Банеш Хофман - Альберт Эйнштейн. ТВОРЕЦ И БУНТАРЬ.

Получив эту формулу путем математических ухищрений, Планк столкнулся с необходимостью вывести ее же, исходя уже из физических принципов. Как он говорил восемнадцать лет спустя в речи при получении Нобелевской премии, последующие недели были самыми напряженными в его жизни. К декабрю решение было найдено, но судите сами, насколько оно правдоподобно. Предположим, Планк со всей серьезностью заявил бы, что качели могут описывать только дуги длиною три, шесть, девять и т. д. футов, но не четыре фута, не полфута и т. д. Безусловно, вы скажете, что это чепуха. Тем не менее для того, чтобы вывести свою формулу, Планку пришлось допустить нечто подобное, хотя и в микроскопическом масштабе. Иначе говоря, ему пришлось допустить, что энергия этих микроскопических колебаний изменялась не гладко, а скачками на дискретные величины, названные им квантами. Ему пришлось также допустить, что соотношение энергия/частота колебаний должно обладать одним и тем же значением для каждого такого квантового скачка. Это значение, обозначенное им h, называется теперь постоянной Планка. А его квантовая гипотеза олицетворяет собой поворотный пункт в истории науки. Что же касается физики, то здесь она произвела подлинный переворот.

Однако не следует оценивать прошлое с позиций сегодняшнего дня. В 1900 г. квантовая гипотеза казалась Планку крайне непривлекательной. Много позже он назвал выдвижение этой гипотезы «актом отчаяния». Несмотря на свои опасения, 14 декабря 1900 г. Планк сделал сообщение об этой работе в Немецком физическом обществе. Его доклад был опубликован в «Трудах» общества. Расширенный вариант Планк отослал в «Annalen der Physik», где он был опубликован в 1901 г. Все это было встречено вежливым молчанием. Сам Планк в течение ряда последующих лет безуспешно пытался вывести свою формулу излучения иным, не столь радикальным путем. Не то чтобы он старался избавиться от h, ибо она занимала свое место в формуле излучения и никак не могла быть оттуда изъята. (На самом-то деле она косвенно содержалась уже в неверной формуле Вина). С конца 1900 по 1905 г. квантовая гипотеза оставалась в безвестности. В те годы во всем мире, пожалуй, только один человек осмелился воспринять ее всерьез. Это был Эйнштейн. Он быстро осознал все значение работы Планка и 17 марта 1905 г., через три дня после своего двадцатишестилетия, послал в «Annalen der Physik» первую — «очень революционную» — из четырех статей, о чем сообщил Габихту.

Работа Эйнштейна начиналась с простого, но серьезного замечания по самому существу проблемы. Он указал на глубокий конфликт между тем, как физики-теоретики рассматривают материю, и тем, как они рассматривают излучение. Материя считалась состоящей из частиц. Однако уравнения Максвелла, т. е. уравнения поля, описывали излучение как нечто гладкое и непрерывное, без какого-либо намека на атомарность, а потому одновременное рассмотрение и материи, и излучения привело бы к столкновению, а не к гармоничному взаимодействию традиционных теорий. Эйнштейн пошел дальше в своих рассуждениях и математически доказал, что такое столкновение неминуемо.

Можно ли избежать его? Эйнштейн прекрасно отдавал себе отчет, сколь огромны достижения электромагнитной волновой теории света. Ему было известно также, что для некоторых ситуаций эта теория просто не годилась. И вот Эйнштейн смело предложил рабочую гипотезу, согласно которой свет следует рассматривать состоящим из частиц.

И это не было дилетантской попыткой поразить невидимую цель. Эйнштейн не осмелился бы выдвинуть такую крайне экстравагантную идею, не имея на то веских оснований. Давайте проанализируем их хотя бы для того, чтобы показать всю глубину его интуиции. Ему пришлось смело, но осторожно выбираться из затруднительного положения. Эйнштейн основывался на неверной формуле излучения черного тела Вина, полагая, что она будет удовлетворять его целям, ибо в тех случаях, когда формула Вина «работала», она работала прекрасно. Тем самым Эйнштейну удалось в отличие от Планка избежать одностороннего подхода к проблеме. Так было надежнее.

