Текст книги "Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности"

Автор книги: Манжит Кумар

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 32 страниц)

Эйнштейн стал пропускать лекции, и в октябре 1898 года сдать экзамен ему удалось только благодаря великолепным конспектам Гроссмана. Дела пошли совсем по-другому, когда курс физики начал читать Генрих Фридрих Вебер. Эйнштейн “дождаться не мог следующей лекции”²⁶. Вебер, которому было больше пятидесяти, умел живо излагать материал, и Эйнштейн признавал, что лекции по термодинамике он читал “мастерски”. Но, к сожалению, в курсе ничего не говорилось о теории магнетизма Максвелла и о других новейших результатах. Вскоре склонность Эйнштейна к независимости и пренебрежение к занятиям начали сказываться на его отношениях с профессорами. “Вы толковый молодой человек, – говорил ему Вебер, – но делаете большую ошибку: не позволяете научить вас чему-нибудь”²⁷.

На выпускном экзамене в июле 1900 года Эйнштейн стал четвертым из пяти. Экзамены оказались для него настолько тяжелым испытанием и настолько лишили уверенности в себе, “что еще год он не мог даже подумать о том, чтобы взяться за решение какой-нибудь научной задачи”²⁸. Милева была единственной, кто экзамен не сдал. Это был чувствительный удар для юноши и девушки, которые к тому времени уже нежно называли друг друга Johonzel (Джонни) и Doxerl (Долли). А дальше было вот что.

Эйнштейн больше не видел себя школьным учителем. После четырех лет жизни в Цюрихе у него родился новый честолюбивый замысел: стать физиком. Но даже для лучшего студента шансы получить постоянную работу в университете были мизерными. Первой ступенькой являлась должность ассистента одного из профессоров “Поли”, но никто не захотел с ним связываться. Тогда Эйнштейн стал искать место на стороне. “Скоро окажется, что я осчастливил своими предложениями всех физиков от берегов Северного моря до южной оконечности Италии”, – писал он Милеве в апреле 1901 года, когда она гостила у его родителей²⁹.

Одним из “осчастливленных” был химик из университета в Лейпциге Вильгельм Фридрих Оствальд. Эйнштейн писал ему дважды, но оба письма остались без ответа. По-видимому, отец, терзавшийся при виде упавшего духом сына, сам, без ведома Альберта (Эйнштейн так об этом и не узнал) тоже написал Оствальду³⁰: “Уважаемый господин профессор! Пожалуйста, простите отца, который осмелился обратиться к Вам по поводу своего сына. Все, кто может судить о его способностях, считают моего сына очень талантливым. В любом случае, смею заверить Вас, он необыкновенно любит науку, прилежен и предан своему делу”³¹. Это обращение осталось без ответа. (Позднее именно Оствальд первым выдвинет Эйнштейна на соискание Нобелевской премии.)

Впрочем, и антисемитизм мог сыграть свою роль. Эйнштейн был уверен, что именно плохая характеристика, данная Вебером, помешала ему получить место ассистента профессора. Он было совсем потерял надежду, но тут пришло письмо от Гроссмана с предложением подходящей и хорошо оплачиваемой работы. Гроссман-старший узнал о его бедственном положении и захотел помочь молодому человеку, которого так высоко ценил его сын. Он горячо порекомендовал Эйнштейна своему другу Фридриху Галлеру, директору бюро патентов в Берне, где имелась вакансия. “Когда я вчера получил твое письмо, – писал Эйнштейн Марселю, – оно тронуло меня верностью и человеколюбием, заставившими тебя не забыть старого неудачливого друга”³². К этому времени Эйнштейн, который целых пять лет был человеком без гражданства, стал гражданином Швейцарии. Он был уверен, что это поможет ему в поисках работы.

