Карл Зигмунд - Точное мышление в безумные времена. Венский кружок и крестовый поход за основаниями науки

Эйнштейн понимал, что отважно бросается в неизвестное, поэтому в конце своей статьи об «эвристической точке зрения» кратко, в виде приложения, описал три способа проверить свою дерзкую гипотезу о квантах света. Одна из трех проверок задействовала фотоэлектрический эффект: суть его в том, что при падении света на металлическую пластину из нее иногда вылетают электроны — а иногда нет, в зависимости от разнообразных факторов, которые в 1905 году еще не были выявлены.

Фотоэлектрический эффект открыли сравнительно недавно. Первым его заметил немецкий ученый Генрих Герц (1857–1894) в 1887 году, когда проводил серию опытов, неопровержимо доказавших теорию Максвелла, согласно которой свет состоит из электромагнитных волн! По мнению Герца, этот эффект был просто досадным недоразумением, несколько помешавшим его эксперименту, но впоследствии это мелкое недоразумение станет первой трещинкой в броне великой теории Максвелла. Невозможно не подивиться парадоксальному стечению обстоятельств: один и тот же эксперимент одновременно и подтвердил, и опроверг величайшее достижение физики девятнадцатого века!

В 1905 году о фотоэлектрическом эффекте Герца время от времени вспоминали, но большинство физиков он не особенно интересовал. Однако Эйнштейн с присущей ему обостренной интуицией заподозрил, что если провести эксперименты с должной аккуратностью, можно будет при помощи этого любопытного явления либо подтвердить, либо опровергнуть его гипотезу о квантах света. Поэтому он сделал предсказание на основании своей гипотезы — построил простой линейный график вероятных результатов будущих экспериментов по изучению фотоэлектрического эффекта. Любопытно, что в статье Эйнштейн подчеркнул, что прямая, которую он прогнозирует, не соответствует лучшим экспериментальным данным по фотоэлектрическому эффекту, доступным на то время. То есть его статья не объясняла имеющиеся данные, а предсказывала другие. Можно ли вообразить себе большую дерзость? Гипотеза Эйнштейна не просто попирала все общепринятые теоретические представления о свете, но и противоречила экспериментальным данным, полученным при изучении явления, которое, по утверждению Эйнштейна, могло бы подтвердить его гипотезу.

И в самом деле, Макс Планк и остальное физическое сообщество отнеслись к доводам из статьи Эйнштейна о квантах света с крайним недоверием. Более того, много лет никто ее не цитировал, никто не воспринимал всерьез ее идеи, и Эйнштейн оставался единственным человеком на планете (за исключением разве что его жены), убежденным в «корпускулярной» природе света. Даже Планк, питавший к Эйнштейну глубочайшее уважение, в 1913 году сказал о своем младшем коллеге: «И пусть иногда — как, например, в гипотезе о квантах света — он заходит в своих предположениях слишком далеко, его не стоит в этом упрекать, поскольку никакое подлинное новаторство, даже в точных науках, невозможно без некоторого риска и отваги» [81] 81 Письмо с предложением избрать Эйнштейна в Прусскую академию наук, 12 июня 1913 года. .

Прошло десять лет после публикации статьи Эйнштейна, и американский физик Роберт Милликен в своей знаменитой книге о фотоэлектрическом эффекте описал, как подтвердил линейный график Эйнштейна с необычайной точностью, однако затем утверждал (ошибочно), что к этому времени Эйнштейн сам отказался от своей теории о квантах света. Чтобы подчеркнуть, какое странное сложилось положение, Милликен добавил: «Эксперимент опередил теорию, точнее, опирался на неверную теорию, и выявил связи, по всей видимости, крайне интересные и важные, однако их причины пока что совершенно не ясны» [82] 82 Robert Andrews Millikan. The Electron. Chicago: University of Chicago Press, 1917, р. 230. .

В 1922 году наметился любопытный поворот. Эйнштейн наконец-то получил Нобелевскую премию по физике. Но за что ее присудили? За доказательство существования атомов? Нет, это было уже давно. За кванты света? Нет, конечно! В эти глупости никто не верил! За теорию относительности — общую, специальную или и ту, и другую? Тоже нет, хотя его труды по теории относительности перевернули физику и сделали Эйнштейна знаменитым во всем мире. Нобелевскую премию Эйнштейн получил «за заслуги в теоретической физике, а в особенности за открытие закона фотоэлектрического эффекта». В этом решении Нобелевского комитета нет ни грана смысла, поскольку в то время никто, кроме самого Эйнштейна, не соглашался с его рассуждениями, на основании которых был сформулирован закон фотоэлектрического эффекта, хотя сам закон был прекрасно подтвержден Робертом Милликеном в ходе высокоточных экспериментов, которыми ученый занимался несколько лет.

Но в 1923 году все резко изменилось. В тот год американский физик-экспериментатор Артур Холли Комптон открыл аномалию в том, как свет рассеивает электроны (точнее, изменение длины световой волны), которую невозможно было объяснить уравнениями Максвелла, зато ее идеально описывали «ошибочные» представления Альберта Эйнштейна о квантах света (химик Гилберт Льюис вскоре переименовал их в фотоны). Физики всего мира внезапно были вынуждены пересмотреть свое рефлекторное отвращение к «эвристической точке зрения», о которой Эйнштейн рассказал в 1905 году, и вскоре все приняли ее с распростертыми объятиями.

С тех пор физикам приходится пользоваться не одним, а двумя противоречивыми представлениями о том, что называют светом: для его полного описания необходимы и максвелловские электромагнитные волны, и эйнштейновские фотоны, и примирить одно с другим пока что не удается. Такая дуальная природа не знала прецедентов в истории физики.

Так что же такое свет? Корпускулярно-волновой дуализм невозможно объяснить. Но, может быть, объяснение — это не конечная цель физической теории. Эйнштейн еще в 1905 году из осторожности говорил всего лишь об «эвристической точке зрения», которую можно применять как инструмент для мысленных экспериментов. И старательно избегал любых предположений о подлинной природе света.

Однако вернемся в 1905 год — в annus mirabilis . Статья Эйнштейна о специальной теории относительности вышла всего через три месяца после статьи о квантах света. Она тоже была, прямо скажем, революционной, однако понять и принять ее многим физикам оказалось гораздо легче. Сочетание великой простоты и огромной глубины не могло не очаровать.

Примерно за триста лет до этого Галилео Галилей понял, что движение тела можно измерить, только ориентируясь на какое-то другое тело, то есть относительно другого тела. Иначе говоря, чтобы измерить скорость или определить местоположение, нужна так называемая система отсчета . В двух системах отсчета, движущихся друг относительно друга, скорости, приписываемые движущимся телам, могут получиться разными. Муха, летающая по салону самолета, в системе отсчета пассажиров обладает довольно низкой скоростью, а с точки зрения людей на земле мчится невероятно быстро. Вроде бы это очевидно. Однако измерения показали, что скорость луча света не зависит от системы отсчета, из которой ее измеряешь. Скорость света в вакууме постоянна и фиксированна , где бы ты ни был и как бы ни двигался. Скорость света в салоне самолета одинакова и для пассажиров, и для людей на земле.