Прямоходящие мыслители. Путь человека от обитания на деревьях до постижения миро устройства - Леонард Млодинов

Но хотя Эйнштейн и помог физикам окончательно принять понятие атома, в своей работе, посвященной квантовой теории Планка, Эйнштейн ввел новую «атомоподобную» теорию света, которую физикам оказалось еще труднее усвоить. Изучив исследования абсолютно черного тела, проделанные Планком, Эйнштейн пришел к своей собственной теории. Не удовлетворившись рассуждениями Планка, он разработал собственные математические приемы понимания этого явления. И хотя пришел он к тому же заключению – что излучение абсолютно черного тела можно объяснить лишь в понятиях кванта, – в его объяснении содержалось важнейшее, пусть и чисто техническое с виду, отличие: Планк допустил, что дискретный характер энергии излучения происходит от особенностей осцилляции атомов и молекул абсолютно черного тела, происходящей при излучении, а Эйнштейн счел дискретную природу неотъемлемым свойством самого излучения.

Эйнштейн рассматривал излучение абсолютно черного тела как доказательство радикально нового закона природы: вся электромагнитная энергия передается конечными «пакетами», а излучение состоит из частиц, подобных атомам света. Именно благодаря этому прозрению Эйнштейн первым осознал, что квантовый принцип – революционен, что он – фундаментальная сторона нашего мира, а не просто удобный частный математический прием, примененный для объяснения излучения абсолютно черного тела. Он назвал частицы излучения световыми квантами, а в 1926 году его световые кванты получат свое современное имя – фотоны.

Брось Эйнштейн это дело на полпути, его теория фотонов стала бы лишь очередной моделью, выдуманной, как Планкова, для объяснения излучения абсолютно черного тела. Но, если представление о фотоне в самом деле фундаментально, оно должно прояснить природу и других явлений, а не только того, ради которого его измыслили. Эйнштейн обнаружил одно такое явление – фотоэлектрический эффект.

Фотоэлектрический эффект – явление, при котором свет, направленный на металл, вызывает электронную эмиссию. Испускаемые электроны можно зарегистрировать в виде электрического тока и применять в разных приборах. Это явление сыграет ключевую роль в развитии телевизионной техники и по-прежнему применяется в приспособлениях типа детекторов дыма и сенсоров, не дающих дверям лифта закрыться, когда вы в него входите. В последнем случае луч света пересекает вход в лифт и падает на фотоэлектрический рецептор на противоположной стороне, при этом генерируется электрический ток; заходя в лифт, вы разрываете собой луч света и, соответственно, ток перестает генерироваться, а производители лифтов устроили все так, что, когда ток прекращает течь, двери не закрываются.

Что свет, направленный на металлы, может генерировать электрический ток, обнаружил в 1887 году немецкий физик Генрих Герц [Хайнрих Херц] – он первым осознанно произвел и засек электромагнитные волны от электрических разрядов, и именно в честь него названа единица частоты, герц. Но Герц не мог объяснить фотоэлектрический эффект, поскольку электроны тогда еще не открыли. Это случилось в лаборатории британского физика Дж. Дж. Томсона в 1897 году – через три года после смерти Герца в возрасте тридцати шести лет от редкого заболевания, при котором воспаляются кровеносные сосуды.

Существование электрона предложило простое объяснение фотоэлектрического эффекта: волна света ударяется о металл, происходит возбуждение электронов металла, и они вылетают вовне и являют себя в виде искр, излучения и тока. Вдохновленные работой Томсона физики принялись изучать этот эффект в подробностях. Но продолжительные и трудные эксперименты постепенно выявили особенности фотоэлектрического эффекта, не отвечавшие теоретической картине.

К примеру, если увеличить интенсивность светового луча, электронов с металлической поверхности срывается больше, но на энергии их это увеличение не сказывается. А это противоречит предсказанию классической физики: чем интенсивнее свет, тем больше в нем энергии, а значит при ее поглощении электроны должны вылетать быстрее, с большей энергией.

Эйнштейн размышлял над этой загадкой несколько лет и в 1905 году наконец внес квантовую поправку: полученные данные можно объяснить, если свет состоит из фотонов. Картина фотоэлектрического эффекта, предложенная Эйнштейном, такова: каждый квант света, попадающий на металл, передает свою энергию некоему конкретному электрону. Энергия, которую несет каждый фотон, пропорциональна его частоте, или «цвету», света, и, если фотон доносит достаточно энергии, он вышибет электрон с поверхности металла. Свет более высокой частоты состоит из фотонов с большей энергией. Однако, если увеличить лишь интенсивность света (а не частоту), в потоке света будет больше фотонов, но у них не будет больше энергии. В результате свет большей интенсивности выбьет из металла больше электронов, но энергия этих электронов будет та же – и именно это наблюдается в эксперименте.

