Снова Альберт

Я говорил, что квантовая механика родилась в 1900 году, фактически возвестив начало столетия мозгового штурма. В 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался рассчитать количество электромагнитных волн, находящихся в равновесии с горячей оболочкой. Чтобы получить формулу, соответствующую экспериментальным результатам, он в конце концов использовал прием, который, казалось бы, не имел смысла: он предположил, что энергия электрического поля распространяется квантами, то есть маленькими пакетами, небольшими порциями энергии. Размер пакетов, согласно его предположению, зависит от частоты (то есть от цвета) электромагнитных волн. Для частоты ? каждый квант, или каждый пакет, обладает энергией

E = h?.

Это первая формула квантовой механики; буква h – это новая константа, которую сегодня мы называем постоянной Планка. Она определяет, сколько энергии содержится в каждом энергетическом пакете для излучения с частотой (цветом) ?. Постоянная h определяет масштаб всех квантовых явлений.

Мысль о том, что энергия может получаться сложением конечных пакетов, шла вразрез со всем, что было известно к тому времени: энергия рассматривалась как нечто, что может меняться непрерывным образом, и не было причины рассматривать ее как нечто сложенное из крупиц. Например, энергия маятника определяет амплитуду его колебаний. Не существует никаких причин, по которым маятник должен колебаться только с некоторыми определенными амплитудами, а не с другими. Для Макса Планка принятие конечного размера энергетических пакетов было лишь странным трюком, который, как оказалось, помог в вычислениях, то есть в воспроизведении результатов лабораторных измерений, но было совершенно непонятно, каким образом.

Спустя пять лет Альберт Эйнштейн – да, снова он – понял, что планковские пакеты энергии совершенно реальны. Это было темой третьей из тех статей, что он отправил в Annalen der Physik в 1905 году. И это подлинный год рождения квантовой теории.

В этой своей статье Эйнштейн показывает, что свет действительно состоит из крошечных зерен, частиц света. Он рассматривает недавно открытое явление – фотоэлектрический эффект. Есть вещества, которые порождают слабый электрический ток, когда на них падает свет. То есть под воздействием освещения они испускают электроны. Сегодня мы используем этот эффект, например, в фотоэлементах, которые открывают двери, когда мы к ним приближаемся, реагируя на изменения в потоке падающего на сенсор света. То, что это происходит, само по себе неудивительно, поскольку свет несет энергию (которая, например, согревает нас) и эта энергия заставляет электроны «спрыгивать» со своих атомов – она дает им необходимый для этого толчок.

Но вот что странно. Естественно было бы ожидать, что при малом количестве световой энергии, то есть при тусклом освещении, это явление наблюдаться не будет, в отличие от ситуации, когда энергии достаточно, то есть свет яркий. Но на деле всё не так: явление наблюдается, только если частота света высокая, и не наблюдается, если частота низкая. Иначе говоря, оно зависит от цвета (частоты) излучения, а не от его интенсивности (энергии). Это совершенно невозможно понять на основе стандартной физики.

Эйнштейн использует планковскую идею о пакетах энергии с размером, зависящим от частоты, и понимает, что если эти пакеты реальны, то явление можно объяснить. Нетрудно понять как. Представьте, что свет приходит в форме частиц энергии. Электрон будет выбит из атома, если отдельная частица, ударяющая по нему, несет много энергии. Важна энергия каждой частицы, а не число этих частиц. Если, как предположил Планк, энергия каждой частицы определяется частотой, явление должно наблюдаться только при достаточно высокой частоте, то есть если отдельные частицы энергии достаточно велики, а от общего количества поступающей энергии оно зависеть не будет.

Это похоже на автомобиль под градом: будет ли он помят, зависит не от количества упавших градин, а от размера отдельных кусков льда. Может выпасть очень интенсивный град, но он не вызовет повреждений, если все градины будут малы. Аналогично, если свет интенсивный, то есть приходит большое количество световых пакетов, но отдельные частицы света слишком малы, то есть если частота света слишком низкая, электроны не будут извлекаться из своих атомов. Это объясняет, почему цвет, а не интенсивность света определяет, будет ли наблюдаться фотоэлектрический эффект. Это простое рассуждение принесло Эйнштейну Нобелевскую премию. Совсем не трудно понять вещи, которые кто-то уже увидел. Трудно увидеть их в первый раз.

Сегодня мы называем эти пакеты энергии фотонами – от греческого слова ???, означающего «свет». Фотоны – это частицы света, его кванты. В своей статье Эйнштейн пишет:

Я и в самом деле думаю, что опыты, касающиеся «излучения черного тела», фотолюминесценции, возникновения катодных лучей при освещении ультрафиолетовыми лучами и других групп явлений, связанных с возникновением и превращением света, лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно. Согласно этому сделанному здесь предположению, энергия пучка света, вышедшего из некоторой точки, не распределяется непрерывно во все возрастающем объеме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком[69].

Эти простые и ясные строки – подлинное свидетельство рождения квантовой теории. Обратите внимание на замечательные вступительные слова: «Я и в самом деле думаю…», которые напоминают сомнения Фарадея или Ньютона или же неуверенность Дарвина, выраженную на первых страницах «Происхождения видов». Подлинные гении понимают исключительную важность совершаемых ими шагов и всегда сомневаются…

Есть очевидная связь между двумя работами Эйнштейна, написанными в 1905 году, – статьей по броуновскому движению (обсуждалась в главе 1) и статьей о квантах света. В первой Эйнштейн нашел способ продемонстрировать корректность атомной гипотезы, утверждающей зернистое строение материи. В другой статье Эйнштейн распространил эту гипотезу на свет: он тоже должен иметь зернистую структуру.

Поначалу идея Эйнштейна о том, что свет может состоять из фотонов, воспринималась коллегами не иначе как ошибка молодости. Все хвалили его за теорию относительности, но считали идею фотона нелепой. Лишь незадолго до того ученые пришли к твердому убеждению, что свет представляет собой волны электромагнитного поля, – как же он может быть зернистым? В письме на имя германского министра с рекомендацией предоставить Эйнштейну профессуру в Берлине самые выдающиеся физики того времени пишут, что этот молодой человек столь ярок, что ему «можно простить» некоторые чудачества, как, например, идею фотонов. Спустя несколько лет те же самые коллеги присудят ему Нобелевскую премию именно за догадку о существовании фотонов. Падающий на поверхность свет действительно напоминает легкий дождь с градом.

Для понимания того, каким образом свет может быть электромагнитной волной и одновременно роем фотонов, требовалось все здание квантовой механики. Однако первый кирпич в основание этой теории уже был заложен: всем вещам, включая свет, присуща фундаментальная зернистость.