Ирина Радунская - Безумные идеи

С самого рождения квант оказался капризным младенцем. Введенный Планком в расчет в качестве кванта энергии, он появился в окончательной формуле в виде кванта действия – величины, являющейся произведением энергии на время. Причина этой трансформации оставалась неясной. Постепенно Планк, а вслед за ним и другие ученые примирились с дискретностью энергии, но дискретность механического действия долго оставалась непостижимой.

Работа Планка не вызвала резонанса. Долгих пять лет новорожденный квант спал в своей колыбели. Понадобился гений, чтобы превратить этого младенца в Геркулеса.

Новый Геркулес

Шли первые годы нашего столетия. Безвестный, с трудом получивший место эксперта патентного ведомства начинающий физик Альберт Эйнштейн упорно размышлял над тайнами фотоэффекта.

Столетов и Герц, русский и немецкий физики, подробно изучили к этому времени, как свет выбивает электроны из поверхности твердых тел. Были установлены все подробности этого явления, названного фотоэффектом. Но никто не мог понять, почему энергия вылетающих электронов не зависит от яркости падающих лучей, а определяется только их цветом. Ведь, исходя из общепризнанной волновой теории света, можно было ожидать, что энергия электронов, выбиваемых волной, зависит от силы электрического поля волны, попадающей в место, где находится электрон. Но сила поля определяется яркостью, а не цветом.

Никто не мог объяснить и существования красной границы фотоэффекта – того удивительного факта, что для каждого вещества в спектре солнечного света существует своя индивидуальная граница. Лучи, лежащие в красную сторону от границы, никогда не вызывают фотоэффекта, а лежащие в фиолетовую сторону от нее – легко выбивают электроны из поверхности вещества.

Это было тем более удивительно, что существование цветовой границы прямо противоречило волновой теории света, господствовавшей в науке около 300 лет. С волновой точки зрения красной границы вообще не должно было быть. Световая волна любой длины должна быть способна выбить электрон. Для этого нужно или подождать подольше или взять свет поярче. В соответствии с волновой теорией можно было ожидать «накопления» действия света. Яркий свет должен был приводить к вылету электрона скорее, чем слабый. Но ни безграничное терпение экспериментаторов, ни самые яркие источники света не могли преодолеть красной границы. И здесь суд опыта высказывался против классической теории света.

Загадку решил Эйнштейн. Он пришел к выводу, что квантовая теория Планка, созданная только для объяснения механизма обмена тепловой энергией между электромагнитным полем и веществом, должна быть существенно расширена. Он установил, что энергия электромагнитного поля, в том числе и световых волн, всегда существует в виде определенных порций – квантов.

Так Эйнштейн извлек квант из его колыбели и продемонстрировал людям его поразительные возможности. Представление о кванте света (фотоне) как об объективной реальности, существующей в пространстве между источником и приемником, а не о формальной величине, появляющейся только при описании процесса обмена энергией, сразу позволило ему создать стройную теорию фотоэффекта. Это подвело фундамент и под зыбкую в то время формулу Планка.

Действительно, если свет не только излучается и поглощается квантами, но и распространяется в форме квантов – определенных порций электромагнитной энергии, то законы фотоэффекта получаются сами собой. Нужно только сделать естественное предположение, что квант-фотон взаимодействует с электроном один на один.

Энергия каждого отдельного фотона зависит только от частоты световых колебаний, то есть от его «цвета». Красному цвету соответствует почти вдвое меньшая частота, чем фиолетовому; значит, энергия красных фотонов почти вдвое меньше энергии фиолетовых фотонов.

Так как электроны удерживаются в твердом теле вполне определенными для каждого вещества силами, то энергии красного фотона может не хватить для преодоления этих сил и освобождения электрона, а фиолетовый фотон легко это сделает. Так возникает красная граница, характерная для каждого вещества.

Столь же непосредственно объясняется и независимость энергии вылетевшего из вещества электрона от яркости вырвавших его лучей. Ведь энергия электрона – это остаток, разность между энергией фотона и той энергией, которую он затратил на вырывание электрона. Яркость света, то есть число квантов, попадающих в секунду на квадратный сантиметр поверхности тела, тут ни при чем. Кванты света падают независимо один от другого, и каждый поодиночке выбивает (или не выбивает) электрон. Они не могут дождаться друг друга, чтобы совместными усилиями вырвать электрон, поэтому фотоэффект не зависит ни от яркости света, ни от времени освещения.

Теряет свой мистический характер и гипотеза Планка о квантовом характере взаимодействия электромагнитного поля с веществом. До Эйнштейна эта гипотеза опиралась только на то, что выведенная на ее основе формула соответствовала опыту, ликвидировала ультрафиолетовую катастрофу. Но оставалось неясным, как волна – совершенно непрерывный процесс – разбивалась на кванты в процессе взаимодействия с веществом. Теперь, когда оказалось, что электромагнитная энергия всегда существует в виде квантов, трудно предположить, что она взаимодействует с веществом не квантами, а непрерывно, как это думали до Планка.

Квантовая теория света, успешно справившаяся с загадкой фотоэффекта, отнюдь не была всесильной. Наоборот, она была совершенно беспомощной в попытках описать ряд общеизвестных явлений. Например, таких, как возникновение ярких цветов в тонких слоях нефти, разлитой на воде, или существование предельного увеличения микроскопа и телескопа.

Волновая же теория света, бессильная в случае фотоэффекта, легко справлялась с этими вопросами.

Это вызвало непонимание и длительное недоверие к квантовой теории света. Ее не принял и отец квантов – Планк. Даже в 1912 году, представляя уже знаменитого Эйнштейна в Прусскую академию наук, Планк и другие крупнейшие немецкие физики писали, что ему не следует ставить в упрек гипотезу световых квантов!

Сам Эйнштейн не придавал трагического значения этому противоречию. Наоборот, он считал его естественным, отражающим сложный, многогранный (мы сказали бы – диалектический) характер природы света. Он считал, что в этом проявляется реальная двойственная сущность света и что это лежит в природе вещей. А постоянная Планка играет существенную роль в объединении волновой и квантовой картины. Она иллюстрирует собой союз волн и частиц.

Как мы увидим позже, распространив эти идеи Эйнштейна на микрочастицы, французский физик Луи де Бройль заложит основы волновой механики – одного из краеугольных камней фундамента современной квантовой физики.