исключением небольшой её части, которая откатится назад. Но если считать свет потоком одинаковых фотонов, то найти объяснение становится труднее. Если они ничем не отличаются друг от друга, значит, и взаимодействовать со стеклом должны одинаково (учитывая, что речь идёт об идеальном стекле без всяких изъянов). Либо все фотоны должны проходить сквозь него, либо все они должны отражаться. Третьего не дано.

Чтобы объяснить, почему мы видим своё отражение в окне, физикам пришлось пересмотреть своё определение «одинаковости». Для фотонов она означает равные шансы пройти сквозь стекло (например, 95%) или отразиться от него (5%). Но Эйнштейн понимал, что введение понятия «шанс» в физику приведёт к катастрофическим последствиям.

Физика — это способ предсказывать будущие события со 100%-ной вероятностью. Если сегодня Луна находится в определённой точке, то с помощью закона Ньютона мы можем абсолютно точно рассчитать её завтрашнее местоположение. Но раз вы можете увидеть в оконном стекле своё отражение, значит, предвидеть последствия столкновения со стеклом для каждого конкретного фотона невозможно. Мы можем лишь оценить вероятность того, что он пройдёт сквозь стекло или отразится от него.

Задумайтесь на мгновение, что это означает. Если вы бросите игральную кость, то результат может показаться вам непредсказуемым. Но на самом деле, если бы вы знали точную скорость полёта кости, могли проанализировать движение воздуха вокруг неё и имели достаточно мощный компьютер, вы смогли бы определить, какое число выпадет. Те события повседневной жизни, которые мы считаем случайными, на самом деле неслучайны — просто процесс их предсказания достаточно трудоёмкий. А вот поведение фотона при соприкосновении со стеклом непредсказуемо в принципе. Какой бы информацией мы ни обладали, насколько мощный компьютер бы ни использовали, мы не сможем со 100%-ной вероятностью определить действия фотона. Для квантовой кости каждый бросок выглядит как первый.