Когда тело испускает излучение, то структура этого излучения, т. е. количество энергии, испускаемой телом на каждой частоте при заданной температуре, называется спектром этого излучения (рис. 40). Спектры некоторых тел, например звезд, могут быть приближенно описаны спектром абсолютно черного тела. Такие чернотельные спектры были измерены при многих конкретных значениях температуры, и все они согласуются с гипотезой Планка. На рис. 40 видно, что излучение почти полностью приходится на низкие частоты, а при высокой частоте оно выключается.
Одним из великих достижений экспериментальной космологии после 1980-х годов было все более точное измерение чернотельного спектра, порождаемого излучением в нашей Вселенной. Первоначально Вселенная была горячим, плотным огненным шаром, содержащим высокотемпературное излучение, однако с тех пор Вселенная расширилась и излучение очень сильно охладилось. Это произошло потому, что при расширении Вселенной точно так же растягивались и длины волн излучения. Но волны большей длины соответствуют более низким частотам, а следовательно и более низким температурам. Сейчас Вселенная содержит излучение, которое выглядит так, как будто оно было порождено излучением абсолютно черного тела с температурой 2,7 градуса выше абсолютного нуля, что существенно холоднее, чем в начале расширения.
Недавно с помощью спутников был измерен спектр этого космического фонового микроволнового излучения (именно он показан на рис. 40). Он почти точно совпадает со спектром абсолютно черного тела температурой 2,7 К. Измерения показывают, что отклонения меньше одной десятитысячной. На самом деле такое реликтовое излучение является в наши дни наиболее точно измеренным спектром абсолютно черного тела.
Когда в 1931 году Планка спросили, как он пришел к своему поразительному предположению о том, что свет квантован, он ответил: «Это был акт отчаяния. В течение шести лет я бился над теорией абсолютно черного тела. Я понимал, что проблема фундаментальна, и я знал ответ. Мне нужно было любой ценой[57]… найти теоретическое объяснение». Для Планка квантование света было инструментом, кладжем[58], приводящим к правильному спектру абсолютно черного тела. По его мнению, квантование не было обязательно свойством самого света, а могло быть следствием какого-то свойства атомов, излучающих свет. Хотя предположение Планка было первым шагом к пониманию квантования света, сам Планк никогда полностью не принимал этой гипотезы.
Пять лет спустя, в 1905 году, большой вклад в квантовую теорию внес Эйнштейн, который установил, что световые кванты были реальностью, а не просто математическими абстракциями. В тот год Эйнштейн был очень занят, одновременно занимаясь построением специальной теории относительности, помогая доказать существование атомов и молекул путем изучения статистических свойств вещества и предоставляя подтверждение квантовой теории, и все это в то время, когда он работал в патентном бюро в швейцарском городе Берне.
Конкретное явление, которое Эйнштейн объяснил с помощью гипотезы о световых квантах, тем самым усилив ее достоверность, известно как фотоэлектрический эффект. Экспериментаторы облучают вещество излучением определенной частоты, и это падающее излучение выбивает из вещества электроны. Экспериментаторы показали, что облучение вещества большим количеством света, несущим больше полной энергии, не изменяет максимальной кинетической энергии (энергии движения) испущенных электронов. Это противоречит интуитивному представлению: большая падающая энергия должна безусловно порождать электроны с большей кинетической энергией. Почему же электроны не поглощают больше энергии?
Объяснение Эйнштейна заключалось в том, что излучение состоит из отдельных квантов света, и только отдельный квант может передать свою энергию любому конкретному электрону. Свет падает на отдельный электрон как одиночный снаряд, а не как множество снарядов при массированном обстреле. Так как только один квант света выбивает электрон, увеличение числа падающих квантов не изменяет энергию испущенного электрона. Увеличение числа падающих квантов приводит к тому, что свет выбивает больше электронов, но не влияет на максимальную энергию любого отдельно взятого электрона.
