Маленькая книга о большой теории струн. В поисках принципов устройства Вселенной - Стивен Губсер

Минимальная частота света, позволяющая фотонам выбивать электроны с поверхности натрия, составляет 5,5×1014 колебаний в секунду, что соответствует зелёному свету. Соответствующая этой частоте энергия, вычисляемая по формуле E = hv, равна 2,3 электрон-вольта. Электрон-вольт — это энергия, которую приобретает электрон, перемещаясь от отрицательного контакта одновольтовой батарейки к положительному. Следовательно, численное значение постоянной Планка составляет 2,3 электрон-вольта, делённые на 5,5×1014 колебаний в секунду, или 4,1×10−15 электрон-вольт-секунд.

В целом свет ведёт себя подобно волнам при одних обстоятельствах и подобно частицам — при других. Такое поведение называется корпускулярно-волновым дуализмом. Согласно квантовой механике, корпускулярно-волновым дуализмом обладает не только свет, а вообще всё на свете.

Вернёмся на минуту к атому водорода. В предыдущем разделе я говорил, что его квантованные уровни энергии можно рассматривать как набор стоячих волн. Это пример волнового поведения электрона. Но если вы помните, я оставил без ответа вопрос о том, какой смысл имеют частоты этих волн. Я написал формулу E = hv, но затем сразу перескочил на обсуждение вопроса об учёте энергии покоя электрона в величине E. С фотоном никаких вопросов не возникает: частота света — это то, что мы непосредственно наблюдаем в эксперименте. Это частота, на которую мы, например, настраиваем радиоприёмник. Таким образом, когда электрон перескакивает с одного уровня на другой, испуская фотон, мы можем, измерив частоту испущенного фотона, однозначно судить о разности энергий двух этих уровней.

Я надеюсь, что моё объяснение позволило вам достаточно хорошо прочувствовать, что представляют собой фотоны. Полностью понять их природу весьма трудно. Самые большие трудности возникают в концепции калибровочной симметрии, о которой пойдёт речь в пятой главе. В оставшейся части этой главы я покажу, как идея фотонов позволяет объединить положения квантовой механики и специальной теории относительности.

Теория относительности базируется на предположении, что свет в вакууме движется всегда с одной и той же скоростью (299 792 458 метров в секунду) и что ничто не может двигаться быстрее. Каждый, кто впервые сталкивается с этим постулатом, непременно задаётся вопросом: «А если мы разгонимся до скорости света, а затем выстрелим из пистолета в направлении нашего движения, разве пуля не будет лететь быстрее света? Не так ли?». Не так быстро. Проблема связана с замедлением времени. Помните, я говорил, что в современных ускорителях элементарных частиц время для самих частиц замедляется в тысячу раз? Это происходит из-за того, что они движутся со скоростью, близкой к скорости света. Если же вы будете двигаться точно со скоростью света, то ваше время остановится полностью. Вы никогда не сумеете выстрелить из пистолета, потому что у вас попросту не будет времени нажать на спусковой крючок.

Может показаться, что последний аргумент всё же оставляет немного места для манёвра. Допустим, вы могли бы достигнуть скорости на 10 метров в секунду меньше скорости света. Время будет течь для вас медленно, как патока, но в конечном итоге вы сумели бы спустить курок и выстрелить. А поскольку пуля вылетает из ствола со скоростью гораздо большей, чем 10 метров в секунду, её скорость могла бы превысить скорость света. Так? Увы, так просто это не работает. Чем быстрее вы движетесь, тем труднее вам будет разогнать что-либо относительно вас, и вовсе не потому, что вам в лицо будет дуть какой-то встречный ветер: ведь описанный эксперимент можно провести и в космосе. Это происходит из-за того, что время, расстояние и скорость тесно переплетены в специальной теории относительности. Специальная теория относительности будто бы специально построена таким образом, чтобы сорвать любые попытки обогнать свет. Принимая во внимание многочисленные успехи теории относительности в описании мира, большинство физиков склонны принимать ситуацию как есть: вы просто не можете двигаться быстрее, чем свет.

А что у нас с утверждением, будто свет всегда движется в вакууме с одной и той же скоростью? Это можно проверить экспериментально, и это похоже на правду. При этом скорость света в вакууме не зависит от частоты используемого света. Это означает, что имеет место радикальное различие между фотонами и другими частицами, такими как электроны или протоны. Электроны и протоны могут быть быстрыми или медленными. Если они быстры, то обладают большой энергией. Если они медленны, их энергия мала. Но полная энергия электрона никогда не может быть меньше его энергии покоя — E = mc2. То же самое относится и к протону. Однако энергия фотона определяется выражением E = hv, и частота v может быть как большой, так и малой, но скорость фотона при этом не меняется. В частности, не существует нижнего предела энергии фотона. Это должно означать, что энергия покоя фотона равна нулю. Если мы воспользуемся формулой E = mc2, то придём к выводу, что и масса фотона тоже должна быть равна нулю. И это принципиальная разница между фотоном и большинством других частиц: фотон не имеет массы.

Хотя это и не имеет отношения к теории струн, но, возможно, вам будет приятно узнать, что свет имеет фиксированную скорость только в вакууме. Проходя через вещество, свет замедляется. Я не имею в виду фотоны, которые падают на поверхность натрия и «застревают» там, выбивая электроны. Я имею в виду совсем другую ситуацию, а именно прохождение света через прозрачные среды, такие как вода или стекло. При прохождении через воду свет замедляется примерно в 1,33 раза. Когда свет проходит сквозь стекло, это может замедлить его ещё сильнее, но не более чем в 2 раза. Алмаз замедляет свет в 2,4 раза. Именно этот фактор наряду с высокой прозрачностью алмаза придаёт ему такой неповторимый сверкающий облик.

Это произошло несколько лет назад в прекрасный летний день, когда мы с отцом отправились к популярной среди скалолазов стене Гротто Уолл неподалёку от Аспена в штате Колорадо. Нашей целью был Твин Кракс — классический маршрут средней сложности. Пройдя его без инцидентов, я загорелся идеей преодолеть при помощи ИТО (искусственных точек опоры) более сложный маршрут — Криогеникс. При ИТО-скалолазании вы закрепляете на скале искусственные точки опоры, которые держат ваш вес, вместо того чтобы висеть на руках, пытаясь нашарить ногой естественную неровность. Затем вы привязываете себя к репшнуру, который продёргивается через все вбитые в скалу железки, так что если вдруг камень, на котором вы повисли, не выдержит вашего веса, получившаяся страховочная конструкция удержит ваше падающее тело.

Криогеникс был прекрасным местом, чтобы попрактиковаться в ИТО-скалолазании, на мой взгляд, прежде всего потому, что бо́льшая часть маршрута проходит под отрицательным углом. Если вы сорвётесь, то не обдерёте свои бока о неровную стену, а свободно упадёте вниз и повиснете на верёвке. Ну или будете падать, пока не достигнете земли, но этот вариант выглядел не слишком привлекательным. Другим достоинством Криогеникса была трещина в пару пальцев шириной, проходящая через бо́льшую часть маршрута, так что я мог забить в неё столько креплений, сколько хотел.