Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

При этом его построения, все же, отличаются от теории предшественников. Так, уже в конце статьи 1904 г. говорится о том, что флуктуации энергии излучения в объеме порядка длины волны должны быть того же порядка, что и сама энергия излучения: отсюда один шаг до рассмотрения потока излучения как потока частиц.

В автобиографии Эйнштейн пишет: «В эти годы… главным моим вопросом был следующий: какие общие выводы позволяет сделать формула излучения относительно электромагнитной основы физики?»

Но представляется, что раньше была обдумана, хотя и опубликована чуть позже статья о броуновском движении: «Не зная, что наблюдения над "броуновским движением" давно известны, я открыл, что атомистическая теория приводит к существованию доступного наблюдению движения взвешенных микроскопических частиц».

Эти слова излишне скромны. Ведь само существование атомов еще не доказано и ряд видных ученых (В. Оствальд, Э. Мах и др.) в нем сомневаются — атомарная гипотеза кажется в те годы излишним усложнением теории. Есть, правда, электроны, обнаруженные Дж. Дж. Томсоном, но это еще не доказывает пределов делимости веществ. Фактически именно исследование броуновского движения (аналогичную теорию практически одновременно выдвигает М. Смолуховский) дало неопровержимое доказательство существования атомов. Статья эта заканчивается эмоционально, не принятым в научной литературе призывом: «Если бы какому-либо исследователю удалось вскоре ответить на поднятые здесь важные для теории теплоты вопросы!»

Теории броуновского движения посвящен и ряд работ Эйнштейна на протяжении последующих трех лет, но концептуально важна эта, первая. По-видимому, еще до ее завершения и отсылки в печать, внутренне убедившись в существовании атомов, т. е. в невозможности бесконечной делимости вещества, можно обдумать проблему их взаимодействия с излучением. И этот шаг совершается в статье «Об одной точке зрения, касающейся возникновения и превращения света», которую сам Эйнштейн считал наиболее революционной из своих работ.

Во введении скромно говорится: «Я излагаю ход мыслей и факты, натолкнувшие меня на этот путь в надежде, что предлагаемая здесь точка зрения, возможно, принесет пользу и другим исследователям в их изысканиях».

Ход мыслей таков: состояние любого тела описывается пусть большим, но конечным числом величин, связанных с числом атомов и электронов, а вот энергия пучка света представляется непрерывно распределенной в пространстве волной, а потому и бесконечно делимой — два этих представления интуитивно не связываются друг с другом. Волновое представление правильно описывает явления дифракции, дисперсии и т. п., но, возможно, лишь потому, что обычно рассматриваются усредненные характеристики. Поэтому можно предположить , что энергия света также представляется конечным числом локализованных (не очень удачный термин) в пространстве неделимых квантов энергии, и при этом модифицировать закон равнораспределения энергии по степеням свободы. Тогда, по аналогии, «свободно движущееся зеркало… должно совершать в пространстве, заполненном излучением, нечто вроде броуновского движения».

Но для того чтобы флуктуации давления привели к нужному, из термодинамики, значению энергии (сравниваются, что не совсем законно, выражения энтропии по Вину и Больцману), необходимо предположить, «что планковым квантам приходится приписывать своего рода непосредственную реальность; следовательно, в отношении энергии излучение должно обладать своего рода молекулярной структурой, что, конечно, противоречит теории Максвелла».

При этом, что знаменательно, Эйнштейн единственный раз употребляет слово «эфир», говоря, что «в нашей картине не может быть и речи о каком-либо однозначном распределении энергии между эфиром и веществом».

Далее понятие эфира ему не требуется. Зато тут есть ряд экспериментальных фактов, которые можно представить как подтверждение такой точки зрения. Первым из них является доказанное М. Планком в 1900 г. квантовое поглощение излучения, но Планк остановился только на актах поглощения света, хотя его ход рассуждения можно бы продолжить. Так, Дж. Г. Стокс еще в 1852 г. установил, что при люминесценции (последующем свечении некоторых, ранее облученных веществ) длина волны излучения всегда выше длины волны облучающего света. Введением концепции квантов — не только при поглощении, по Планку, но и при излучении света — Эйнштейн сразу же объясняет казавшееся таинственным правило Стокса: в слабом световом потоке квант, поглощенный одним электроном, может испуститься только с такой же или меньшей энергией, т. е. с такой же или большей, согласно формуле Планка, длиной волны [12] Рассуждения здесь не слишком строги, они были уточнены им при рассмотрении импульса квантов. Однако уже в этой статье рассмотрены возможности таких процессов, которые в будущем были названы антистоксовыми, а также возможность поглощения нескольких квантов с последующим испусканием одного, т. е. процесса сложения частот, основы развиваемой с 1960-х гг. физики многофотонных процессов. .

Еще перед этим рассматривается проблема внешнего фотоэффекта: Ф. Ленард в 1899 г. показал, что при нем высвобождаются электроны, энергия которых не зависит от интенсивности света, но прямо пропорциональна его частоте. Гипотеза квантов Эйнштейна дает простое объяснение законам фотоэффекта и, аналогично, явлениям катодолюминесценции и ионизации газов ультрафиолетом. Потому чаще всего эта статья цитируется как теория указанных явлений, хотя ее физическое значение много выше: самым главным был фактический отказ автора от концепции эфира, возможность объяснения ряда световых явлений без необходимости введения этакого «эфирного» костыля (см. стр. 15).

* * *

Теперь можно перейти к созданию теории относительности — статье Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» все в том же знаменитом 17-м томе «Анналов физики». Восстановить точно историю ее создания невозможно — так в 1922 г. в Японии, отвечая на многочисленные вопросы, Эйнштейн говорит: «Трудно сказать, как я пришел к теории относительности, поскольку многие скрытые факторы влияют на человеческое мышление и, кроме того, воздействие их различно».

А в автобиографии он пишет: «Открытие не является делом логического мышления, даже если конечный продукт связан с логической формой», — и при этом, что психологически очень важно, замечает, — «я приходил к заключению, что только открытие общего формального принципа может привести нас к надежным результатам. Образцом представлялась мне термодинамика. Там общий принцип дан в предложении: законы природы таковы, что построить вечный двигатель (первого и второго рода) невозможно. Но как же найти общий принцип, подобный этому?»