Текст книги "Эйнштейн (Жизнь, Смерть, Бессмертие)"

Автор книги: Борис Кузнецов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 46 страниц)

94

У Ньютона некоторые явления не были связаны с исходным постулатом утверждением о зависимости процессов природы от взаимодействия масс. Теория относительности была примирением всей совокупности явлений с этим постулатом. Впоследствии оказалось, что теория относительности прорывает его рамки. Но все это не колеблет основного: совпадение выводов из ньютоновой механики с наблюдениями доказывает способность разума к адекватному познанию мира. Это познание не бывает окончательным, оно бесконечно развивается, но при этом приближается к объективной истине. Поэтому Эйнштейн начинает свою статью о Ньютоне апологией разума и, что крайне характерно для мировоззрения Эйнштейна, социологическими и моральными выводами из могущества разума.

"Несомненно, что разум кажется нам слабым, когда мы думаем о стоящих перед ним задачах; особенно слабым он кажется, когда мы противопоставляем его безумству и страстям человечества, которые, надо признать, почти полностью руководят судьбами человеческими как в малом, так и в большом. Но творения интеллекта переживают шумную суету поколений и на протяжении веков озаряют мир светом и теплом", – продолжает Эйнштейн. И он призывает человечество обратиться к памяти Ньютона как к доказательству силы разума.

Эта апология разума, столь характерная для философских, социологических и моральных идей Эйнштейна, тесно связана с его позицией по отношению к классической механике. Эйнштейн не стремился погасить осветившее мир солнце ньютоновой мысли. Он хотел освободить это солнце от пятен метафизических абсолютов. Развитие теории относительности заменило светило ньютоновой мысли иными светилами. Непоколебимой осталась основная идея: разум освещает своим светом объективный, гармоничный и познаваемый мир.

9 Эйнштейн, 4, 78.

Броуновское движение

Термодинамика – вто единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута.

Эйнштейн

В 1905 г., непосредственно перед публикацией статьи, содержавшей изложение специальной теории относительности, Эйнштейн закончил серию работ, посвященных классической теории молекулярного движения. Заключительная статья в "Annalen der Physik" давала ответ на вопрос о природе наблюдаемого в микроскоп движения небольших тел, взвешенных в жидкости, – так называемого броуновского движения.

Термодинамические исследования Эйнштейна, и в частности теория броуновского движения, имеют самостоятельный интерес. Но в научной биографии творца теории относительности их следует рассматривать в связи с лейтмотивом всей жизни Эйнштейна.

Только что мы познакомились с первыми тактами этого лейтмотива. Теории относительности еще нет. Но мы уже начинаем угадывать тенденцию, которая ведет к теории относительности. Эйнштейн ищет максимально общую, максимально естественную ("внутренне совершенную") теорию, описывающую самые основные процессы природы. Указанные процессы лежат за пределами "чистого описания", они образуют внутреннюю каузальную основу явлений. Такими процессами служат относительные перемещения материальных тел и состоящих из них материальных систем. Субстанциальной подосновой явлений природы служит относительное движение тел. Это понятие превращает хаос отдельных фактов в гармоничную картину мироздания.

96

Такая концепция может быть, как мы увидим, согласована со всякой механикой "типа механики Ньютона", т.е. с картиной мира, в которой элементарными процессами признаются движения и взаимодействия тождественных себе тел. Генезис теории относительности связан именно с классическим идеалом науки, в которой исходным понятием служит относительное движение. Генезис теории относительности связан с обобщением, уточнением такого идеала, с освобождением от всего того, что ему противоречило в исторически сложившихся классических теориях физики.

В термодинамике к классическому идеалу приближались модели кинетической теории газов – представления о движениях и соударениях молекул как о субстанциальной основе тепловых явлений. Но эти модели сделали возможным действительное объяснение только в сочетании с макроскопическими законами, определяющими ход процессов, в которых отдельные молекулы и их движения уже не учитываются. В числе таких макроскопических законов – закон перехода тепла от тела к телу.