Поскольку Эйнштейн интерпретировал результаты фотоэффекта с помощью понятия об определенных порциях энергии — квантах света, стало понятным, почему испускаемые электроны всегда обладают одинаковой максимальной кинетической энергией. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь электрон, равна постоянной энергии, которую он получает от кванта света, за вычетом энергии, необходимой для испускания электрона атомом.
Рассуждая таким образом, Эйнштейн сумел вычислить энергию квантов света. Он показал, что их энергия зависит от частоты падающего света точно так, как предсказывала гипотеза Планка. Для Эйнштейна это было ясным свидетельством реальности существования квантов. Его интерпретация давала очень точную картину световых квантов: один квант испытывал соударение с одним электроном, который по этой причине испускался. Именно это открытие, а не теория относительности, принесло Эйнштейну Нобелевскую премию по физике 1921 года.
Поразительно, однако, что хотя Эйнштейн признавал существование квантованных порций света, он с большой неохотой соглашался с тем, что эти кванты на самом деле были безмассовыми частицами, переносившими энергию и импульс, но не имевшими массы. Первое убедительное свидетельство корпускулярной природы квантов света было получено в 1923 году при наблюдении эффекта Комптона, в котором в результате соударения кванта света с электроном происходило изменение направления движения этого кванта (рис. 41). В общем случае можно определить энергию и импульс частицы, измерив ее угол отклонения после соударения. Если фотоны — безмассовые частицы, то они должны совершенно определенным образом вести себя после соударения с другими частицами, например электронами. Измерения показали, что кванты света ведут себя в точности так, как если бы они были безмассовыми частицами, взаимодействующими с электронами. Неизбежным был вывод: кванты света действительно являются частицами. Сейчас мы называем их фотонами.
Интересно, что Эйнштейн так сопротивлялся признанию квантовой теории, которую он же и помогал создать. Однако его реакция не более удивительна, чем недоверчивая реакция Планка на гипотезу Эйнштейна о квантовании. Планк и ряд других ученых хвалили многие достижения Эйнштейна, но умеряли свой энтузиазм[59]. Планк даже заметил несколько пренебрежительно: «Не следует ставить ему в упрек то, что он иногда промахивался в своих рассуждениях, например, в гипотезе о световых квантах, так как невозможно предложить действительно новые идеи даже в самых точных науках, если не пойти на некоторый риск»[60]. Но не заблуждайтесь. Предложенные Эйнштейном световые кванты были точным попаданием в цель. Замечание Планка всего лишь отражает революционную природу мышления Эйнштейна и изначальное сопротивление ученого сообщества принятию его идей.
Квантование и атом
История квантования и старая квантовая теория не закончились на изучении света. Оказалось, что вся материя состоит из фундаментальных квантов. Следующим ученым, внесшим вклад в гипотезу квантования, был Нильс Бор. Он применил эту гипотезу к хорошо известной частице — электрону.
Частично интерес Бора к квантовой механике развился из знакомства с попытками прояснить загадочные свойства атомов. В течение девятнадцатого века понятие об атоме было неправдоподобно смутным: многие ученые вообще не верили в то, что атомы существуют иначе как полезный эвристический прием, не имеющий никакого реального основания. Некоторые ученые, верившие в атомы, тем не менее путали их с молекулами, которые, как сейчас известно, состоят из атомов.
Истинные свойства и строение атомов оставались неизвестными вплоть до начала прошлого века. Частично проблема состояла в том, что греческое слово ατομο означает «неделимый», так что первоначальная картина атома действительно представляла некоторый неизменный, неделимый объект. Но физики девятнадцатого века, изучая поведение атомов, начали понимать, что такая картина неверна. В конце XIX века самыми подробно изученными свойствами атомов были радиоактивность и спектральные линии — характерные частоты испускания и поглощения света. Оба эти явления показывали, что атомы могут изменяться. Вершиной этих изысканий стало открытие Дж. Дж. Томсоном в 1897 году электронов. Он также высказал гипотезу, что электрон является частью атома, откуда следовало, что атомы должны быть делимы.
