Таким образом, для бегущей волны кванты света можно считать дебройлевскими частицами, с которыми связан волновой процесс, тогда как у кванта стоячей волны средний импульс равен нулю.
Разумеется, нам не удалось добиться полного понимания, но все-таки на вопрос: что же такое световой квант, мы теперь можем дать ясный ответ. Это порция энергии электромагнитной волны с данным волновым вектором.
Эта волна есть квантовый осциллятор.
Кроме того, нам теперь понятно, что такое нулевые колебания электромагнитного поля - это нулевые колебания квантовых осцилляторов, которые соответствуют электромагнитным волнам со всевозможными волновыми векторами - каждому волновому вектору соответствует свой осциллятор.
Применение квантовой механики к другим полям дает аналогичные результаты. Существуют нулевые колебания, то есть флюктуации всех возможных полей в основном состоянии - в состоянии с наинизшей энергией, колебания, состоящие в появлении и исчезновении электрон-позитронных, нуклон-антинуклонных и других пар, пионов и других мезонов. Как и фотон, эти частицы возникают как возбужденные состояния соответствующего поля. Кроме того, существуют поля, которые нельзя считать составленными из частиц, как, например, статическое электрическое или магнитное поле. Понятие поля шире понятия частиц.
Чтобы достичь более глубокого понимания, надо самому решать задачи физики. Пассивное изучение дает лишь слабое представление о тех красотах, которые открываются при самостоятельной работе.
Три далеких друг от друга объекта физического исследования в действительности теснейшим образом связаны между собой.
Изучение свойств пустоты - пространства, свободного от частиц, - как физической среды позволяет предсказать неустойчивость вакуума в сильных полях. Из-за этой неустойчивости возникает перестройка вакуума; она, в свою очередь, приводит к неустойчивости ядерного вещества при большой плотности; тогда могут образоваться аномальные ядра со свойствами, непохожими на свойства обычных атомных ядер. А это явление влечет за собой взрыв звезд, имеющих ядерную плотность, - материя звезды разбрасывается и может предохранить звезду от превращения в «черную дыру».
Так все области физики переплетаются в один клу
бок и являют конкретное воплощение того единства природы, о котором мы говорили в главе «О красоте науки».
КАК УСТРОЕНА ПУСТОТА?
Там сверкание новых огней и
невиданных красок, И мираж ускользающий Ждет, чтобы плоть ему дали и дали
названье…
Г. Аполлинер
Что находится между телами? Что останется, если идеальный насос удалит из-под воздушного колокола все частицы? Не есть ли пространство, в котором движутся молекулы, атомы, протоны, нейтроны, электроны, кванты, всего лишь абстрактное понятие - пустота? Оказывается, нет. Наше физическое пространство, или вакуум, - не просто геометрический объект, не ящик для физических тел, а сложная физическая система, обладающая интереснейшими свойствами, совершенно непохожими на свойства твердых сред, жидкостей или газов.
Богатство этого физического объекта открылось с развитием физики последних десятилетий. Именно изучение пустоты соприкасается с самыми глубокими понятиями научного познания, такими, как причинность, связь геометрии с материей, свойства симметрии полей и частиц, связь с ними законов сохранения. Но начнем сначала.
Можно ли толкнуть не прикасаясь?
Мы привыкли к тому, что тела действуют друг на друга при соприкосновении. От камня, брошенного в воду, бежит волна и заставляет колебаться плавающие ветки. Воздействие в волне передается от точки к точке. Звук распространяется за счет передачи давления от одного объема среды к соседнему, в пустом пространстве звука нет. Чтобы попасть в цель, нужно пустить стрелу или бросить камень. Но как объяснить, почему железные опилки на расстоянии притягиваются к магниту, а кусочки бумаги подскакивают к наэлектризованной гребенке? Почему камень притягивается к Земле, хотя между ними нет натянутой пружины?
Вот естественное объяснение: в пространстве вблизи заряженных тел, или магнита, или на поверхности Земли состояние пустоты изменяется. Это измененное состояние называется полем, оно и действует на заряженное тело, магнит, камень, заставляя их двигаться. Во всех трех случаях поля разные: электрическое, магнитное, поле силы тяжести, но каждый раз сила передается через пустое пространство от точки к точке, как через невидимую жидкость. Такой механизм передачи воздействия называется близкодействием.
