Деление на порции на рубеже веков
В 1900 г. Планк высказал удивительную догадку, позволившую решить эту головоломку и принесшую ему Нобелевскую премию 1918 г. по физике2). Для того чтобы понять решение Планка, представьте себе, что вы вместе с огромной толпой людей, «бесконечной» по количеству, ютитесь в огромном и холодном ангаре, принадлежащем скаредному домовладельцу. На стенке установлен затейливый цифровой термостат, который регулирует температуру. Узнав, сколько домовладелец требует в уплату за отопление, вы потрясены. Если термостат установлен на 15° С, каждый должен платить домовладельцу по 15 долларов. Если он установлен на 16° С, каждый платит по 16 долларов и т. д. Вы понимаете, что поскольку кроме вас помещение арендует бесконечное число съемщиков, как только отопление будет включено, домовладелец станет получать бесконечную сумму денег.
Однако, более внимательно прочитав правила оплаты, вы обнаруживаете лазейку. Ваш домовладелец очень занятой человек,
68ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ Часть II. Дилемма пространства, времени Рё квантов
он не хсчет терять время на отсчитывание сдачи, особенно бесконечному количеству отдельных съемщиков. Поэтому он устанавливает следующую систему оплаты. Те, кто могут выплатить точную сумму без сдачи, платят строго по счету. Остальные платят столько, сколько могут набрать имеющимися у них купюрами, но так, чтобы не нужно было давать сдачи. Поэтому, желая привлечь к оплате всех и, в то же время, избежать непомерной платы за тепло, вы уговариваете своих компаньонов разделить все деньги по следующему принципу. Один из вас собирает все центы, другой — все пятицентовые монеты, третий — все десятицентовые, четвертый — все двадцатипятицентовые и т.д., включая тех, кто будет хранить однодолларовые банкноты, пятидолларовые, десятидолларовые, двадцатидолларовые, пятидесятидолларовые, стодолларовые и даже банкноты более крупных (и незнакомых) номиналов. Вы нахально устанавливаете термостат на 25° С и ждете появления домовладельца. Когда он приходит, тот компаньон, у которого все центы, платит ему первым, отсчитывая 2 500 монеток. Затем хранитель пятицентовых монет отдает 500 монет; хранитель десятицентовых монет отдает 250 монет, далее платит обладатель 100 двадцатипятицентовых монет, затем идет парень с долларами, отдающий домовладельцу 25 бумажек. Далее хранитель пятидолларовых купюр передает 5 банкнот, а хранитель десятидолларовых банкнот ограничивается только 2 банкнотами (поскольку три десятидолларовые банкноты уже превышают сумму, подлежащую уплате, и требуют сдачи). Ваш компаньон с купюрами по 20 долларов также ограничивается только 1 банкнотой (ибо с двух уже потребуется сдача), а у всех остальных номинал имеющихся у них купюр — минимальная порция денег — превышает требуемую к оплате сумму. Поэтому они не могут заплатить домовладельцу, и в результате, вместо того, чтобы получить бесконечную сумму денег, на которую рассчитывал домовладелец, он удаляется с жалкими 190 долларами.
Планк использовал очень РїРѕС…РѕР¶РёР№ РїРѕРґС…РѕРґ для того, чтобы обойти абсурдный вывод Рѕ бесконечном количестве энергии РІ РґСѓС…РѕРІРєРµ Рё получить конечное значение. Р’РѕС‚ как РѕРЅ добился этого. Планк смело предположил, что количество энергии, переносимой электромагнитной волной РІ РґСѓС…РѕРІРєРµ, РїРѕРґРѕР±РЅРѕ деньгам, изменяется порциями. Рнергия может быть равна РѕРґРЅРѕРјСѓ такому фундаментальному «номиналу энергии», или РґРІСѓРј, или трем Рё С‚. Рґ. — РЅРѕ это РІСЃРµ. Согласно Планку, РєРѕРіРґР° речь идет РѕР± энергии, доли РЅРµ допустимы, точно так Р¶Рµ, как РІС‹ РЅРµ можете иметь монету РІ РѕРґРЅСѓ треть цента или РІ половину РѕС‚ двадцати пяти центов. (Р’ настоящее время денежные номиналы РЎРЁРђ определяются федеральным казначейством.) Р’ поисках более фундаментального объяснения Планк предположил, что энергетический номинал волны, С‚.Рµ. минимальное количество энергии, которое РѕРЅР° может нести, определяется ее частотой. Точнее, РѕРЅ постулировал, что минимальная энергия, которую может нести волна, пропорциональна ее частоте: большая частота (более короткая длина волны) предполагает большую минимальную энергию, меньшая частота (большая длина волны) — меньшую минимальную энергию. РњРѕР¶РЅРѕ привести такое РіСЂСѓР±РѕРµ сравнение: так Р¶Рµ, как пологие океанские волны длинны Рё величественны, Р° сильные коротки Рё порывисты, длинноволновое излучение менее энергично, чем коротковолновое.
