Планк рассматривал идею квантов скорее как математический трюк, а не как отражение физической реальности. Однако с течением времени стало ясно, что идея квантов станет ключевой в пересмотре всей физики. И Эйнштейн сыграет в этом важную роль благодаря своей работе по объяснению фотоэффекта, опубликованной в 1905 году, или, как еще называют этот год, — Annus Mirabilis — «год чудес».
Чудесному году Эйнштейна предшествовал год напряженной интеллектуальной работы. Находясь в тяжелом финансовом положении, он сумел сделать три революционных открытия. Макс Талми вспоминает: «Было видно, что он живет бедно. У него была маленькая комната почти безмебели. Он… буквально боролся за выживание»
.
Не имея академической должности, Альберт обеспечивал себя и Милеву сначала репетиторством, а затем устроился на работу «техническим экспертом третьего класса» в Федеральное бюро патентования изобретений в Берне. В этом ему помог отец Гроссмана, который был знаком с директором бюро. Изучая проекты изобретений и решая, являются ли они оригинальными и осуществимыми, он находил время для размышлений над фундаментальными физическими проблемами. Благодаря своей расторопности он выполнял рабочие обязанности за несколько часов, а остальное время посвящал собственным исследованиям.
Необходимость устроиться на работу в бюро объяснялась еще и тем, что Милева ждала ребенка. Несмотря на уверения Эйнштейна в том, что все будет хорошо, этот период жизни не был счастливым для Милевы. Ее собственная научная карьера не состоялась, так как она повторно провалила выпускные экзамены. Альберт обещал поддерживать ее, но был полностью поглощен собственной работой.
В конце 1901 года Мнлева в одиночестве вернулась в свой родной город Нови-Сад. Там, в доме ее родителей, в январе 1902 года на свет появилась девочка Лизерль. Дальнейшая судьба Лизерль неизвестна: некоторые историки полагают, что она была отдана на удочерение сербской семье и умерла в раннем детстве. Скорее всего, Эйнштейн никогда не видел свою дочь, чье рождение скрыл от родителей, родственников и друзей. Только после его смерти были найдены письма, из которых стало известно о ее существовании.
Милева вернулась в Берн, и они поженились в январе 1903 года. Позже в том же году они переехали в квартиру на главной улице Берна, Крамгассе, недалеко от знаменитой часовой башни. У них родились еще двое детей — Ганс Альберт в 1904 году и Эдуард в 1910 году. Вместо научной карьеры Милева занималась воспитанием детей и домашним хозяйством. Ее мечтам не суждено было сбыться, и отношения в семье становились натянутыми. Она погрузилась в семейный быт и страдала от депрессий. На качелях жизни она летела вниз, а Альберт стремился вверх.
Свободный от домашних обязанностей и не обремененный тяжелой работой, Эйнштейн находил время для обсуждения философских вопросов в компании друзей, которых завел вскоре после переезда в Берн. По примеру древних греков они называли себя «Академия Олимпия». Основателем кружка был Морис Соловин, румынский студент, интересовавшийся самыми разнообразными областями знаний. Морис откликнулся на репетиторское объявление Эйнштейна, и их отношения быстро переросли в дружбу. Другим постоянным участником кружка был математик Конрад Хабихт. Они регулярно встречались и обсуждали работы Маха, Пуанкаре, Спинозы и многих других. Эти оживленные дебаты помогли Эйнштейну отточить свои идеи, которые впоследствии легли в основу важнейших для всего человечества работ.
В надежде вернуться к академической жизни в начале 1905 года Эйнштейн защитил докторскую диссертацию в университете Цюриха. В ней он вывел формулу, позволяющую узнать размер молекулы путем измерения вязкости жидкости (сопротивления течению). Ничто в этой практической работе не предвещало целого взрыва идей, который вот-вот должен был произойти.
Весной того же года Эйнштейн «взвел курок». Смотря физикам прямо в глаза, он поджег фитили и бросил свои гранаты. Эйнштейн отправил четыре работы в престижный журнал Annalen der Physik. Первая работа была связана с его диссертацией. Остальные три касались фотоэлектрического эффекта, броуновского движения и специальной теории относительности — и они пошатнули основание здания теоретической физики.
Статья Эйнштейна по фотоэффекту упрочила идею Планка, сделав ее более понятной и вполне поддающейся измерению. В этой статье описывалось, что произойдет, если направить на металлическую поверхность луч света достаточной энергии, чтобы он мог выбить из нее электрон. Если бы свет был просто волной, то количество переносимой ею энергии зависело бы только от интенсивности излучения (яркости, плотности светового потока). Яркая вспышка красного света переносит значительно больше энергии, чем тусклый ультрафиолетовый луч. Интенсивность изменяется непрерывно, поэтому может иметь любое значение. Передавая свою энергию электрону, световая волна должна быть способна разогнать его до скорости, при которой электрон может покинуть поверхность металла, и величина этой скорости должна зависеть от интенсивности излучения: чем больше интенсивность света, тем быстрее должен двигаться вырванный электрон.
В экспериментах же наблюдалось совершенно иная картина: свет с длиной волны меньше какого-то значения не мог выбить электрон с поверхности металла, каким бы интенсивным он ни был.
Эйнштейн взял на себя смелость утверждать, что в некоторых случаях свет ведет себя как частица, позднее названная фотоном. Каждый фотон несет дискретную порцию энергии, величина которой пропорциональна частоте света. Следовательно, источники света высокой частоты испускают фотоны, обладающие большей энергией, чем источники низкочастотного излучения. Например, фотоны синего света переносят больше энергии, чем фотоны красного света. Следовательно, облучение поверхности металла светом высокой частоты дает больше шансов вырвать электрон и разогнать его до большей скорости, чем облучение этого же металла светом более низкой частоты. Скорость фотоэлектронов прекрасно коррелирует с частотой падающего на поверхность металла света. И этот результат был воспроизведен бесчисленное количество раз в физических лабораториях по всему миру.
Своим описанием фотоэффекта (основанном на предположении, что электроны поглощают и испускают свет дискретными порциями) Эйнштейн дал важную подсказку, что то же самое происходит и с атомами. Менее чем через десятилетие эти идеи окажут существенное влияние на датского физика Нильса Бора. Бор разработает модель атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра, и, поглощая фотон, электрон поднимается на более высокую орбиту (состояние с более высокой энергией), а испуская фотон, переходит на более низкую орбиту с меньшей энергией.
Даже если бы работа по фотоэффекту стала его единственным вкладом в науку в том году, Эйнштейн уже бы прославился. Именно за это открытие он получил в 1921 году Нобелевскую премию по физике. Но объяснение фотоэффекта было лишь увертюрой к великой симфонии научных открытий.
В следующей ключевой работе, которую Эйнштейн опубликовал в 1905 году, объяснялось явление, называемое броуновским движением. В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун обнаружил странное движение частиц пыльцы в воде. Однако он не смог найти убедительного объяснения их беспорядочному поведению. Основываясь на своей докторской диссертации, Эйнштейн решил смоделировать движение частиц, которые подвергаются постоянным ударам со стороны молекул воды, и получил точно такое же хаотическое движение, что и Броун. Объяснив зигзагообразное броуновское движение результатом миллиардов столкновений с мельчайшими частицами, Эйнштейн предоставил важное доказательство существования атомов.
