Допустим, перед вами какой-то случайный объект — например, чашка с горячим вкусным кофе. Конечно, вы можете видеть и чашку, и кофе в ней, потому что свет от вашей лампы отражается от них и попадает в ваши глазные яблоки. И вы можете почувствовать тепло, когда берете кружку в руку. Но даже просто держа руки рядом с чашкой, вы все еще ощущаете тепло, не правда ли?

Это потому, что чашка кофе на самом деле производит свой собственный вид изучения, который мы не видим. А не видим мы его потому, что его длина волны больше, чем у красного света, и называется такое излучение инфракрасным. Но вот ваш кофе остывает, стоя на столе, и в итоге вы перестаете ощущать тепло от чашки. Так, стоп: почему горячая чашка кофе испускала излучение, которое вы могли чувствовать, а холодная чашка кофе — уже нет? Кто решает, какой тип излучения испускается, и когда?

Театр черного ящика

Этот же вопрос терзал физиков 19-го века, которые изучали особый вид излучения, называемый излучением абсолютно черного тела. Что же это за объект? На деле, как и многое другое в физике, абсолютно черное тело — это абстракция: оно поглощает все падающее на нее электромагнитное излучение. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет, а его спектр излучения определяется только его температурой. 

Хорошей моделью абсолютно черного тела можно считать замкнутую непрозрачную область с небольшим отверстием. Свет, попадая внутрь через это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, так что снаружи оно будет черным. Но при нагревании этой области у неё появится собственное видимое излучение. Поскольку излучение, испущенное внутренними стенками области, прежде, чем выйдет (ведь отверстие очень мало), в подавляющей доле случаев претерпит огромное количество новых поглощений и излучений, то можно с уверенностью сказать, что излучение внутри полости находится в термодинамическом равновесии со стенками.

Лучшее название для этого явления — тепловое излучение. Это излучение, испускаемое… ну, почти всем. Все, что состоит из множества атомов и молекул, имеющих температуру выше абсолютного нуля, испускает тепловое излучение. Горячая печь испускает тепловое излучение. Ваше тело испускает тепловое излучение. Чашка кофе, даже холодная, тоже испускает тепловое излучение.

Используя концепцию абсолютно черного тела, физики обнаружили некоторые важные вещи во вселенной. Во-первых, чем горячее объект, тем больше света он испускает. Во-вторых, чем он горячее, тем более высокоэнергетический свет излучается. Холодный кофе может излучать только слабые инфракрасные волны или даже более слабые микроволны. Чрезвычайно горячие объекты, такие как поверхность Солнца, будут светиться в видимом свете. Еще более горячие объекты испускают ультрафиолетовое или даже рентгеновское излучение.

Но как?

Грязный хак Макса Планка

Проблема, с которой столкнулись физики, заключалась в связи. Как температура объекта определяет, какой свет он излучает? В преобладающей модели того времени колеблющийся атом или молекула делят свою энергию поровну между всеми возможными длинами волн излучения. Эта модель, конечно, неправильна, потому что горячая чашка кофе не облучает вашу руку рентгеновским излучением каждый раз, когда вы ее касаетесь. Но ни у кого не было идеи лучше.

На рубеже 20-го века у физика по имени Макс Планк... тоже не было лучшей идеи. Вместо этого у него была действительно очень плохая идея. Он довольно долго разбирался с этой проблемой, и, по его собственному признанию, то, что он сделал дальше, было в основном грязным хаком — «костылем», который дает быстрое, но обычно кривое и не самое красивое решение проблемы. Его хак состоял в следующем: он ввел константу — число, которое связывало энергию абсолютно черного тела с его излучением.



Это число говорит, сколько «стоит» излучить определенное количество света. Хотите испустить некоторое количество инфракрасного излучения? Это будет вам стоить столько-то энергии. Хотите испустить рентген? Готовьтесь «платить» куда большее энергии. Постоянная Планка стала связующим звеном между масштабом света, который вы хотите излучить, и стоимостью его создания.

Постоянная Планка и квантовая механика

Постоянная Планка также имеет другое замечательное значение: она говорит, что свет может испускаться только в конечных, дискретных порциях, позже названных фотонами. На любой длине волны есть наименьшее количество света, которое может существовать. Вы не можете сделать половину или 64.4 фотона — только целое число.

В итоге этот маленький хак полностью решил проблему черного тела. Теплый объект имеет определенное количество энергии для излучения. Ваш кофе может и хотел бы излучить рентген, да вот последний «стоит» так дорого, что энергии у чашки не хватит и на один такой фотон. А вот инфракрасное излучение «стоит» дешево, поэтому вы ощущаете от кружки с кофе только тепло и не более того.

Планк впервые предложил эту идею в своем материале в 1900 году, и позже эту концепцию подхватил сам Альберт Эйнштейн. Оттуда выросла более глобальная идея. Возможно, не только излучение испускается в дискретных пакетах. Возможно, это общее свойство многих вещей. Возможно, реальность на самом фундаментальном, субатомном уровне… квантуется. 

Вот так грязный хак Планка открыл дверь тому, что мы сейчас называем квантовой механикой: физика очень малых объектов основана на дискретных пакетах энергии, импульса и многого другого. Оказывается, что правила вселенной в субатомных масштабах не очень похожи на наши макроскопические правила, и у нас есть Макс Планк, чтобы поблагодарить его за это.