У Вина он позаимствовал формулу энтропии излучения. Сопоставив ее с формулой излучения черного тела, выведенной самим же Вином, Эйнштейн показал, что в этом случае математическая запись энтропии излучения становилась аналогичной формуле энтропии газа, а тем самым и составляющих его частиц. Затем Эйнштейн сопоставил ее, но уже по-другому, с предложенной Больцманом формулой энтропии в теоретиковероятностной ее интерпретации. Далее Эйнштейн показал, что для этих частиц света соотношение энергия/частота должно в точности соответствовать той величине, которую Планк использовал для определения квантовых скачков.

Как глубоко должен был Эйнштейн знать и чувствовать физику, до чего безошибочной должна была быть его интуиция, чтобы выбрать именно те фундаментальные принципы, которые позволили получить эти выдающиеся результаты! Он прекрасно сознавал, сколь многочисленные возражения могут последовать со стороны физиков против его предложения. Тем не менее Эйнштейн распространил «квантовую инфекцию» непосредственно на свет, как будто мало было хлопот с самой гипотезой Планка. Он сумел объяснить гладкость поля в понимании Максвелла сглаживанием во времени аналогично тому, как при большой выдержке фотография бегуна получается размытой. Но Эйнштейну было прекрасно известно, что он не сумеет дать удовлетворительное объяснение волнам Максвелла, существование которых было доподлинно подтверждено Герцем; или неопровержимым опытам по определению скорости света в воде; или, уж если добираться до самых основ, «интерференции» Юнга и Френеля — весомому аргументу против ньютоновской корпускулярной теории света, распространившейся чуть ли не за сто лет до появления основополагающей идеи Планка.

Стоит отметить поразительную параллель между Юнгом и Эйнштейном. Когда Юнг впервые выдвинул против общепринятой корпускулярной теории понятие интерференции (свет гасит свет), он осознавал, что ему не разделаться со всеми трудностями, с которыми столкнется волновая теория. И все же это не остановило его, так как он чувствовал, что ньютоновская корпускулярная теория уязвима. Последующие исследования полностью оправдали его дерзость. Столетие спустя всеобщим признанием пользовалась волновая теория. Однако Эйнштейну, как и Юнгу до него, это не помешало утвердиться во мнении, что и теория Максвелла также уязвима. В пользу такого предположения говорили некоторые накопленные к тому времени факты.

Оставив временно в стороне спорные вопросы о квантах света, Эйнштейн сконцентрировал внимание на тех преимуществах, которые сулило принятие его идеи. Эти преимущества, как он доказал, отнюдь не были малосущественными, особенно если учесть, что они проявлялись именно там, где свет взаимодействовал с материей и где теория Максвелла сталкивалась с затруднениями. Эйнштейн показал, что его кванты света способны объяснить известный эффект, связанный с флуоресценцией. Он показал также, что эти кванты света могут объяснить наблюдавшийся эффект прохождения ультрафиолетового света через газ. И — что немаловажно — Эйнштейн применил свою идею для объяснения испускания электронов из металлов под воздействием света — явления, известного под названием фотоэлектрического эффекта. За три года до этого немецкий физик Филипп Ленард провел важные эксперименты по изучению фотоэлектрического эффекта. Он подчеркивал, что полученные им экспериментальные данные резко расходились с предсказаниями теории Максвелла. Например, увеличение частоты света приводило к возрастанию энергии испускаемых электронов, а этот факт никак нельзя было объяснить исходя из теории Максвелла. Эйнштейн показал, что идея квантов света с чрезвычайной легкостью объясняет озадачивающие результаты Ленарда. Взять, к примеру, эффект изменения частоты. Испускание электронов металлом обусловлено попаданием на него квантов света. Примем к сведению, что соотношение энергия/частота имеет фиксированное значение. А потому, чем выше частота, тем больше становится энергия и соответственно возрастает количество энергии, передаваемой квантом света электрону при столкновении с ним. Поэтому не удивительно, что при увеличении частоты света энергия испускаемых электронов также увеличивается. Ничуть не сложнее оказалось объяснить другие, не менее загадочные явления. Эйнштейну удалось элементарно просто описать фотоэлектрический эффект, перед чем спасовала даже классическая теория Максвелла. Следствия из предложенной Эйнштейном теоретической интерпретации фотоэлектрического эффекта значительно превосходили объем известных к тому времени экспериментальных фактов.