Что говорит квантовая теория, и что объяснил Эйнштейн по поводу света

Квантовая теория – один из важнейших разделов современной физики. Само словосочетание может напугать (особенно – если вы гуманитарий). Не вдаваясь в нюансы, скажем только о главном. Тем более, сегодня мы отмечаем день появления квантовой теории света, которую обосновал Эйнштейн в 1908 году. Подробнее читайте в нашем материале. 

В чём суть квантовой теории?

Прежде чем перейти к сложным вещам, обозначим простые. Квант – это неделимая часть какой-то физической величины. Когда учёные поняли, что в микромире не работают классические законы, они стали изучать другие принципы – справедливые только для элементарных частиц и атомов.

14-летний Альберт Эйнштейн

Довольно скоро физики собрали такое количество данных, что стало ясно: помимо классической физики существует и альтернативная, квантовая. Она во многом идёт вразрез с теми знаниями, которое человечество скопило в эпоху Ньютона. Вскоре квантовая теория стала одним из приоритетных направлений мировой науки. Появилась квантовая механика, квантовая теория поля и другие дисциплины. 

Теперь представьте электрон. Как известно, он вращается вокруг ядра атома на определённом уровне. Квантовая теория доказала одно из фундаментальных положений, которое нельзя проиллюстрировать наглядно. Оказывается, электрон не может перейти на другой уровень плавно: он способен только «перескочить» на него. Таким образом, у частицы никогда не бывает промежуточного положения между двумя орбитами. Мгновенный переход любой системы из одного состояния в другое стали называть квантовым скачком. 

Откуда взялась квантовая физика

У истоков квантовой теории стояли Макс Планк и Альберт Эйнштейн. Огромный вклад внёс и датский физик Нильс Бор: он первым описал квантовую модель атома. 

Дело гениев продолжили другие гении: Гейзенберг, Шрёдингер и ещё целый ряд учёных. Каждый вырывал у Вселенной небольшую крупицу истины. Но чем больше люди науки узнавали о квантовой физике, тем больше вопросов мир ставил перед ними. Такой вот парадокс.

Раздел физики, который изучает поведение квантовых систем с бесконечно большим числом степеней свободы, называют квантовой теорией поля. Её разработка привела к появлению так называемой Стандартной модели, которая описывает все виды взаимодействия элементарных частиц (кроме гравитации). Именно Стандартная модель прошла проверку в Большом Адронном Коллайдере, где учёные обнаружили ранее неизвестную частицу – бозон Хиггса.

Читайте также:

Частица бога: как и зачем открыли бозон Хиггса

Квантовая теория света

Квантовая теория света появилась благодаря Альберту Эйнштейну. Великий учёный представил её коллегам 14 ноября 1908 года. С этого момента мир усвоил, что свет состоит из фотонов, которые обладают и волновой природой, и свойствами частицы. Следовательно, свет имеет массу и вес! Да, не удивляйтесь. Квантовая физика всегда говорит на том языке, который нам непривычен.

Ещё один вклад Эйнштейна в квантовую теорию – объяснение фотоэффекта. Таким термином называется открытое ещё Герцем взаимодействие света с веществом (при этом энергия фотонов передаётся электронам этого вещества). Великий учёный потратил много времени на раскрытие загадки и сделал вывод: свет не только излучается фотонами, это единственная форма его существования. 

А. Эйнштейн в 1921 году

Но даже Эйнштейн порой натыкался на необъяснимые вещи, которые ставили его разум в тупик. «Должно быть, я кажусь кем-то вроде страуса, который всегда прячет голову в песок относительности, чтобы не встречаться с проклятыми квантами», – воскликнул однажды гений. 

Что ещё открыла квантовая физика?

Открытия квантовой физики многочисленны. Если вспомнить о некоторых главных, стоит упомянуть хотя бы эти.

Явление суперпозиции. Суть в том, что элементарная частица может находиться в разных состояниях одновременно. Да, в голове не укладывается, но к этому абзацу вы наверняка уже привыкли. Феномен был описан Эрвином Шрёдингером. Отсюда возникли популярные шутки и мемы про кота Шрёдингера: то ли он есть, то ли отсутствует.

Явление квантовой запутанности. Две частицы соединяются так, что состояние одной зависит от состояния другой независимо от дистанции. Представить и визуализировать это нельзя. Так что просто поверьте! С квантовой теорией нельзя по-другому. 

Нильс Бор, один из отцов квантовой физики

Принцип неопределённости. Его описал Вернер Гейзенберг. В 1927 году физик установил, что положение и импульс частицы не могут быть измерены одновременно с высокой точностью. Позже великий Стивен Хокинг добавил, что на этом принципе основано устройство нашей Вселенной.

Квантовое туннелирование. Явление, при котором частица может пройти через такой барьер, для преодоления которого у неё не было бы энергии в классической физике. Этот феномен описал Георгий (Джордж) Гамов в 1928 году.

Даёт ли квантовая теория ответы на главные вопросы человечества? На какие-то – да. И тут же задаёт новые. Путь квантовой физики, хотим мы того или нет, лучше всего иллюстрирует великие слова Сократа: «Я знаю, что я ничего не знаю!» Так и живём.

Ранее мы писали про Блеза Паскаля, чьи труды охватывали и физику, и философию.