Современная физика стоит на точке зрения близко-действия: все воздействия передаются от точки к точке с помощью полей. Однако физики не сразу пришли к этой естественной картине.
Существовала и другая точка зрения: в пространстве ничего не происходит, а есть сила, мгновенно передающаяся на расстоянии от одного тела к другому, - такова теория дальнодействия.
Идея дальнодействия получила особенно широкое распространение во времена Ньютона, когда он создал закон всемирного тяготения. Предположение о мгновенной передаче воздействия от одного тела к другому не помешало Ньютону получить законы движения небесных тел, с огромной точностью совпадающие с наблюдениями. И теперь мы знаем почему - небесные тела движутся с малыми скоростями, а гравитационное воздействие проходит расстояние между ними со скоростью света и кажется мгновенным.
Однако возникли серьезные затруднения со свойствами света: было известно, что свет распространяется с конечной скоростью. Кроме того, свет проходит все промежуточные точки на линии светового луча. Особенно хорошо это видно в тумане, когда пучок света прослеживается. Ньютон вышел из этого затруднения, выдвинув «корпускулярную теорию света» - светящееся тело испускает частицы - корпускулы, - которые и передают свет. При таком взгляде распространение света не противоречит идее дальнодействия.
Но представление о частицах, передающих свет, оказалось вовсе не таким невинным: его очень трудно согласовать с волновыми свойствами света, такими, как интерференция (вспомните радужные пятна на воде, это взаимодействие света, отраженного от воды и от масляной пленки) и дифракция (свет вблизи препятствия изгибается тем больше, чем больше длина волны). Ньютон пытался, но не смог убедительно соединить корпускулярную и волновую картины.
Сейчас мы знаем, что в пустоте все взаимодействия - электрическое, магнитное, гравитационное, ядерное - передаются от точки к точке со скоростью, не превышающей скорость света. Если мы сдвинули одно тело за очень короткое время, сила тяжести, действующая на другое, должна измениться. Но если это другое тело далеко, то пройдет много времени, прежде чем оно получит толчок. Где же находится возмущение, когда первое тело уже не движется, а второе еще не имеет сведений о его новом положении? На этот вопрос теория даль-нбдействия не может разумно ответить.
Поэтому многие физики отказались от идеи дальнодействия. Для объяснения передачи воздействия на расстоянии была придумана специальная среда - эфир,- заполняющая все пространство между телами. Воздействие передается за счет того, что вокруг заряженных и намагниченных тел эфир деформируется, и в этом причина силы, действующей на другое заряженное или намагниченное тело. Свет распространяется в эфире как звук в твердом теле. Деформация эфира передается от точки к точке.
Дальнейшее развитие физики подтвердило правильность этого объяснения. Пришлось только исправить представление об устройстве эфира. Вплоть до начала XX века физики пытались строить эфир по образу и подобию известных твердых и жидких тел, между тем как это среда особого рода, свойства ее следует изучать не по аналогии с известными примерами, а сами по себе.
Электромагнитные свойства пустоты
Джеймс Максвелл своими удивительными уравнениями (1878 г.) объединил различные разделы физики: оптику, электричество, магнетизм. У него были могучие предшественники: прежде всего Майкл Фарадей, открывший в 1830 году закон электромагнитной индукции.
Если изменять магнитное поле, то в проволочном кольце, окружающем магнитный поток, возникает электрический ток. Каждый знает, что на этом основаны динамо-машины - движение магнита создает ток. Как абстрактно выглядело это явление в те времена! И как быстро оно превратилось в основу для строительства современных электростанций, питающих светом и энергией громадные города!
Появление тока от переменного магнитного поля означает, что в пространстве вокруг магнитного потока возникает охватывающее его кольцевое электрическое поле.
Еще в 1820 году Ханс Эрстед обнаружил, что ток, текущий по проводнику, создает вокруг себя кольцевое магнитное поле. Что будет, если изменять периодически напряжение электрического поля, создающего ток в проводнике? Получится переменный ток и переменное магнитное поле.