В своих "Размышлениях о движущей силе огня" Сади Карно выдвинул принцип необратимости: тепло переходит от теплого тела к холодному, но обратно, от холодного тела к теплому, оно само по себе, без затраты энергии со стороны, не может перейти. Такой необратимый переход теплоты служит характерным примером термодинамических процессов, заставивших науку XIX в. далеко отойти от механицизма предшествующего столетия. Может ли точная регистрация положений, скоростей и ускорений молекул объяснить необратимость перехода тепла от горячего тела к холодному? Так же мало, как сколь угодно точная регистрация положений частиц воздуха в каждый момент может объяснить содержание произносимых речей, которые все же не всегда сводятся к акустическим эффектам волнообразных движений частиц воздуха. Не нужно знать координаты и скорости всех частиц металла, из которых состоит стержень, чтобы объяснить, почему теплота распространяется в определенном направлении – от горячего конца стержня к холодному. Законы механики (которым подчинены столкновения молекул, их движения от одного столкновения до другого – вообще микроскопическая картина) не знают необратимости.

97

Кинетическая теория тепла рассматривает его как результат беспорядочных движений и столкновений молекул. Каждое столкновение описывается исчерпывающим образом в терминах механики. Но чтобы перейти к термодинамическим законам (которым подчинено поведение больших множеств молекул, т.е. макроскопические процессы), нужно отказаться от прослеживания индивидуальных судеб отдельных молекул. Макроскопические закономерности термодинамики – вероятностные, статистические законы; они исходят из вероятности той или иной судьбы молекул, а действительность следует за вероятностью только тогда, когда перед нами большое число индивидуальных судеб. Если взять классический пример теории вероятности – выпадение "герба" и "решки" при бросании монеты, то примерно равные числа выпадений того и другого (соответствующие равенству вероятностей выпадения при каждом бросании) получатся при сотне или тысяче бросаний. Если бросать монету десять раз, такой реализации равенства вероятностей не получится, монета может падать десять раз подряд "горбом" кверху – никакой закономерности тут не обнаружится. Таким же образом не определено никакой термодинамической закономерностью поведение десятка молекул. Они могут обладать самыми различными скоростями, а в следующий момент другими, и никакого закономерного перехода мы тут не обнаружим. Но когда перед нами очень большое число беспорядочно движущихся молекул, мы твердо знаем, что распределение их скоростей с течением времени будет все больше соответствовать вероятности. В металлическом стержне, который никто в данный момент не подогревает, наиболее вероятной будет одинаковая средняя скорость молекул, т.е. одинаковая температура по всей длине стержня. Если стержень нагрет с одного конца и средняя скорость молекул тут больше, то с течением времени температура выравняется. Это макроскопическая закономерность, свойственная лишь большому числу молекул.

Существование макроскопических закономерностей термодинамики, которые отличаются от чисто механических закономерностей поведения отдельных молекул, доставило перед наукой ряд принципиальных вопросов. В каком отношении находится макроскопическая термодинамика к механике молекул? Аналогичный вопрос можно поставить для макроскопических статистических закономерностей биологии, т.е. для закономерностей развития вида, и закономерностей, определяющих в каждом отдельном случае судьбу данной особи.

Очевидно, сложные макроскопические закономерности не сводятся к микроскопическим закономерностям. Мы не поймем необратимого перехода тепла от одного тела к другому и его распространения в данном теле, не поймем хода макроскопических термодинамических процессов вообще, если ограничимся законами механики и попытаемся непосредственно свести к ним более сложные, чем простое перемещение, ряды явлений. В этом смысле термодинамика указывает некоторые границы объяснения природы с позиций ньютоновой механики. Границы эти можно перейти, если включить в систему понятий, служащих для объяснений сложных процессов, некоторые новые понятия, не свойственные механике Ньютона. К числу таких понятий принадлежит, в частности, необратимость. Подобные понятия специфичны для каждого конкретного ряда явлений и создают естественную основу классификации наук, некоторые относительные границы между дисциплинами. Указанные границы являются границами непосредственного применения ньютоновых законов и понятий к другим, помимо механики, разделам естествознания. Мы будем их называть частными границами.