Может быть, судьба действительно сменила гнев на милость? Эйнштейну предложили временную работу в технической школе городка Винтертур примерно в двадцати милях от Цюриха. С утра у Эйнштейна было пять или шесть уроков, а во второй половине дня он был свободен и мог заниматься физикой. “Ты даже не представляешь, как я счастлив на этом месте! – писал он ‘папаше Винтелеру’ из Винтертура. – Я совершенно отказался от мысли получить место в университете, поскольку вижу, что даже так у меня достает силы и желания продолжать попытки заниматься наукой”³³. Вскоре все перестало быть радужным: Милева объявила, что беременна.

Провалив экзамены во второй раз, Милева вернулась к родителям, чтобы дождаться рождения ребенка. Эйнштейн воспринял новость о том, что скоро станет отцом, спокойно. Ему уже приходило в голову сделаться страховым агентом, и теперь он торжественно пообещал взяться за любую, даже самую скромную работу, чтобы они смогли пожениться. Когда родилась дочь, Эйнштейн был в Берне. Он никогда не видел Лизерль. Что случилось с ней, удочерил ее кто-нибудь или она умерла в младенчестве, остается тайной.

В декабре 1901 Фридрих Галлер написал Эйнштейну, что он может предложить свои услуги патентному бюро³⁴. Перед Рождеством заявление о приеме на работу было подано. Эйнштейну казалось, что окончились его бесконечные поиски постоянной работы. “Все время я строю самые радужные планы на будущее, – писал он Милеве. – Я уже говорил тебе, в каком достатке мы будем жить в Берне?”³⁵ Уверенный, что очень быстро все образуется, Эйнштейн оставил работу учителя в частной школе-интернате в Шафгаузене. Он должен был проработать год, но уволился уже через несколько месяцев.

В Берне в то время жили около шестидесяти тысяч человек. Эйнштейн приехал в первую неделю февраля 1902 года. Со времен пожара, уничтожившего пятьсот лет назад половину Берна, атмосфера Старого города мало изменилась. Здесь, на Грехтиг-кайтгассе (Аллее правосудия), недалеко от знаменитого парка с медведями, Эйнштейн снял квартиру³⁶. Она стоила всего двадцать три франка и, как он писал Милеве, “была просто большой красивой комнатой”³⁷. Распаковав чемоданы, Эйнштейн отправился в редакцию газеты и поместил объявление с предложением своих услуг в качестве учителя математики и физики. Первый урок считался пробным и бесплатным. Объявление было напечатано 5 февраля, в среду, а уже через несколько дней потраченные на него деньги окупились. Один из учеников описывал своего нового учителя так: “Рост Эйнштейна сто семьдесят шесть сантиметров. Он широкоплеч, слегка сутулый. Его короткий череп кажется невероятно широким. Цвет лица матовый, смуглый. Над большим чувственным ртом узкие черные усы. Нос с легким орлиным изгибом. Глаза карие, светятся глубоко и мягко. Голос пленительный, как вибрирующий звук виолончели. Эйнштейн говорит довольно хорошо по-французски, с легким иностранным акцентом”³⁸.

Молодой румынский еврей Морис Соловин наткнулся на объявление, читая газету на улице. Соловин, изучавший философию в Бернском университете, интересовался и физикой. Он считал, что недостаток математического образования мешает ему достаточно глубоко понимать эту науку. Потому, прочитав объявление, Соловин немедленно отправился по указанному адресу. Эйнштейн сразу почувствовал родственную душу. Ученик и учитель беседовали два часа. У них нашлось много общих интересов, и, проговорив еще полчаса на улице, они договорились увидеться на следующий день. Но когда ученик и учитель вновь встретились, настоящего урока не получилось: оба с энтузиазмом обсуждали волновавшие их вопросы. На третий день Эйнштейн заявил: “Собственно говоря, уроки физики вам не нужны”³⁹. Они быстро подружились. В Эйнштейне Соловину больше всего нравилась его способность точно и понятно обрисовать поставленную задачу.