Предположение, что свет состоит из фотонов – частиц – противоречило Максвелловой премного любимой всеми теории электромагнетизма, которая постановляла, что свет – волна. Эйнштейн выдвинул догадку – и не ошибся, – что классические «максвелловские» волновые свойства света могут возникать, когда оптическое наблюдение за светом предполагает воздействие громадного количества фотонов, что в обычных обстоятельствах и происходит.

Лампочка в сотню ватт, к примеру, испускает примерно миллиард фотонов в одну миллиардную секунды. Квантовая же природа света проявляется, когда исследованию подвергается свет низкой интенсивности – или же, как в случае кое-каких явлений, например, фотоэлектрического эффекта, чей механизм связан с дискретностью природы фотонов. Но рассуждений Эйнштейна оказалось недостаточно, чтобы убедить остальных принять его радикальные взгляды, и встретили их со значительным и почти поголовным скептицизмом.

Особенно мне люб один комментарий на работу Эйнштейна – рекомендация 1913 года[345], написанная совместно Планком и еще несколькими ведущими физиками по случаю принятия Эйнштейна в почтенную Прусскую академию наук: «В общем, можно сказать, что это далеко не самая значимая задача, на кои так богата современная физика, в которую Эйнштейн и заметного вклада не внес. То, что он иногда промахивается мимо цели в своих рассуждениях, как, например, в гипотезе световых квантов, не следует ставить ему в упрек, ибо невозможно предложить по-настоящему новое воззрение, даже в самых точных науках, если временами не рисковать».

Как ни парадоксально, именно один из первых противников фотонной теории Роберт Милликен позднее произвел точные замеры, подтвердившие закон Эйнштейна, который описывает энергию эмитированных фотоэлектронов, – и получил за эти усилия Нобелевскую премию 1923 года (а также и за измерение заряда электрона). Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921-м с такой формулировкой: «Альберту Эйнштейну за служение теоретической физике и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта»[346].

Альберт Эйнштейн, 1921 год

Нобелевский комитет решил признать уравнение Эйнштейна, зато не удостоил вниманием интеллектуальную революцию, благодаря которой ему удалось его вывести. Никто не помянул ни световые фотоны, ни Эйнштейнов вклад в квантовую теорию. Абрахам Пайс назвал это «исторической недооцененностью, но также и точным отражением единства мнений физического сообщества»[347].

Сомнения в фотоне и в квантовой теории в целом окончательно разрешатся до конца десятилетия – благодаря созданию формальной теории «квантовой механики», которые потеснят Ньютоновы законы движения с их места фундаментальных принципов, управляющих движением предметов и их откликом на приложенные к ним силы. Когда эта теория наконец возникла, Эйнштейн признал ее успех, однако теперь сам восстал против кванта.

Отказываясь принять квантовую теорию как окончательную, Эйнштейн никогда не уставал верить, что она будет рано или поздно замещена еще более фундаментальной теорией, которая восстановит традиционные представления о причине и следствии. В 1905 году он опубликовал три статьи, и каждая изменила ход жизни физики, однако остаток своих дней безуспешно пытался добиться другого результата – повернуть вспять то, что сам начал. В 1951 году, в одном из последних писем своему другу Микеле Бессо, Эйнштейн признал, что потерпел поражение. «Пятьдесят лет размышлений, – писал он, – нисколько не приблизили меня к ответу на вопрос “Что есть световой квант?”»[348].

Глава 11

Царство незримого

Заработав себе докторскую степень, я получил место младшего научного сотрудника в Калтехе и взялся искать себе тему для дальнейших трудов, чтобы не вылететь из науки и не занять более доходную позицию официанта в факультетском клубе. Как-то раз после одного семинара я разговорился с физиком Ричардом Фейнманом о теории под названием струнная. Фейнман, которому в те поры перевалило за шестьдесят, среди своих коллег-физиков был, вероятно, самым почитаемым на свете. Ныне многие (хотя отнюдь не все) считают теорию струн главным кандидатом на единую теорию всех сил природы, святой грааль теоретической физики. Но в те времена о ней мало кто слышал, а из них, в свою очередь, ею мало кто увлекался – включая Фейнмана. Он как раз брюзжал по поводу теории струн, когда в разговор вмешался гость нашего факультета, прибывший из университета в Монреале: «Мне кажется, не стоит отвращать молодых людей от исследования новых теорий лишь потому, что они не приняты светилами физики»[349], – сказал он Фейнману.