Их существование было открыто в XIX в., что и отличает науку этого столетия от предшествующего. Великие открытия XIX в. показали, что физика с ее статистическими закономерностями и необратимостью не сводится к механике, химия не сводится к физике, биология не сводится к совокупности механических, физических и химических явлений, поскольку сущность органической жизни отнюдь не в механических, молекулярных, химических и тому подобных процессах, без которых, она, впрочем, невозможна. Идея несводимости высших форм движения к более общим и простым была высказана в общем виде Энгельсом в "Диалектике природы". В ней подчеркнут относительный характер несводимости, то обстоятельство, что высшие формы движения неотделимы от низших, что из несводимости отнюдь не следует, "будто каждая из высших форм движения не бывает всегда необходимым образом связана с каким-нибудь действительным механическим (внешним или молекулярным) движением" [1].

1 Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 20, с. 563.

99

Идея несводимости физических – именно термодинамических закономерностей к механике и их неотделимости от механики, от перемещения частиц вещества позволяет понять действительные истоки некоторых научно-философских дискуссий конца прошлого века.

Забвение несводимости вело к рецидиву механицизма, забвение неотделимости термодинамических процессов от движения отдельных молекул – к попыткам освободить понятие движения от его материального носителя. Оствальд предложил освободить энергию, фигурирующую в термодинамике, от какой-либо связи с движением молекул и затем вообще потребовал замены понятия материи понятием энергии. К сходным воззрениям пришел и Мах, объявивший "верой" убеждение в существовании атомов вещества.

В 1827 г. Броун наблюдал под микроскопом цветочную пыльцу, плававшую в воде. Отдельные пылинки все время находились в беспорядочном движении. Пылинка каждый раз сдвигается на незначительное, почти неулавливаемое глазом расстояние, и происходит это в течение ничтожного интервала времени. Если фотографировать движущуюся пылинку с очень большой экспозицией, на пластинке получится пятно совершенно случайной размазанной формы результат многократного попадания пылинки на то же самое место перед объективом аппарата. Если фотографировать пылинку, например, через каждые 30 секунд и соединить получившиеся на пластинке изображения пылинки, т.е. почерневшие точки, мы получим ломаную линию.

После этих предварительных замечаний можно перейти к работам Эйнштейна о броуновском движении и к значению указанных работ.

Эйнштейн объяснил броуновское движение исходя из кинетической теории тепла, из картины беспорядочно движущихся и сталкивающихся молекул. Он учитывал неизбежные флюктуации в беспорядочных ударах, которые наносят телу окружающие молекулы жидкости.

100

Под флюктуацией, как мы знаем, следует понимать нарушение наиболее вероятного распределения различных событий во времени или в пространстве. Когда мы увеличиваем число событий, например бросаем монету десять, сто, тысячу раз и т.д., фактическое распределение событий "решка" и "герб" стремится к наиболее вероятному распределению – к равному числу выпадений "герба" и "решки". Когда мы уменьшаем число событий (число бросаний монеты), мы всё с большим основанием можем ожидать нарушений вероятности, ожидать "невероятного" выпадения "решки" подряд несколько раз и такого же выпадения "герба" подряд. Когда мы совершим двадцать бросаний, одна и та же сторона монеты может выпасть даже все двадцать раз подряд, но это будет очень редким случаем, а когда мы имеем пять бросаний, то аналогичная флюктуация будет сравнительно частой. При беспорядочных движениях молекул число ударов, нанесенных взвешенной в жидкости пылинке с одной стороны, может значительно превысить число ударов с другой стороны. Если пылинка велика, такая флюктуация маловероятна, на пылинку действует очень большое число молекул и их толчки соответствуют наиболее вероятному распределению; толчки в целом уравновешивают друг друга. Но при очень малых размерах пылинки возможны флюктуации, нарушения равновесия, избыток толчков в одну сторону по сравнению с числом толчков в противоположную сторону. Подобная несимметричность воздействий молекул на пылинку в течение очень короткого промежутка времени вызывает сдвиг пылинки, который можно увидеть при помощи микроскопа.