Вскоре Соловин предложил читать одни и те же книги, а потом обсуждать их. Когда Эйнштейн был еще школьником в Мюнхене, именно так они поступали с Максом Талмудом. Он решил, что это блестящая идея. Вскоре к ним присоединился Конрад Габихт. Приятель Эйнштейна по работе в школе-интернате в Шафгаузене, он переехал в Берн, чтобы в университете закончить диссертацию по математике. Эти трое, объединенные желанием учиться для собственного удовольствия и разбираться в сложных вопросах физики и философии, стали называть свой кружок “Академия ‘Олимпия’”.

Хотя Эйнштейн был рекомендован Галлеру его другом, тот сам хотел убедиться, что молодой человек справится с работой. Число патентных заявок на разнообразные электрические устройства росло, и надо было привлечь к работе не только инженеров, но и физика. Поэтому прием Эйнштейна на работу в бюро был насущной необходимостью, а не просто услугой другу. Молодой человек произвел на Галлера достаточно приятное впечатление, и он предложил ему временно занять должность технического эксперта III класса с годовым жалованием в три с половиной тысячи франков. В восемь часов утра 23 июня 1902 года Эйнштейн впервые отправился на работу, как “респектабельный федеральный бумагомаратель”⁴⁰.

“Вы физик, – заявил ему Галлер, – а значит, ничего не смыслите в чертежах”⁴¹. О постоянной работе не могло и быть речи до тех пор, пока он не сможет их читать и оценивать. Галлер сам взялся научить Эйнштейна всему необходимому, включая искусство выражаться ясно, лаконично и корректно. Хотя тому никогда не нравилось, когда его поучали как школьника, было понятно, что у Галлера, которого он считал “чудесным человеком и светлой головой”⁴², следует перенять все, что только можно. “К его резкому тону быстро привыкаешь. Я его глубоко уважаю”, – писал Эйнштейн⁴³. По мере обучения и сам Галлер научился ценить своего молодого протеже.

В октябре 1902 года отец Эйнштейна, которому было всего пятьдесят пять лет, серьезно заболел. Эйнштейн поехал в Италию повидаться с ним – как оказалось, в последний раз. Именно тогда Герман Эйнштейн дал согласие на брак Альберта и Милевы. До тех пор и он, и Паулина возражали против матримониальных планов сына. В январе следующего года в Берне Соловин и Габихт стали единственными гостями на гражданской церемонии заключения брака между Альбертом и Милевой. “Брак – это попытка создать нечто прочное и долговременное из случайного эпизода”, – заметит позднее Эйнштейн⁴⁴. Но в 1903 году ему была нужна жена, которая готовила бы, убирала и смотрела за ним⁴⁵. Милева же рассчитывала на нечто большее.

В бюро патентов Эйнштейн был занят сорок восемь часов в неделю. С понедельника по субботу он приходил на работу в восемь часов утра и трудился до полудня. Потом завтрак – дома или в соседнем кафе с друзьями. В контору надо было вернуться к двум. Он написал Габихту, что “кроме восьми часов работы остается восемь часов ежедневного безделья и сверх того воскресенье”⁴⁶. Только в сентябре 1904 года Эйнштейн получил постоянную работу, а его жалованье выросло до четырех тысяч. А весной 1906 года Галлер, пораженный умением Эйнштейна “разбираться в самых сложных патентных заявках”, оценил его как “одного из наиболее высоко ценимых экспертов бюро”⁴⁷. Эйнштейн получил повышение и стал техническим экспертом II класса.

