Кванты

Я готов был пожертвовать любым из своих прошлых убеждений, касающихся физики.

Макс Планк

В 1900 году Макс Планк, который почти два десятка лет критиковал работы Больцмана, опубликовал статьи, намекавшие на перемену его взглядов. Более того, теперь он, похоже, утверждал, что статистические методы Больцмана применимы не только в термодинамике, и это было особенно неожиданно.

Вынужденная перемена взглядов была вызвана появлением новой технологии — электрической лампочки. В лампочках электрический ток проходит по нити накаливания, нагревает ее и заставляет светиться. Этот феномен подтолкнул ученых к изучению тонкостей взаимодействия теплоты и света.

Существуют три способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и излучение. Все их можно наблюдать на большинстве кухонь.

Принцип теплопроводности при передаче теплоты реализуют электрические конфорки. Вся нагретая поверхность конфорки пребывает в контакте с нижней частью кастрюли, и теплота передается от одного тела к другому. Кинетическая теория объясняет это следующим образом: чем выше становится температура конфорки, тем быстрее колеблются молекулы, из которых она состоит. Они касаются молекул кастрюли и сотрясают их. Вскоре все молекулы кастрюли начинают колебаться сильнее, чем раньше, и это проявляется в повышении температуры кастрюли.

Передача теплоты через конвекцию происходит в духовках. Нагревательные элементы в стенке духовки заставляют соседние молекулы воздуха двигаться быстрее. Затем эти молекулы сталкиваются с теми, что находятся в глубине духовки, и увеличивают их скорость. Вскоре температура всей духовки возрастает.

Третий способ передачи теплоты — излучение — связан со светом. Включите гриль, и нагревательный элемент покраснеет, когда его температура возрастет. Кроме видимого красного света, он также излучает инфракрасный свет, который и ощущается горячим. Когда этот свет сталкивается с телом — скажем, с колбасками на гриле, — он заставляет молекулы тела колебаться, в результате чего температура тела повышается.

Понимание учеными теплового излучения сильно продвинулось в 1860-е годы благодаря Джеймсу Клерку Максвеллу, который опубликовал систему математических уравнений, описывающих “электромагнетизм”.

Понять логику Максвелла можно следующим образом: представьте, что держите конец очень длинной веревки. Она достаточно туго натянута, и другой ее конец находится, скажем, в километре от вас. Встряхните тот конец веревки, который держите в руке. Вы увидите, как от вас по веревке пройдет волна. Теперь встряхните веревку несколько раз. По ней пойдут последовательные волны.

Чтобы понять почему, представьте веревку в форме цепи из крошечных бусин. Каждая из них соединяется с соседней коротким отрезком резинки. Когда вы двигаете первую бусину в цепи, она тянет за собой соседнюю, которая, в свою очередь, тянет следующую, и так далее. Движение первой бусины вверх-вниз, таким образом, последовательно переносится на все бусины, и кажется, что по веревке проходит волна.

Как быстро волна проходит по веревке? Это зависит от тяжести бусин и натяжения связывающей их резинки. Если бусины тяжелые, волна идет медленнее, поскольку на передвижение бусин затрачивается больше усилий. Если резинка натянута туже, волна идет быстрее, поскольку каждая бусина в таком случае сильнее тянет за собой соседнюю. Интуитивно понятно, что если встряхнуть конец тяжелой, плохо натянутой веревки, то волна пойдет по ней медленно. По тугой и легкой гитарной струне волны, напротив, проходят со скоростью более 1000 км/ч.

В представлении Максвелла пустота заполнена тугими “струнами” такого типа. Они выходят из множества частиц, из которых состоит “материя” окружающего мира. Возьмем, например, крошечный отрицательно заряженный электрон — составную часть всех атомов. Представьте одинокий неподвижный электрон в пустом пространстве. Тугие струны тянутся от него во всех направлениях даже в вакууме. Называемые силовыми линиями электрического поля, они невидимы и неосязаемы, но если поместить другую заряженную частицу, например положительно заряженный протон, на силовую линию, то она потянется к электрону, прямо как одна бусина в цепи тянется к соседней.

Теперь представьте, что электрон начинает колебаться вверх-вниз. Подобно волне, которая проходит по веревке, волны распространяются от электрона по силовым линиям электрического поля, выходящим из него.

С какой скоростью движутся волны электрического поля? Совершив один из важных прорывов в науке, Максвелл понял, как ответить на этот вопрос. Возьмите одну силовую линию, идущую от электрона. Представьте, что по всей длине на ней размещены крошечные магнитные стрелки. При движении волны вдоль силовой линии стрелки крутятся из стороны в сторону — сначала к ней, а затем от нее. Возможно, читателям известно, что идущий по проводу электрический ток может проявлять подобный эффект, создавая вокруг так называемое магнитное поле. Максвелл утверждал, что при распространении по силовым линиям электрического поля волны порождают волны в сопутствующем магнитном поле. Он представлял, что эти волны распространяются под прямым углом друг к другу. Пусть волна электрического поля колеблется вверх-вниз при движении слева направо мимо вас. В таком случае сопутствующая волна магнитного поля будет колебаться, становясь то ближе к вам, то дальше от вас. Важно отметить, что генерация волн магнитного поля требует усилий, как и передвижение тяжелых бусин по веревке.

В своих рассуждениях Максвелл полагался на интуицию, на собственное чутье. Но в этом был огромный плюс. Как мы помним, при колебаниях цепи мы вычисляли скорость распространения волны, взвешивая одну из бусин и оценивая степень натяжения связующих резинок. Подобным образом Максвелл мог легко измерить их эквиваленты при работе с силовыми линиями. Степень натяжения оценивалась как сила притяжения двух заряженных тел друг к другу. Эквивалентом массы бусины была напряженность магнитного поля, создаваемого при течении тока известной силы по проводу.

На основе этих данных Максвелл вычислил, что “электромагнитные” волны распространяются со скоростью около 300000 км/с. Подумать только! Это значение оказалось на удивление близко к предполагаемой скорости света — слишком близко, чтобы списать это на совпадение. Представлялось крайне маловероятным, что свет “случайно” движется с той же скоростью, что и электромагнитные волны; гораздо более вероятным казалось предположение, что свет является электромагнитной волной.

Суть в том, что любой колеблющийся электрический заряд испускает электромагнитную волну. Следовательно, существование дневного света объясняется постоянными колебаниями электронов на солнце. Эти электроны пускают волны по силовым линиям, которые расходятся от них. Когда волны достигают наших глаз, они колышут заряженные частицы на нашей сетчатке. (И это называется зрением.)

Максвелл продемонстрировал, что цвет света определяется скоростью колебаний, или частотой, электромагнитных волн. Чем выше эта скорость, тем синее свет. Красный свет, имеющий самую низкую частоту из видимых, представляет собой электромагнитную волну, которая совершает 450 триллионов колебаний в секунду. Частота колебаний зеленого света выше — около 550 триллионов колебаний в секунду, а синего — около 650 триллионов колебаний в секунду.