Представим себе большой резервуар с жидкостью, в котором достигнуто наиболее вероятное, равномерное распределение температуры, т.е. скорость частиц в среднем одна и та же во всех частях резервуара. В этом резервуаре нет потоков жидкости, нет никаких длительных нарушений беспорядочного движения молекул. Небольшие, микроскопические нарушения все время происходят. Такие флюктуации становятся заметными, когда мы переходим к очень малым масштабам. Они вызывают "микроскопические" (в самом прямом смысле, видимые лишь под микроскопом) сдвиги пылинок, плавающих в нашем резервуаре.

101

Теперь представим себе, что на эти микроскопические закономерности (чисто механические закономерности движений молекул) накладываются макроскопические закономерности. Мы подогрели жидкость у одного края резервуара.

Наблюдая теперь броуновское движение пылинок, можно обнаружить несимметричность броуновских сдвигов. Сдвиги, соответствующие направлению потоков, вызванных подогревом, будут многочисленнее, чем сдвиги в противоположную сторону. На фотографии мы увидим, что пылинка после большого числа броуновских сдвигов не останется вблизи исходного пункта, а уйдет на некоторое расстояние в направлении увлекшего ее потока жидкости.

Чтобы сделать яснее соотношение между микроскопическими закономерностями кинетической теории, описывающей движения молекул, и термодинамическими закономерностями, определяющими поведение больших, макроскопических масс, мы коснемся не физической, а биологической естественнонаучной теории XIX в. – теории Дарвина. Его теория исходит из индивидуальных судеб отдельных организмов. Эти судьбы определяются в каждом случае чисто случайными с точки зрения судьбы всего вида причинами. Пусть внешняя среда, в которой обитает вид, не меняется; вид достиг максимального соответствия среде. Тогда остаются отдельные, индивидуальные изменения и флюктуации – серии одинаково направленных изменений у различных организмов. Такие флюктуации будут встречаться тем чаще, чем меньшие числа особей мы наблюдаем. Флюктуации не нарушают неподвижности вида в целом, так же как флюктуации, вызывающие броуновское движение, не нарушают равномерности и отсутствия макроскопических потоков в резервуаре, о котором недавно шла речь. Если среда, в которой обитают организмы данного вида, требует изменения видовых признаков, симметрия индивидуальных вариаций и флюктуаций нарушается: изменения, направленные в одну сторону, наследуются, накопляются, приводят к изменениям вида в большей степени, чем вариации, направленные в противоположную сторону. Но эти закономерности отбора действуют только статистически; они как бы накладываются на закономерности индивидуальных судеб, определяют лишь вероятность той или иной судьбы организма, и этой вероятности соответствует действительный ход событий, когда мы переходим к большим множе

102

ствам организмов – к судьбе вида в целом. Идея подобных статистических макроскопических закономерностей (определяющих в отдельных случаях лишь вероятность некоторого хода событий, вероятность, которая превращается в достоверность лишь в большой массе случаев) – одна из самых центральных идей естествознания XIX в. Она не покушалась на основной образ классического естествознания – движение, которое с полной точностью, для каждого атома, в каждый момент и в каждой точке определено (не вероятность того или иного движения, а само движение) первоначальным импульсом и взаимодействием с другими телами в данный момент. За любыми статистическими закономерностями стоит движение частицы, подчиненное подобным не статистическим, а динамическим закономерностям, описанным в "Началах" Ньютона.

Эйнштейн в своей теории броуновского движения сосредоточил внимание на учете этих динамических, нестатистических (можно сказать, "застатистических" или "субстатистических" – они стоят за кулисами статистических закономерностей термодинамики) закономерностей. Вернее было бы сказать, что Эйнштейн показал средствами статистики, при помощи понятий статистики, существование "застатистических" динамических закономерностей движения отдельных молекул.

Теория относительности показала, что исходные динамические закономерности мира иные, не такие, какими их описал Ньютон в "Началах". Но это не изменило динамического характера закономерностей механики (в отличие от статистических закономерностей термодинамики).