“Я буду благодарен Галлеру до конца жизни”, – писал Эйнштейн Милеве сразу после переезда в Берн, ожидая место в бюро⁴⁸. Свое обещание он выполнил. Но только много лет спустя он в полной мере оценил степень влияния на него Галлера и работы в бюро: “Может, я бы и не умер, но мой интеллектуальный рост застопорился бы”⁴⁹. Галлер требовал, чтобы каждая патентная заявка оценивалась настолько строго, чтобы впоследствии ее нельзя было опротестовать юридически. “Вначале считайте, что в заявке все ошибочно, что изобретатель по меньшей мере жертва самообмана. Если же это окажется не так, внимательно следуйте за каждым поворотом его мысли, но не теряйте бдительности”, – наставлял Галлер Эйнштейна⁵⁰. Так получилось, что Эйнштейн нашел работу, подходившую ему по темпераменту и позволившую проявить себя. И к занимавшим его физическим вопросам Эйнштейн относился с той же беспристрастностью, с какой оценивал помыслы и надежды изобретателей, часто построенные на зыбком песке сомнительных чертежей и неправильно выбранных технических условий. Умение всесторонне обдумывать вопрос, которому научила его эта работа, он считал “подлинно благословенным даром”⁵¹.

“У него была способность оценить значение того, что осталось незамеченным, фактов известных всем, но ускользнувших от их внимания, – вспоминал друг и соратник Эйнштейна, физик-теоретик Макс Борн. – Именно его сверхъестественная способность проникнуть в суть законов природы, а не владение математическим аппаратом, отличает его от всех нас”⁵². Эйнштейн знал, что не обладает достаточной математической интуицией, которая могла бы позволить ему отличить то, что на самом деле важно, от “всего остального, скрывающего только более или менее глубокую образованность”⁵³. Но когда дело касалось физики, его чутье было безупречным. Эйнштейн как-то сказал, что “научился чуять то, что может касаться основ, и отвлекаться от всего остального, от множества вещей, загромождающих мозг и отвлекающих от самого главного”⁵⁴.

Годы, проведенные в бюро, только обострили его чутье. Как и при работе с патентами, Эйнштейн искал слабые стороны, несогласованность в чертежах, по которым работает природа. Если в теории обнаруживалось противоречие, Эйнштейн пытался устранить его, добиться правильного понимания или, если сделать было ничего нельзя, предложить альтернативу. Его “эвристический” принцип, согласно которому в некоторых случаях свет ведет себя как поток частиц, был способом, который Эйнштейн предложил, чтобы разрешить противоречие, связанное с самыми основами физики.

Эйнштейну потребовалось много времени, чтобы согласиться с тем, что мир состоит из атомов и что эти дискретные разорванные частички материи обладают энергией. Например, энергия газа – сумма энергий отдельных составляющих его атомов. Но это ни в коей мере не касалось света. Согласно теории электромагнетизма Максвелла, да и любой волновой теории, световые лучи распространяются непрерывно, охватывая все большую область пространства, наподобие волн, расходящихся из точки на поверхности пруда, в которую попал камень. Эйнштейн видел в этом глубокое формальное различие. Оно его беспокоило, но, с другой стороны, стимулировало желание всесторонне обдумать вопрос⁵⁵. Он понял, что дихотомию между прерывностью материи и непрерывностью электромагнитной волны можно устранить, если предположить, что свет тоже состоит из квантов⁵⁶.

О квантах света Эйнштейн задумался после того, как перепроверил выведенную Планком формулу для спектра излучения абсолютно черного тела. Он согласился с тем, что эта формула верна, но, анализируя способ, которым она была получена, Эйнштейн заподозрил неладное. Планк должен был получить совсем иную формулу, однако он знал, какой эта формула должна быть, и построил свой вывод так, чтобы получить именно ее. Эйнштейн точно определил место, где Планк сбился с пути. В отчаянной попытке обосновать свое уравнение (которое, он знал, прекрасно согласуется с экспериментом) ему не удалось применить последовательно физические представления и методы расчета, имевшиеся в его распоряжении. Эйнштейну стало ясно, что если бы Планк это сделал, он получил бы уравнение, совершенно не согласующееся с экспериментом.

