Конец классической физики

Физику конца XIX века обычно называют классической. К этому времени физикам удалось разработать почти полную, но все же не исчерпывающую теорию материального мира. Вещество, составляющее этот мир, состоит из элементарных частиц, называемых атомами, причем каждый из 90 с небольшим сортов атомов соответствует одному из элементов периодической системы Менделеева. Эти частицы взаимодействуют друг с другом посредством двух фундаментальных сил: гравитации и электромагнетизма, с исчерпывающей точностью математически описанных ньютоновским законом всемирного тяготения и уравнениями Максвелла соответственно. Таким образом, движение каждой частицы во Вселенной полностью определяется этими законами независимо от скорости и положения частицы в пространстве в данный момент времени.

Согласно данным небесной механики и спектрального анализа звезд, эти атомы и теоретические основы их поведения одинаковы во всей Вселенной.

Аномалии

Но все же в физике еще оставалось несколько нерешенных проблем. Уравнения Максвелла предсказали существование электромагнитных волн, движущихся в пространстве со скоростью света. Видимый свет определили как один из вариантов этого электромагнитного излучения, ограниченный узким диапазоном длины волны, что убедительно подтверждало волновую теорию Гюйгенса (см. главу 3). Вдобавок за пределами этого диапазона обнаружились волны, также распространяющиеся со скоростью света. Тем не менее волновая теория света не могла объяснить три наблюдаемых свойства света:

♦ линейчатые спектры;

♦ чернотельное излучение;

♦ фотоэффект.

Линейчатые спектры мы уже обсуждали — это очень тонкие темные линии, наблюдаемые при прохождении света сквозь вещество, и светлые линии, наблюдаемые при испускании света горячими телами. В рамках волновой теории понять природу этого явления нельзя.

Чернотельным излучением называются электромагнитные волны, излучаемые обычными предметами. Черное тело имеет сглаженный спектр, пик которого зависит от температуры этого тела. Пик спектра очень горячего Солнца приходится на центральную часть видимого диапазона, на желтый свет. Сторонники мнения, что физические параметры были настроены в точности таким образом, чтобы на Земле смогли развиться люди, попытаются убедить нас, что спектр солнечного света был создан именно с таким пиком, чтобы соответствовать диапазону, к которому наиболее чувствительны наши глаза, созданные по Божьему подобию. Куда более вероятно, что наши глаза развивали чувствительность именно в диапазоне, окружающем этот пик, потому мы и зовем его видимым. Излучение, испускаемое более холодными объектами, такими как вы или я, находится в инфракрасном диапазоне с длиной волны большей, чем у красного света. Щитомордники другие гремучие змеи эволюционировали таким образом, чтобы видеть инфракрасное излучение — это помогает им ловить теплокровную добычу в темноте, так что для них инфракрасный свет является видимым. Если эти объекты не отражают свет, они кажутся нам черными, именно поэтому мы называем их черными телами.

В 1905 году лорд Рэлей (Джон Стретт, 1842–1919) и Джеймс Джинс (1877–1946), используя классическую волновую теорию, определили спектр излучения абсолютно черного тела. Расчеты основывались на предположении, что излучение порождается колебаниями заряженных частиц внутри тела. Чем короче длина волны, тем большее количество электромагнитных волн может поместиться внутри тела. Рэлей и Джинс определили, что график спектральной плотности черного тела резко сужается в четвертом порядке длины волны.

Однако модель Рэлея — Джинса имела серьезный недостаток. В соответствии с ней с уменьшением длины волны график спектральной плотности будет расширяться до неопределенных пределов. Это следствие получило название ультрафиолетовой катастрофы. На самом деле кривая спектральной плотности любого черного тела резко спадает с обеих сторон.

Третье наблюдаемое явление, необъяснимое в рамках волновой теории, имеет отношение к ультрафиолетовому излучению. Физики, в частности Герц, открыли множество явлений, при которых ультрафиолетовый свет, направленный на различные металлы, порождает электрический ток. Живительным было то, что существует пороговое значение длины волны, соответствующее виду металла, выше которого электрический ток не возникает. Волновая теория света не объясняла природу этого явления.

Но это были еще не все проблемы, связанные с волновой теорией света. Если свет — электромагнитная волна, то в какой среде распространяются эти волны? Общепринятое предположение заключалось в том, что электромагнитные волны представляют собой вибрации в невидимом, не создающем трения веществе, которое беспрепятственно наполняет всю Вселенную. Это вещество отождествляли с аристотелевской квинтэссенцией, эфиром. Но, как отметил сам Максвелл, ничто в его теории электромагнетизма не подтверждает существования эфира. В отличие от математического описания звуковых волн, которое начинается с предположения о существовании эластической среды, прогнозы Максвелла касательно электромагнитных волн существования такой среды не предполагали. Она просто не вписывается в его уравнения для электромагнитного поля.

Начиная с 1887 года американские физики Альберт Майкельсон (1852–1931) и Эдвард Морли (1863–1923) проводили серию экспериментов, в которой пытались выявить присутствие эфира путем измерений ожидаемых различий в скорости света двух перпендикулярно направленных лучей, которые, согласно принципу относительности Галилея, предположительно, должны были с разной скоростью проноситься Землей сквозь эфир. Если Земля движется вперед относительно эфира со скоростью v, скорость света должна равняться v + с, если назад, то v — с. И эти ученые, и их последователи, проводя все более точные эксперименты, так и не увидели ожидаемого изменения скорости света. Вместо этого у них все время получалась одно и то же значение — c.

Итак, хотя к началу XX века физика достигла невообразимых высот, оставались некоторые проблемы, которые впоследствии привели к ее дальнейшим невероятным достижениям и покорению новых рубежей.