Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - Митио Каку

В том же году беспокойный ум Эйнштейна разобрался еще с одной проблемой – проблемой фотоэлектрического эффекта. Еще в 1887 г. Генрих Герц заметил, что луч света, падая на металл, при определенных обстоятельствах вызывает слабый электрический ток. Здесь работает тот самый принцип, на котором основана значительная часть современной электроники. Солнечные батареи преобразуют обычный солнечный свет в электрическую энергию, которой питаются, к примеру, наши калькуляторы. Телекамеры воспринимают световые лучи от объекта и превращают их в электрические токи, которые в конечном итоге образуют телевизионную картинку на экране.

Однако в начале XX в. все это было полной загадкой. Луч света каким-то образом вышибал электроны из металла, но как он это делал? Ньютон в свое время считал, что свет состоит из крохотных частиц, которые он называл «корпускулами», но теперь физики убедились в том, что свет – это волна и, согласно классической волновой теории, его энергия не зависит от его частоты. К примеру, хотя частоты красного и зеленого света различны, сами лучи должны, по идее, обладать одинаковой энергией, а следовательно, когда они падают на металл, энергия выбиваемых электронов тоже должна быть одинаковой. Аналогично классическая волновая теория утверждала, что если увеличить интенсивность света, просто добавив ламп, то энергия этих электронов должна возрасти. Работа Филиппа Ленарда, однако, продемонстрировала, что энергия выбиваемых из металла электронов строго зависит от частоты или цвета светового луча, а не от его интенсивности, что противоречило утверждениям волновой теории.

Эйнштейн попытался объяснить фотоэлектронный эффект при помощи новой «квантовой теории», которую в 1900 г. предложил в Берлине Макс Планк. Надо отметить, Планк предпринял едва ли не самый радикальный отход от классической физики; он предположил, что энергия – не непрерывная величина, подобная жидкости; она существует в виде определенных дискретных пакетов, называемых «квантами». Энергия каждого кванта пропорциональна частоте света, а коэффициент пропорциональности представляет собой новую физическую константу, известную сегодня как «постоянная Планка». Одна из причин того, что мир атома и кванта такой причудливый, заключается в том, что постоянная Планка – очень маленькое число. Эйнштейн рассуждал, что если энергия существует в виде дискретных пакетов, то и свет может оказаться квантованным. (Пакет, или «квант света» по Эйнштейну, позже, в 1926 г., химик Гильберт Льюис окрестил «фотоном», или частицей света.) Эйнштейн рассуждал, что если энергия фотона пропорциональна соответствующей частоте света, то энергия выбитого из металла электрона тоже должна быть пропорциональна этой частоте, в противоположность классической физике. (Забавно отметить, что в популярном телесериале «Звездный путь» экипаж «Энтерпрайза» выпускает во врага «фотонные торпеды». В реальности простейшим пусковым устройством для фотонных торпед является обычный фонарик.)

Предложенная Эйнштейном новая картина – квантовая теория света позволяла делать прямые предсказания, которые можно было проверить экспериментально. Увеличивая частоту светового луча, можно было, если верить этой теории, измерить плавный рост генерируемого в металле напряжения. Эта историческая статья (которая со временем удостоится Нобелевской премии по физике) была опубликована 9 июня 1905 г. под заголовком «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». Выход этой статьи означал «рождение фотона», а также квантовой теории света.

Еще в одной статье, написанной все в том же 1905 «чудесном году», Эйнштейн разобрал проблему атома. Хотя атомная теория показывала замечательные результаты в определении свойств газов и химических реакций, прямых доказательств существования атомов по-прежнему не было, на что любили указывать Мах и другие критики. Эйнштейн рассудил, что существование атомов, возможно, удастся доказать, понаблюдав их действие на крохотные частицы в жидкости. Понятие «броуновское движение», к примеру, относится к небольшим случайным перемещениям маленьких частиц, взвешенных в жидкости. Это явление было открыто в 1828 г. ботаником Робертом Броуном, который, наблюдая пыльцу под микроскопом, заметил, что мельчайшие зерна пыльцы совершают странные хаотичные движения. Поначалу он решил, что эти зигзагообразные движения аналогичны движению мужских половых клеток – сперматозоидов, но затем обнаружил, что такие же странные дерганые движения можно наблюдать во взвеси крохотных зерен стекла или гранита.

Некоторые ученые предполагали, что броуновское движение, возможно, вызывается случайными столкновениями молекул, но никто не мог сформулировать разумную теорию этого явления. Однако Эйнштейн сделал следующий шаг, который оказался решающим. Он рассудил, что, хотя атомы слишком малы, чтобы их можно было видеть, их размер и поведение можно оценить исходя из суммарного воздействия на более крупные объекты. Если всерьез поверить в атомную теорию и разумно применить ее, то можно, анализируя броуновское движение, рассчитать физические размеры атомов. Предполагая, что случайные движения частички пыли в воде вызваны случайными ударами триллионов и триллионов молекул воды, он сумел вычислить размер и вес атомов, получив таким образом экспериментальное доказательство существования атомов.

Это было по меньшей мере поразительно! При помощи простого микроскопа Эйнштейн сумел вычислить, что в одном грамме водорода содержится 3,03 × 1023 атомов, что достаточно близко к реальной величине. Статья называлась «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» (18 июля 1905 г.). В этой несложной статье, по существу, было дано первое экспериментальное доказательство существования атомов. (По иронии судьбы всего через год после того, как Эйнштейн вычислил размер атомов, физик Людвиг Больцман покончил с собой, отчасти из-за постоянных насмешек, которым он подвергался за развитие атомной теории.)

После написания этих трех исторических статей Эйнштейн передал одну из своих более ранних работ (о размере молекул) своему консультанту профессору Альфреду Кляйнеру в качестве диссертации. В тот вечер они прилично выпили вместе с Милевой.

Поначалу диссертация Эйнштейна была отвергнута. Однако 15 января 1906 г. Цюрихский университет присвоил-таки Эйнштейну степень доктора философии. Теперь он мог называть себя «д-р Эйнштейн». Рождение новой физики произошло в жилище Эйнштейнов по адресу Берн, улица Крамгассе, 49. («Дом Эйнштейна» можно увидеть там и сегодня. Можно заглянуть в красивое эркерное окно, выходящее на улицу, и прочесть надпись на табличке, в которой говорится, что за этим окном была создана теория относительности. На другой стене можно увидеть изображение атомной бомбы.)