В июне 1900 года лорд Рэлей уже предложил формулу, которую должен был бы получить Планк, но тот либо не придал ей значения, либо вообще не заметил. Тогда он еще не верил в существование атомов и поэтому не мог согласиться с тем, что Рэлей использовал теорему о равнораспределении. Атомы могут двигаться только тремя способами: вверх и вниз, туда и сюда и из стороны в сторону. Говорят, что они обладают тремя “степенями свободы”. Энергия, которую атомы могут получать и накапливать, распределяется по степеням свободы. В дополнение к трем возможным движениям (трансляциям) молекуле, состоящей из двух и более атомов, позволено совершать еще три вращательных движения вокруг воображаемых осей, соединяющих атомы. Следовательно, степеней свободы имеется шесть. Согласно теореме о равнораспределении, энергия газа равномерно распределяется между молекулами, а затем делится поровну между всеми доступными молекуле движениями.

Рэлей использовал эту теорему, чтобы распределить энергию излучения абсолютно черного тела по различным длинам волн внутри полости. Это был пример безупречного использования физики Ньютона, Максвелла и Больцмана. При выводе была допущена несущественная численная ошибка, исправленная затем Джеймсом Джинсом. Получилось выражение, известное как закон Рэлея – Джинса. Но, согласно этой формуле, в ультрафиолетовой области спектра плотность излученной энергии становится бесконечно большой. Этот результат ознаменовал полное поражение классической физики. В 1911 году его назовут “ультрафиолетовой катастрофой”. Слава Богу, на самом деле катастрофы нет: ультрафиолетовое излучение сделало бы жизнь на Земле невозможной.

Эйнштейн самостоятельно вывел формулу Рэлея – Джинса. Он знал, что предсказываемое ею распределение излучения абсолютно черного тела противоречит экспериментальным данным и приводит к абсурдному результату в ультрафиолетовой области спектра. Поскольку закон Рэлея – Джинса правильно описывает излучение абсолютно черного тела только при больших длинах волн (очень низких частотах), за отправную точку Эйнштейн взял полученный прежде закон излучения Вина. Это был единственный надежный путь, несмотря на то, что закон Вина справедлив только для коротких длин волн (высокие частоты) и нарушается при больших длинах волн (низкие частоты) в инфракрасной области. Однако у этого подхода были свои преимущества. У Эйнштейна не было сомнений, что закон Вина справедлив и верно описывает по крайней мере часть спектра излучения абсолютно черного тела. Рассмотрением этой области спектра и собирался ограничиться Эйнштейн.

План Эйнштейна был прост и остроумен. Газ представляет собой набор частиц. При термодинамическом равновесии именно свойства этих частиц определяют, например, давление газа при данной температуре. Если имеется сходство между свойствами излучения абсолютно черного тела и частицами газа, то можно утверждать, что и само электромагнитное излучение похоже на частицы. Эйнштейн начал с рассмотрения воображаемого пустого абсолютно черного тела. Но, в отличие от Планка, он поместил туда газ частиц и электронов. Правда, атомы стенок полости тоже содержат электроны. При нагревании абсолютно черного тела эти электроны совершают колебания в широком интервале частот, что приводит к испусканию и поглощению излучения стенками полости. Вскоре внутренняя полость абсолютно черного тела оказывается заполненной быстро двигающимися частицами и электронами, и осциллирующие электроны излучают энергию. В конце концов, когда полость и наполняющие ее частицы будут иметь одну и ту же температуру T, достигается состояние термодинамического равновесия.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) можно записать так, чтобы связать энтропию системы с ее энергией, температурой и объемом. Кроме закона сохранения энергии, Эйнштейн использовал закон Вина, а также идеи Больцмана, стремясь выяснить, как энтропия излучения абсолютно черного тела зависит от занимаемого им объема, “не используя какую-либо модель для описания испускания и распространения излучения”⁵⁷. Получилась формула, выглядевшая точно так же, как формула, связывающая энтропию газа, состоящего из атомов, с его объемом. Излучение абсолютно черного тела подчинялось тем же закономерностям, как если бы оно состояло из отдельных, похожих на частицы порций энергии.

