Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Сначала было замечено, что поля могут проявлять свойства частиц. Любая частица, обладающая электрическим зарядом, например электрон, повсюду вокруг себя создает электрическое поле. Напряженность поля постепенно снижается по мере удаления от заряда. Если встряхнуть электрон, например в направлении вверх-вниз, то поле будет колебаться вместе с ним, образую своеобразную рябь, которая будет постепенно распространяться во все стороны. Это и есть электромагнитное излучение – «свет», если коротко. Всякий раз, нагрев вещество до нужной температуры, мы устраиваем в его атомах встряску электронам, и вещество начинает светиться. Такое явление называется излучением абсолютно черного тела, и любой объект, равномерно нагретый до определенной температуры, «испускает» ее в форме излучения абсолютно черного тела.

Красный свет соответствует медленно колеблющимся низкочастотным волнам, а синий – стремительно колеблющимся высокочастотным. Учитывая, что было известно физикам об атомах и электронах на рубеже XIX–XX веков, можно было вычислить, сколько излучения должно выдавать абсолютно черное тело на любой конкретной частоте – в так называемом спектре абсолютно черного тела. Расчеты физиков хорошо подтверждались на низких частотах, но становились все менее точными по мере перехода к более высоким; в конечном итоге прогнозы давали бесконечное количество излучения, которое должно испускать любое материальное тело. Позже такой феномен окрестили ультрафиолетовой катастрофой, имея в виду невидимые частоты электромагнитного излучения, даже более высокие, чем у синего и фиолетового света.

Наконец, в 1900 году немецкому физику Максу Планку удалось вывести формулу, которая точно согласовывалась с данными. Здесь важно отметить, какой прием помог Планку: он выдвинул радикальную идею, предположив, что при излучении свет всегда поступает в виде небольших порций – «квантов» энергии, величина которых определяется частотой света. Чем быстрее колеблется электромагнитное поле, тем больше энергии будет у каждого излученного кванта.

Во время работы над этой теорией Планку пришлось постулировать существование новой фундаментальной естественной константы, которая теперь известна под названием «постоянная Планка» и обозначается буквой h. Количество энергии, содержащейся в кванте света, пропорционально его частоте, и постоянная Планка задает эту пропорциональность: энергия равна частоте, умноженной на h. Зачастую более удобно использовать усовершенствованную разновидность этой константы, ħ, которая называется «приведенная постоянная Планка», – это попросту исходная постоянная Планка h, деленная на 2π. Если в выражении фигурирует постоянная Планка – это верный признак, что в нем задействована квантовая механика.

Открыв свою постоянную, Планк подсказал новый способ понимания таких физических величин, как энергия, масса, длина или время. Например, существуют единицы для измерения энергии – эрги, джоули или киловатт-часы, а частота измеряется в единицах 1/время, поскольку сообщает, сколько раз происходит то или иное событие за единицу времени. Соответственно, чтобы энергия получилась пропорциональной времени, постоянная Планка выражается в единицах, равных произведению энергии на время. Сам Планк осознал, что эту новую величину можно комбинировать с другими фундаментальными константами – G (ньютоновской гравитационной постоянной) и c – скоростью света, получая, таким образом, универсально определяемые единицы длины, времени и так далее. Планковская длина равна приблизительно 10^–33 сантиметрам, а планковское время – приблизительно 10^–43 секундам. Планковская длина – действительно очень короткое расстояние, но, предположительно, она приобретает физическую важность в тех масштабах, где одновременно действуют квантовая механика (h), гравитация (G) и специальная теория относительности (c).

Забавно, что Планк сразу же усмотрел в этом открытии потенциал для контакта с внеземными цивилизациями. Если мы когда-нибудь начнем общаться с инопланетянами с помощью межзвездных радиосигналов, то они не поймут, что мы имеем в виду, если скажем, что рост человека – около 2 метров. Но если инопланетяне ориентируются в физике не хуже нас с вами, то они должны знать планковские единицы. Данное предположение пока не довелось опробовать на практике, но в остальном постоянная Планка оказала на науку неизмеримое влияние.

Если задуматься, то идея о том, что свет излучается дискретными квантами, энергия которых зависит от их частоты, озадачивает. Учитывая, что мы знаем о свете, логичнее было бы предположить, что энергия света зависит от его яркости, а не от цвета. Но благодаря своей идее Планк вывел верную формулу, поэтому в каком-то отношении эта идея точно работала.