Двадцать лет спустя этот динамический, чуждый понятию вероятности характер законов механики был опрокинут новой революцией в науке. Истоки новой революции содержались во все том же томе "Annalen der Physik" – в статье Эйнштейна о квантах света. Но отношение Эйнштейна к мысли о статистических закономерностях как исходных закономерностях мира было очень сложным. В нем нужно разобраться, иначе нельзя показать гармонию всего творчества Эйнштейна в целом. Здесь пришлось так подробно рассказать о статистических закономерностях термодинамики и включить элементарные пояснения, чтобы потом легче было изложить и

103

разъяснить отношение Эйнштейна к квантово-статистическим закономерностям. Этот вопрос интересует не только физиков. Как подходил величайший физик нашего времени к проблеме основных, исходных закономерностей мира – это вопрос не истории физики, а вопрос всей культурной истории XX столетия.

В юности на Эйнштейна произвела сильное впечатление именно неотделимость закономерностей термодинамики от механики молекул. Термодинамика в глазах Эйнштейна – не отрицание движения частиц, т.е. механики как основы картины мира (так думали Мах и Оствальд), и не область непосредственного господства механических законов (так думали эпигоны механицизма); для Эйнштейна термодинамика является широкой областью опосредствованного применения и подтверждения законов движения дискретных частей материи. Для механицизма XVIII в. и для его эпигонов физические задачи, которые решались при помощи механики, были однотипными. В науке XIX в. эти задачи были разнообразными в смысле сложности, многокрасочности, несводимости одна к другой. Для Эйнштейна подобное разнообразие задач и предметов – доказательство силы и согласия с действительностью той теории, которая в последнем счете, не зачеркивая специфичности частных задач, служит ключом к их решению. "Теория, – пишет Эйнштейн, – производит тем большее впечатление, чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ее применения. Отсюда глубокое впечатление, которое произвела на меня классическая термодинамика. Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута (к особому сведению принципиальных скептиков)" [2].

2 Эйнштейн, 4, 270.

Что именно в классической термодинамике придает ей такую исключительную устойчивость?

Классические законы, определяющие ускорения, скорости и положения молекул в каждый момент, иначе говоря, законы механики Ньютона, уступили место другим, более точным законам. Незыблемым остается положение о переходе термодинамических систем в достаточно боль

104

ших пространственных и временных областях из менее вероятных состояний в более вероятные и выведение этой закономерности из большого числа беспорядочных движений отдельных молекул. Могут измениться законы, управляющие этими движениями, но связь сложных необратимых, вероятностных, статистических процессов с движением частиц остается незыблемой.

Теория броуновского движения разбивала иллюзию независимости макроскопических законов от кинетических моделей, в которых фигурируют молекулы. Эйнштейн, рассказывая, как законы броуновского движения и другие открытия в учении о теплоте и молекулярном движении убедили скептиков в реальности атомов, отмечает, что скептицизм Маха и Оствальда вытекал из предвзятой позитивистской схемы.

"Предубеждение этих ученых против атомной теории можно, несомненно, отнести за счет их позитивистской философской установки. Это интересный пример того, как философские предубеждения мешают правильной интерпретации фактов даже ученым со смелым мышлением и с тонкой интуицией" [3].

3 Эйнштейн, 4, 276.

Могут ли, спрашивает Эйнштейн, факты сами по себе без теоретических конструкций привести к научному представлению о действительности? Под теоретической конструкцией подразумеваются те или иные гипотезы о непосредствепно ненаблюдаемых атомах и молекулах и об их движениях. Для Маха подобное вторжение в непосредственно не наблюдаемую область "метафизика". Для Оствальда задача ограничивается описанием макроскопически наблюдаемых переходов энергии из одной формы в другую без проникновения в закулисный мир движущихся частиц материи. Для Эйнштейна именно в таком проникновении и состоит задача познания физических процессов. Описание непосредственно наблюдаемых фактов (в данном случае – макроскопических процессов) не дает однозначной теории. Непосредственно связанные с эмпирическим материалом понятия вовсе не вытекают однозначным образом из объективной реальности. Их "очевидность" – иллюзия, возникшая от длительного применения.