Для открытия кванта света Эйнштейну не нужен был ни закон излучения Планка, ни его метод. Не повторяя путь Планка, Эйнштейн получил немного другую формулу. Но и его формула содержала ту же информацию: равенство E = hν справедливо. Энергия квантуется и может поглощаться или испускаться только порциями размером hν. Чтобы его воображаемые осцилляторы правильно воспроизводили спектр излучения абсолютно черного тела, Планк квантовал только испускание и поглощение электромагнитного излучения, а Эйнштейн квантовал электромагнитное излучение и, следовательно, сам свет.

Хотя Эйнштейн показал, что есть случаи, когда электромагнитное излучение ведет себя как частички газа, он понимал, что протащил квант света контрабандой, введя его по аналогии. Чтобы убедить других в ценности новой “эвристической точки зрения” на природу света, он использовал ее для объяснения другого малопонятного явления⁵⁸.

Впервые фотоэлектрический эффект наблюдал немецкий физик Генрих Герц в 1887 году. Он ставил эксперименты, целью которых была демонстрация существования электромагнитных волн, и случайно заметил, что разряд между двумя металлическими сферами становится ярче, если их облучать ультрафиолетовым светом. Объяснить эффект он не смог, хотя потратил несколько месяцев на изучение “совершенно нового удивительного явления”, которое, как он ошибочно считал, связано только с ультрафиолетовым излучением⁵⁹.

“Было бы лучше, если бы оно [явление] было менее загадочным, – признавался Герц, – однако есть надежда, что когда ответ на эту загадку будет найден, мы сможем понять много больше нового, чем в случае простого решения”⁶⁰. К сожалению, Герц не дожил до того момента, когда исполнилось его пророчество. Он умер в 1894 году в возрасте всего тридцати шести лет.

Атмосфера таинственности, окружавшая фотоэффект, еще сильнее сгустилась в 1902 году. Бывший ассистент Герца Филипп фон Ленард, поместив две металлические пластинки в стеклянную трубку, из которой был откачан воздух, показал, что этот эффект имеет место и в вакууме. Присоединив проволочки, отходящие от пластинок, к батарее, он обнаружил, что если одну из пластинок осветить ультрафиолетовым светом, в системе начинает течь ток. Фотоэлектрический эффект можно было объяснить эмиссией электронов с освещенной металлической поверхности. Направленный на пластину ультрафиолетовый свет может привести к такому повышению энергии электронов, что они, покинув пластинку, преодолевают расстояние до другой пластины и замыкают контур, вызывая “фотоэлектрический ток”. Однако наблюдавшаяся Ленардом картина противоречила устоявшимся физическим представлениям. Можно сказать, что именно он вывел на сцену Эйнштейна и его квант света.

Считалось, что если делать свет ярче, то есть увеличивать его интенсивность, то число электронов, вылетающих с поверхности пластины, останется прежним, но их энергия будет больше. Ленард же обнаружил, что это совсем не так: увеличивается число электронов, а энергия каждого из них остается прежней. Полученное Эйнштейном квантовое решение этой загадки было простым и элегантным: если свет состоит из квантов, то при увеличении интенсивности светового луча увеличивается и число входящих в него квантов. Когда луч большей интенсивности ударяется о пластинку, большее число квантов приводит к увеличению числа испускаемых электронов.

Второе неожиданное открытие Ленарда состояло в том, что, как оказалось, энергия вылетающих электронов определяется не интенсивностью, а частотой света. Поскольку энергия кванта света пропорциональна его частоте, квант красного света (низкие частоты) обладает меньшей энергией, чем квант голубого света (высокие частоты). Изменение цвета (частоты) луча той же интенсивности не меняет число квантов. Поэтому неважно, какого цвета луч попадает на пластину: число вылетевших электронов будет одинаковым. Однако поскольку свет разной частоты складывается из квантов с разной энергией, электроны будут обладать большей или меньшей энергией в зависимости от цвета луча, которым освещают пластинку. Ультрафиолетовый свет вызовет эмиссию электронов с большей кинетической энергией, чем квант красного света.

