Таким образом, парадокс близнецов довольно быстро перестал быть парадоксом, но название закрепилось и все еще смущает умы юных опровергателей современной и не очень физики.

Оставайтесь с нами!

Глава 5

Что такое кванты

Если вы квантовый физик

и не можете в двух словах объяснить

пятилетнему ребенку, чем вы

занимаетесь, — вы шарлатан.

(Р. Фейнман — самый крутой!)

В этой примечательной лекции мы попробуем вынести мозг рядовому гуманитарию темой, которая давно его интересует, но любые попытки почитать научно-познавательную литературу о ней оканчивается зависанием над первой же формулой и закрытием книги на первой же странице. Сейчас мы попросим всех физиков закрыть глаза и уши и расскажем остальным, что такое кванты. Наверняка вы все постоянно встречаете это слово в литературе, телевизорах, интернетах, рекламе и проектах от Сколково, и вам кажется, что это необыкновенно крутая штука, недоступная обычному смертному. Да еще и современные колдуны вместо слово «магический» ныне используют слово «квантовый» и обещают буквально завтра вселенский квантовый переход в новую эпоху. Поэтому пора восполнить пробел и немножко врубиться в тему.

Начнем, как обычно, издалека.

Задумайтесь, каково расстояние между вашими глазами и книгой, и что физически означает это расстояние. Исходя из математических соображений его можно разделить на несколько отрезков. Сначала вполовину, потом еще на четыре, затем на восемь частей, шестнадцать, тридцать два… и даже на пару миллиардов маленьких отрезочков. В математике, знаете ли, разрешается делить до бесконечности — это они здорово придумали. Некоторым дотошным занудам при этом покажется, что если захотеть ткнуть пальцем в книгу или монитор, то сделать так не получится, потому что это расстояние делится до бесконечности, и рука будет преодолевать его бесконечное время. Но вы знаете, что в натуре, или, правильнее сказать, физически, никакой проблемы не возникнет, так как, по-видимому, существует какая-то мельчайшая единица расстояния, меньше которой уже ничего нет.

Раньше считали, что мельчайший размер имеет атом, но нынче ученые докопались аж до кварков и подозревают что есть еще суперструны (о них как-нибудь позже). Вопрос определения мельчайшего расстояния оставим физикам — рано или поздно нам предъявят эталон. Факт в том, что наш опыт подтверждает: деление отрезка в реальности не бесконечно.

Эти рассуждения близки старинному парадоксу Ахиллеса и черепахи. Древние греки тоже подозревали, что с пространством не все так гладко, но, чтобы хоть как-то объяснить происходящее, потребовалось две тысячи лет, когда Ньютон и Лейбниц замутили дифференциальное счисление. Так то!

Теперь возьмем другой пример из жизни. Энергию как она есть. Вот вы с корешами поджарили шашлык, и он, стало быть, теперь горячий. Излучает тепло, которое в общем случае является тем, что мы называем энергией, а физики — электромагнитными волнами. Жизненный опыт нам подсказывает, что энергия вроде как существует в виде непрерывных волн (помните непонятные синусоиды на уроках алгебры). То есть, энергия, как мы считаем, излучается непрерывно. До начала XX века все ученые мира тоже так думали. Один физик по имени Максвелл даже сочинил специальные формулы, по которым тепло распространялось приятными волнами, и все были счастливы и собирались ставить точку в термодинамике.

А вот и нет. Как всегда внезапно выяснилось, что существует конечный кусочек энергии. Самая маленькая порция энергии, меньше которой не существует. Как и в случае с расстоянием, передачу энергии можно делить на кусочки (или пакеты, если вы, прости господи, веб-программист, и вам так понятнее). Самый крошечный, а вернее сказать, неделимый, кусочек энергии и называют квантом.

Собственно, на этом можно и закончить. Но ведь вам наверняка интересно, как это было обнаружено, да и почему из такого пустяка родилась целая наука — квантовая физика. Подумаешь, энергия кусками выделяется — вполне ожидаемо, так и что: из-за этого пилятся миллиардные гранты, а на коллайдере делают черную дыру, чтобы уничтожить планету? Рассказываем что и как. Оставайтесь с нами.

О том, что кванты существуют, как вы уже поняли, никто не догадывался. Пока однажды физики чисто из интереса не решили попрактиковаться в расчетах на всяких идеальных ситуациях. Они заморочились на так называемом абсолютно черном теле. Это такая выдуманная фиговина, типа духовки, которую нагревают, а она при этом не отражает ни капельки энергии — все тепло забирает себе без остатка.

После нагревания наша гипотетическая духовка, разумеется, тоже начнет излучать тепло. Физики стали считать, сколько тепла (энергии) будет излучать такая духовка. И неожиданно у них по тогдашним, казалось бы, логичным, формулам умника Максвелла выходила бесконечная энергия (ученые даже название придумали для такого — «ультрафиолетовая катастрофа», чтобы народ пугать). Это была засада — практика показывала, что в реальности подобные бесконечности не наблюдаются вообще нигде и тем более в духовках. И вот на этой ерунде вся классическая физика пошла лесом.

Первым что-то путное высказал Макс Планк — дедушка квантовой физики. Он по-студенчески решил подогнать результат под задачу, придумав формулу, из которой следовало, что энергия излучается порциями. И прокатило! Получилось, что каждая электромагнитная волна несет в себе определенное количество энергии, пропорциональное частоте этой волны. Чем больше частота волны, тем больше энергии несет в себе один квант. Коэффицент пропорциональности назвали постоянной Планка, которая впоследствии оказалась не просто какой-то случайной цифрой, а фундаментальной физической величиной.

Тут можно провести еще одну удачную аналогию: когда кто-то играет на скрипке, и плавно увеличивает громкость, то на самом деле громкость растет не непрерывно, а скачками, но такими маленькими, что мы этого не замечаем.

Планк, к сожалению, сам не понял, что открыл — до конца жизни он был противником квантовой физики. Квантование энергии было вообще очень оскорбительным для классиков. Один известный ученый-шутник (Гамов) объяснял квантование энергии так: это все равно, что природа разрешила либо пить целый литр пива сразу, либо вообще не пить ничего, не допуская промежуточных доз.

Повторим еще раз: представьте, что Роспотребнадзор разрешил покупать пиво только в бутылках определенной емкости и запретил розливное пиво! И вот вы носите от ларька к дому бутылки по ноль-пять, по литру, по полторашке, двушечку, наконец, чтобы два раза не бегать. А со своей тарой в английскую пинту — нельзя.

Так получается и с энергией —