«Самый красивый и глубокий опыт, который может получить человек, – это ощущение загадочного. Это базовый принцип религии, а также любых серьезных начинаний в искусстве и науке».
Самая быстрая скорость испускания электронов веществом наблюдалась при воздействии на него фиолетовым светом, красный свет «выбивал» электроны гораздо медленнее. Разница между этими двумя цветами была как между бомбардировкой крупными и мелкими снарядами. В своей работе Эйнштейн выдвигал предположение, что должны быть такие «мелкие» и слабые кванты, которые вообще не смогут выбить электроны из вещества и породить явление фотоэффекта. Это предположение позже подтвердилось: действительно существует инфракрасный свет с очень малой энергией квантов, он не может «выбивать» электроны. С другой стороны, есть и очень крупные кванты (гамма-лучи, рентгеновское излучение), которые способны создавать интенсивный фотоэффект.
Из экспериментальных наблюдений следовал вывод, что световая волна неоднородна, а состоит из мельчайших частиц – квантов, о которых говорил Макс Планк. Но, в соответствии с уравнениями электроволновой теории Максвелла, свет является волной. Возникало противоречие, разрешить которое не представлялось возможным.
Эйнштейн в своей статье нашел объяснение этому противоречию, выдвинув революционную гипотезу, что свет – это одновременно и волна, и частица, то есть он имеет двойственную природу. Его объяснение сводилось к тому, что электрон удерживается в металле некими физическими силами. Когда металл облучается светом, электрон получает из него энергию, которая позволяет ему вырваться на свободу. Энергия попадает в электрон порциями, одна порция – это фотон (частица, или квант) света.
Эйнштейн пошел дальше Планка. Макс Планк предположил, что свет излучается порциями – квантами. Эйнштейн считал, что свет не только изучается, но и существует в виде квантов. Он вывел уравнение для фотоэффекта, которое впоследствии было подтверждено экспериментальным путем.
Теория фотоэффекта, созданная Эйнштейном, сыграла решающую роль в становлении нового раздела физики – квантовой механики.
Ее значение было так велико, что она была названа одной из главных причин присуждения ученому Нобелевской премии в 1921 году.
После первой статьи 1905 года Эйнштейн продолжил работу над квантовой теорией. Через год он опубликовал еще одну статью – «К теории возникновения и поглощения света». Если в первой работе он увидел кванты в явлении фотоэффекта там, где их присутствие наиболее очевидно, то впоследствии он обнаружил, что на них должна быть основана вся теория света. В то время как Макс Планк и другие физики считали, что кванты – это некая условная величина, которая, вероятнее всего, исчезнет при дальнейшем развитии теории, Эйнштейн видел головокружительные перспективы квантовой физики и механики.
В 1906 году Эйнштейн вывел формулу, которая объединяла напряжение и частоту фотоэффекта. «В этой формуле, – писал автор, – содержится следующее, по крайней мере в общем и целом справедливое утверждение: чем более электроположительным является металл, тем меньше низшая частота света, вызывающая фотоэффект».
Еще через год ученый применил вновь созданную теорию квантов к определению теплоемкости. Он предположил, что энергия твердого тела выделяется в виде колеблющихся квантов. Впоследствии эта работа получила развитие у других ученых и привела к созданию теплового закона (третьего начала термодинамики). Таким образом, Эйнштейн распространял квантовую теорию, которая в то время вызывала недоверие многих ученых, на самые разные области физики, демонстрируя ее фундаментальное значение и стимулируя ее развитие.
Столкновение молекул: Эйнштейн о броуновском движении
Еще в 1827 году британский ботаник Роберт Броун обнаружил, что частички цветочной пыльцы, попавшие в воду, находятся в постоянном хаотичном движении. Сначала он предположил, что перед ним элементарные молекулы живых существ. Но позже, проделав опыты с мелкими частицами минералов, угля и стекла, Броун понял, что движение свойственно и неживой материи. Объяснить открытое им явление ученый не смог, так как его микроскоп был недостаточно мощным, чтобы увидеть молекулы воды, «толкающие» частички пыли, но оно получило его имя – броуновское движение.
Открытое Броуном явление получило широкую известность, его опыты повторяли многие естествоиспытатели. Никто из них не смог понять, какая сила движет частицы и почему их движение хаотично. Немецкий математик Людвиг Кристиан Винер первым высказал идею, что явление объясняется колебательными движениями мельчайших атомов, невидимых человеческому глазу. Эта теория в целом далека от современной, но она явилась попыткой проникнуть в сущность строения материи.
Позже изучением этого явления занялся ученый-физик из Франции Луи Жорж Гуи. Он исследовал воздействие на движение частичек смены освещения, магнитных полей, вязкости жидкости. Только последний фактор имел значение: чем меньше вязкость жидкости, тем интенсивнее хаотичное движение. Свет и электромагнитное излучение на частички не влияли. Гуи подтвердил предположение Винера, что броуновское движение обусловлено воздействием движения молекул. Ему даже удалось рассчитать скорость движения частичек: она равнялась одной стомиллионной молекулярной скорости. Ученый утверждал, что броуновское движение «является уникальным и должно иметь кардинальное значение для молекулярной физики», но состояние науки на тот момент не позволило ему развить свои гипотезы.
Статья Альберта Эйнштейна «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты», посвященная броуновскому движению, вышла в свет 11 мая 1905 года. Ученый произвел статистический анализ тех наблюдаемых эффектов, которые были вызваны тепловым движением молекул. «В этой работе будет показано, – писал он в начале статьи, – что согласно молекулярно-кинетической теории теплоты взвешенные в жидкости тела микроскопических размеров вследствие молекулярного теплового движения должны совершать движения такой величины, что легко могут быть обнаружены под микроскопом. Возможно, рассматриваемые движения тождественны с так называемым броуновским молекулярным движением».
В то время многие ученые еще сомневались в существовании атомов и молекул, твердых доказательств этой теории не было.
Эйнштейн в ней не сомневался, он видел явные доказательства в броуновском движении частиц.
Через три года после публикации данной статьи Альберта Эйнштейна атомная теория была подтверждена экспериментально, в лабораторных условиях. Это подтверждение осуществил французский физик Жан Перрен. Используя ультрамикроскоп, изобретенный в 1902 году, он наблюдал броуновские частицы и смог не только зафиксировать траектории их движения, но и взвесить молекулы и атомы. Тем самым Перрен поставил точку в дискуссии физиков о молекулярно-атомной теории, существование этих мельчайших частиц материи было доказано опытным путем.
Научное сообщество было впечатлено тем, что теоретические выкладки Эйнштейна с такой точностью подтвердились экспериментами Перрена. Широкой публике Альберт Эйнштейн известен прежде всего как создатель теории относительности, а между тем его открытия в статистической физике, связанные с броуновским движением, используются учеными не менее активно. «Я думаю, что эти исследования Эйнштейна больше, чем все другие работы, убеждают физиков в реальности атомов и молекул, в справедливости теории теплоты и фундаментальной роли вероятности в законах природы», – писал по этому поводу Макс Борн.