Был еще один интригующий факт. Оказалось, что у каждого металла имеется свой минимальный “порог частоты”. Если частота меньше пороговой, электроны, вне зависимости от интенсивности и продолжительности свечения, не вылетают вообще. А если порог превзойден, то даже если свет очень слабый, происходит эмиссия электронов. Квантовая теория света Эйнштейна позволила ответить и на этот вопрос. Для этого ему пришлось ввести новое понятие: работа выхода.

Эйнштейн рассматривал фотоэффект как процесс, в результате которого электрон получает от кванта света достаточно энергии, чтобы преодолеть силы, удерживающие его внутри металла, и удалиться от поверхности. По определению Эйнштейна, работа выхода есть минимальная энергия, необходимая для того, чтобы электрон мог оторваться от поверхности. Для разных металлов работа выхода разная. Если энергия света слишком мала, то квант света не обладает достаточной энергией, позволяющей электрону порвать связи, удерживающие его внутри металла.

Этот процесс Эйнштейн описал простым уравнением: максимальная кинетическая энергия электрона, покинувшего металлическую поверхность, равна энергии поглощенного кванта минус работа выхода. Используя это уравнение, Эйнштейн предсказал, что график зависимости максимальной кинетической энергии электрона от частоты будет представлять собой прямую линию, начинающуюся в точке, соответствующей пороговой частоте данного металла. Для любого металла наклон этой линии всегда будет точно равен постоянной Планка h.

Рис. 3. Фотоэлектрический эффект – максимальная кинетическая энергия испускаемых электронов в зависимости от частоты света, падающего на металлическую поверхность.

“Я потратил десять лет жизни на проверку полученного Эйнштейном в 1905 году уравнения, и, вопреки своим ожиданиям, – жаловался американский физик-экспериментатор Роберт Милликен, – вынужден недвусмысленно заявить, что проверку это уравнение, несмотря на всю его абсурдность, выдержало, хотя кажется, что оно противоречит всему известному нам об интерференции света”⁶¹. И хотя Нобелевская премия за 1923 год была присуждена ему, в частности, и за эту работу, Милликен даже вопреки собственным экспериментальным данным упрямо игнорировал гипотезу о квантах, считая, что “физическая теория, на которой базируется эта формула, полностью несостоятельна”⁶². С самого начала большинство физиков восприняло кванты света Эйнштейна с тем же недоверием. Лишь немногие задавались вопросом, существуют ли вообще кванты света или это лишь удобное допущение, необходимое для расчетов. Но и они соглашались только на то, что свет, а, следовательно, и электромагнитное излучение, лишь ведет себя как частица при обмене энергией с материей, но не состоит из квантов⁶³. Так думал и Макс Планк.

В 1913 году, когда Планк и три других физика выдвинули Эйнштейна в действительные члены Прусской академии наук, свою рекомендацию они закончили словами, которые должны были оправдать Эйнштейна: “Подытоживая, можно сказать, что среди важных задач, которыми изобилует современная физика, вряд ли есть хоть одна, в которой Эйнштейн не получил бы выдающихся результатов. Иногда он выходит за рамки дозволенного, как, например, в случае гипотезы о квантовой природе света. Но это нельзя поставить ему в упрек. Ибо если время от времени не рисковать, нельзя получить истинно новый результат даже в самой точной из естественных наук”⁶⁶.

Спустя два года скрупулезные эксперименты Милликена уже не позволяли игнорировать уравнение фотоэффекта Эйнштейна. В 1922 году это было невозможно: годом ранее Эйнштейн удостоился Нобелевской премии именно за объяснение фотоэлектрического эффекта. Но стоящая за этим физика – кванты света – премией отмечена не была. К этому времени Эйнштейн был уже не безвестным служащим патентного бюро в Берне, а всемирно известным физиком-теоретиком, автором теории относительности. Многие считали его величайшим ученым со времен Ньютона. Однако его квантовая теория света еще не стала общепризнанной: слишком уж решительно она порывала с прошлым.