105

Фотоны

Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимся веществом?

Ньютон

В предыдущей главе говорилось о "классическом идеале" науки, о картине мира, которая может отличаться от ньютоновой по характеру законов, движения тел, но принадлежит к тому же типу: ее исходными понятиями служат относительное движение и взаимодействие частиц и состоящих из них тел. Столкновение механики Ньютона с термодинамикой окончилось благополучно и для механики Ньютона, и для "классического идеала" вообще. Механика Ньютона сохранила свои позиции за кулисами статистических законов термодинамики. Это, впрочем, еще не гарантировало абсолютной точности ньютонового варианта "классического идеала". Следующие столкновения (с электродинамикой!) заставили перейти к иным вариантам.

Теория относительности была освобождением "классического идеала" от противоречий и произвольных допущений, она приносила ему "внешнее оправдание" и "внутреннее совершенство" ценой перехода от ньютонового варианта к новому. Эта схема будет проиллюстрирована при изложении работ Эйнштейна 1905 г. (специальная теория относительности) и 1916 г. (общая теория относительности). Но указанная программа привела и к более радикальному результату. Она поставила под сомнение не только ньютонов вариант "классического идеала", но и самый этот идеал – картину мира, в которой наиболее элементарными понятиями служат перемещение и взаимодействие тождественных себе тел. С таким результатом теории относительности мы столкнемся в связи с работами Эйнштейна в тридцатые пятидесятые годы.

106

Указанный более радикальный результат – пересмотр "классического идеала" – гораздо явственнее и скорее, чем в теории относительности, наметился при развитии идеи, выдвинутой Эйнштейном также в 1905 г., – идеи квантов света, или фотонов. Первоначально речь шла также о торжестве "классического идеала". Но развитие идей, высказанных Эйнштейном в теории фотонов, в конце концов стало угрожать "классическому идеалу" в целом. Когда же принципы теории относительности и принципы квантовой теории света объединились, картина взаимного перемещения тождественных себе тел потеряла свой титул исходного, наиболее глубокого представления о мире.

В 1900 г. Макс Планк разрешил некоторые, очень тяжелые, противоречия теории излучения, предположив, что энергия электромагнитных волн, т.е. света, излучается и поглощается дискретными, далее неделимыми количествами, квантами.

Эйнштейн в 1905 г. выдвинул теорию, согласно которой свет не только излучается и поглощается, но и состоит из дискретных, далее неделимых порций, квантов света. Они представляют собой частицы, которые движутся в пустоте со скоростью 300 000 километров в секунду. Впоследствии (в двадцатые годы) эти частицы получили название фотонов.

Существование фотонов – квантов света – само по себе не следует из существования неделимых порций излучения и поглощения. Эйнштейн разъяснил соотношение гипотезы фотонов и теории Планка следующим сравнением:

"Если пиво всегда продают в бутылках, содержащих пинту, отсюда вовсе не следует, что пиво состоит из неделимых частей, равных пинте". Филипп Франк развил эту аналогию [1]. Чтобы проверить, состоит ли пиво в бочонке из неделимых далее частей, разольем его из бочонка в некоторое число сосудов, например в десять сосудов. Разливать мы будем пиво совершенно произвольным образом, предоставляя случаю определить, сколько попадет в каждый сосуд. Измерим, сколько пива ока

107

залось в каждом сосуде, и потом выльем его обратно в бочонок. Повторим такую операцию некоторое большое число раз. Если пиво не состоит из неделимых частей, среднее количество пива в каждом сосуде будет одно и то же для всех этих сосудов. Если же пиво состоит из неделимых частей, между сосудами появятся различия в среднем количестве пива. Представим себе в качестве крайнего случая, что бочонок содержит только одну неделимую порцию пива. Тогда вся эта порция будет вылита каждый раз только в один сосуд и различие между содержимым сосудов будет наибольшим: в одном сосуде окажется все пиво из бочонка, остальные сосуды останутся пустыми. Если бочонок состоит из двух, трех и так далее неделимых порций, отклонения от среднего значения станут все меньше. Таким образом, по величине отклонений от среднего значения, т.е. по величине флюктуаций, можно судить о величине неделимых порций пива.