Расчеты Планка показали, что дискретность допустимой энергии волн избавляет РѕС‚ нелепого результата Рѕ бесконечной суммарной энергии. Нетрудно понять, почему это так. РљРѕРіРґР° РґСѓС…РѕРІРєР° нагревается РґРѕ некоторой заданной температуры, то согласно расчетам, основанным РЅР° термодинамике XIX РІ., каждая волна РІРЅРѕСЃРёС‚ СЃРІРѕР№ вклад РІ общую энергию. Однако, РїРѕРґРѕР±РЅРѕ компаньонам, которые РЅРµ РјРѕРіСѓС‚ внести обычную СЃСѓРјРјСѓ платы домовладельцу, поскольку номинал РёС… денег слишком велик, если минимальная энергия, которую может переносить конкретная волна, превышает ее ожидаемый энергетический вклад, РѕРЅР° РЅРµ дает вклада вообще Рё остается безучастной. Поскольку минимальная энергия, которую может нести волна, согласно Планку, пропорциональна ее частоте, то, исследуя волны РІ РґСѓС…РѕРІРєРµ Рё переходя Рє волнам СЃРѕ РІСЃРµ более высокой частотой (РІСЃРµ меньшей длиной волны), рано или РїРѕР·РґРЅРѕ обнаружится, что минимальная
Глава 4. Микроскопические странностиВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ 69
энергия, которую может нести волна, превышает ожидаемый энергетический вклад. Подобно компаньонам, которым доверили банкноты с номиналом, превышающим двадцать долларов, эти волны с возрастающими частотами не могут дать вклада, которого требует физика XIX в. Аналогично тому, что только конечное число компаньонов смогло заплатить за тепло, и общая сумма оказалась конечной, только конечное число волн может дать вклад в общую энергию печи, что опять же приводит к конечности полного количества энергии. Говорим ли мы об энергии или о деньгах, порционность фундаментальных единиц и все возрастающий размер этих единиц по мере того, как мы переходим к более высоким частотам (или к более крупным купюрам), приводит к замене бесконечного ответа конечным3).
Рзбавившись РѕС‚ очевидно абсурдного бесконечного результата, Планк сделал важный шаг. РќРѕ то, что действительно заставило людей поверить РІ справедливость его догадки — замечательное совпадение результата его РЅРѕРІРѕРіРѕ РїРѕРґС…РѕРґР° для вычисления энергии РІ РґСѓС…РѕРІРєРµ СЃ экспериментальными данными. Планк обнаружил, что подстроив РѕРґРёРЅ параметр, входящий РІ его РЅРѕРІСѓСЋ расчетную схему, РјРѕР¶РЅРѕ точно предсказать результаты измерения энергии РІ РґСѓС…РѕРІРєРµ для любой заданной температуры. Ртот параметр представляет СЃРѕР±РѕР№ коэффициент пропорциональности между частотой волны Рё минимальным количеством энергии, которую волна может нести. Планк установил, что этот коэффициент пропорциональности, известный ныне как постоянная Планка Рё обозначаемый символом , составляет РІ обычных единицах примерно РѕРґРЅСѓ миллиардную РѕС‚ РѕРґРЅРѕР№ миллиардной РѕС‚ РѕРґРЅРѕР№ миллиардной доли4'. Ничтожно малая величина постоянной Планка означает, что размер порций энергии обычно очень мал. РџРѕ этой причине нам, например, кажется, что РјС‹ заставляем энергию волны, создаваемой струной СЃРєСЂРёРїРєРё (Рё, следовательно, громкость Р·РІСѓРєР°), изменяться непрерывно. Р’ действительности, однако, энергия волны изменяется дискретными шагами согласно формуле Планка, РЅРѕ размер этих шагов настолько мал, что дискретные скачки РѕС‚ РѕРґРЅРѕРіРѕ СѓСЂРѕРІРЅСЏ громкости Рє РґСЂСѓРіРѕРјСѓ кажутся нам плавными переходами. РџРѕ утверждению Планка, амплитуда этих скачков энергии растет РїРѕ мере увеличения частоты волны (сопровождаемого уменьшением длины волны). Рто тот РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ момент, который разрешает парадокс бесконечной энергии.
Как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј далее, квантовая гипотеза Планка РЅРµ просто позволяет понять энергетику РґСѓС…РѕРІРєРё, РЅРѕ идет гораздо дальше. РћРЅР° опрокидывает РјРЅРѕРіРѕРµ РёР· того, что РјС‹ считали само СЃРѕР±РѕР№ разумеющимся. Малое значение постоянной Планка заточает РІ границы РјРёРєСЂРѕРјРёСЂР° большинство отклонений РѕС‚ привычной картины, РЅРѕ если Р±С‹ постоянная Вбыла гораздо больше, то происходящие РІ Рќ-баре странные вещи стали Р±С‹ обыденными. Как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј, аналоги этих странностей являются привычным делом РІ РјРёРєСЂРѕРјРёСЂРµ.