Упорное нежелание согласиться с мнением Эйнштейна о существовании квантов света объяснялось тем, что имелось огромное число свидетельств в пользу волновой теории света. Но спор о том, что такое свет, частица или волна, шел давно. В XVIII и в начале XIX века господствовала корпускулярная теория Исаака Ньютона. В предисловии к “Оптике” (1704) он писал: “В этой книге я намерен не объяснять свойства света с помощью гипотез, но описать и доказать их на основании здравого смысла и опытов”⁶⁵. Первые эксперименты были выполнены им в 1666 году. С помощью призмы белый свет расщеплялся на цвета радуги, а потом с помощью второй призмы они опять соединялись вместе, превращаясь в луч белого света. Ньютон считал, что лучи света состоят из корпускул – “очень маленьких тел, испускаемых светящейся субстанцией”⁶⁶. Если частицы света двигаются по прямой, теория Ньютона позволяет понять, почему повернувшего за угол человека можно слышать, но не видеть: свет за угол не заворачивает.

Ньютону удалось на языке математики описать массу наблюдаемых оптических явлений, включая отражение и рефракцию – изгиб световых лучей при попадании из менее плотной среды в более плотную. Однако у света были и свойства, которые Ньютон объяснить не мог. Световой луч, попадающий на стеклянную поверхность, частично проходит сквозь нее, частично отражается. Почему одни частицы света отражаются, а другие – нет? Пришлось приспосабливаться. Ньютон считал, что корпускулы света вызывают волнообразное возмущение эфира. Эти “приступы легкого отражения и легкого прохождения” были причиной того, что световой луч отчасти проходил сквозь стекло и отчасти отражался⁶⁷. Ньютон связал “размер” возмущений эфира с цветом. Возмущения самого большого “размера” (согласно терминологии, принятой гораздо позже, – те, у которых длина волны самая большая) ответственны за красный цвет, самого маленького (длина волны самая короткая) – за фиолетовый.

Голландский физик Христиан Гюйгенс утверждал, что корпускул света нет. Он был на тринадцать лет старше Ньютона. К 1678 году Гюйгенс сформулировал волновую теорию света, объяснявшую отражение и рефракцию. Однако его “Трактат о свете”, посвященный этому вопросу, был опубликован лишь в 1690 году. Гюйгенс считал, что свет представляет собой волну, распространяющуюся через эфир. Эта волна сродни ряби на озере от брошенного камня. Если свет действительно состоит из частиц, задавался вопросом Гюйгенс, почему нет свидетельств соударений этих частиц при пересечении двух световых лучей? А потому, утверждал он, что таких частиц нет. Звуковые волны не сталкиваются, и, следовательно, свет похож на волну.

Хотя теории и Ньютона, и Гюйгенса объясняли отражение и рефракцию, когда речь шла о некоторых других оптических явлениях, их предсказания разнились. Десятилетиями не удавалось тщательно проверить эти теории. Однако существовало явление, которое можно было использовать для этой цели. Тень, отбрасываемая телом, когда о него ударяется луч света, состоящий из движущихся по прямым линиям корпускул Ньютона, должна иметь острые углы. А волны Гюйгенса, как вода, плещущаяся вокруг омываемого ею тела, должны приводить к образованию тени, контур которой слегка размыт. Иезуит и физик Франческо Гримальди окрестил дифракцией явление изгибания света вокруг препятствий или краев очень узкой щели. В книге, напечатанной два года спустя после его смерти в 1665 году, он описал тень, отбрасываемую непрозрачным предметом, помещенным на пути тонкого солнечного луча, проникающего в совершенно темную комнату через дырочку в ставнях. Эта тень оказалась больше той, которую следовало ожидать, если бы свет состоял из частиц, движущихся по прямой. Кроме того, вокруг тени, там, где граница между светом и темнотой должна быть четкой, наблюдались слегка размытые цветные полосы.