1 См.: Frank, 72.

Перейдем теперь к изучению электромагнитных волн. Пусть они заполняют ограниченный стенками "бочонок" – некоторый объем пространства, состоящий из отдельных клеток. Можно ли разделить энергию этих волн на сколь угодно большое число частей или мы натолкнемся на неделимые далее "порции"? И если излученное электромагнитное поле дискретно, то какова величина его наименьших "порций"?

На эти вопросы можно ответить, измеряя отклонения количества энергии в клетках от среднего значения – вариации этого количества при переходе от одной клетки к другой. Если минимальные "порции" велики, то и вариации велики; если "порции" малы, то и вариации малы.

Измерения дают следующий результат. В фиолетовом свете (более высокие частоты электромагнитных колебаний), заполняющем некоторый объем, мы встречаемся со сравнительно большими вариациями количеств энергии в различных клетках. В красном свете (менее высокие частоты колебаний) флюктуации количества энергии, т.е. вариации при переходе из одной клетки в другую, меньше. Отсюда следует, что фиолетовый свет (колебания с большей частотой) состоит из более крупных неделимых порций энергии, чем красный свет (колебания с меньшей частотой).

108

По этому можно судить, что "пиво не только продается пинтовыми бутылками, но и состоит из пинтовых порций", – свет состоит из неделимых частиц; он не только поглощается и излучается неделимыми частями, но и в промежутке между излучением и поглощением состоит из неделимых частиц, несущих больше энергии, если частота электромагнитных колебаний больше. Энергия частиц (квантов) света – фотонов – пропорциональна частоте и для определенного (монохроматического) света представляет определенную величину.

Корпускулярная структура света, существование фотонов демонстрируется самым непреложным образом в ряде экспериментов. Особенно отчетливо и убедительно существование фотонов выводится из явлений фотоэлектрического эффекта. Эти явления состоят в появлении электрического тока под действием света. Попадая на металлическую пластинку, свет вырывает из нее электроны, движение этих электронов создает электрический ток.

Представим себе некоторый источник света, т.е. излучатель электромагнитных волн. По мере того как волна расходится во все стороны, плотность энергии на фронте волны уменьшается. Но при этом энергия выбитых с пластинки электронов не уменьшается. Каждый выбитый электрон обладает той же энергией, уменьшается лишь число таких электронов. Пусть излученная энергия как раз такая, какая нужна, чтобы выбить электрон из пластинки. Эксперимент показывает, что в этом случае свет может вырвать электрон из пластинки, т.е. даст фотоэлектрический эффект на большом расстоянии от источника. По замечанию Крамерса, дело происходит так, как будто с корабля в воду прыгнул матрос, а энергия волны, разошедшейся по поверхности моря после всплеска воды, дошла бы до другого края моря и здесь выбросила такого же купающегося матроса на палубу его корабля.

Итак, из теории фотоэлектрического эффекта следует, что энергия, затраченная на освобождение одного электрона, не зависит от расстояния между металлической пластинкой и источником света. Она зависит от частоты электромагнитных колебаний. В каждом случае выбитый электрон получает всю необходимую для его освобождения энергию, по чем дальше расстояние, тем таких электронов меньше. Такая закономерность, заключил Эйнштейн, соответствует картине отдельных частиц, разле

109

тающихся во все стороны от источника света. Чем дальше от источника, тем меньше в среднем будет таких частиц в единице объема, тем меньше вероятность встречи с частицей света в каждой точке пространства, но если мы встретились с этой частицей, ее энергия одна и та же на любом расстоянии от источника, она зависит только от частоты колебаний. Но о каких, собственно, колебаниях идет речь, если свет состоит из частиц? Здесь мы сталкиваемся с самой тяжелой апорией физики XX в., содержащейся в выдвинутой Эйнштейном теории световых квантов.