Сегодня мы называем эти пакеты энергии фотонами – от греческого слова ϕώς, означающего «свет». Фотоны – это частицы света, его кванты. В своей статье Эйнштейн пишет:
Я и в самом деле думаю, что опыты, касающиеся «излучения черного тела», фотолюминесценции, возникновения катодных лучей при освещении ультрафиолетовыми лучами и других групп явлений, связанных с возникновением и превращением света, лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно. Согласно этому сделанному здесь предположению, энергия пучка света, вышедшего из некоторой точки, не распределяется непрерывно во все возрастающем объеме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком
[69].
Эти простые и ясные строки – подлинное свидетельство рождения квантовой теории. Обратите внимание на замечательные вступительные слова: «Я и в самом деле думаю…», которые напоминают сомнения Фарадея или Ньютона или же неуверенность Дарвина, выраженную на первых страницах «Происхождения видов». Подлинные гении понимают исключительную важность совершаемых ими шагов и всегда сомневаются…
Есть очевидная связь между двумя работами Эйнштейна, написанными в 1905 году, – статьей по броуновскому движению (обсуждалась в главе 1) и статьей о квантах света. В первой Эйнштейн нашел способ продемонстрировать корректность атомной гипотезы, утверждающей зернистое строение материи. В другой статье Эйнштейн распространил эту гипотезу на свет: он тоже должен иметь зернистую структуру.
Поначалу идея Эйнштейна о том, что свет может состоять из фотонов, воспринималась коллегами не иначе как ошибка молодости. Все хвалили его за теорию относительности, но считали идею фотона нелепой. Лишь незадолго до того ученые пришли к твердому убеждению, что свет представляет собой волны электромагнитного поля, – как же он может быть зернистым? В письме на имя германского министра с рекомендацией предоставить Эйнштейну профессуру в Берлине самые выдающиеся физики того времени пишут, что этот молодой человек столь ярок, что ему «можно простить» некоторые чудачества, как, например, идею фотонов. Спустя несколько лет те же самые коллеги присудят ему Нобелевскую премию именно за догадку о существовании фотонов. Падающий на поверхность свет действительно напоминает легкий дождь с градом.
Для понимания того, каким образом свет может быть электромагнитной волной и одновременно роем фотонов, требовалось все здание квантовой механики. Однако первый кирпич в основание этой теории уже был заложен: всем вещам, включая свет, присуща фундаментальная зернистость.
Нильс, Вернер и Поль
Если Планк – биологический отец квантовой теории, то Эйнштейн – ее родитель и кормилец. Но, как это часто бывает с детьми, теория впоследствии пошла своим путем, который сам Эйнштейн признавать не хотел.
В течение двух первых десятилетий XX века развитие квантовой теории определял датчанин Нильс Бор. Он изучал строение атомов, которое начали исследовать на рубеже столетий. Эксперименты показывали, что атом подобен Солнечной системе в миниатюре: масса сконцентрирована в тяжелом центральном ядре, а вокруг него обращаются легкие электроны, примерно как планеты вокруг Солнца. Эта картина, однако, не соответствовала простому факту: вещество имеет цвет.
Соль белая, перец черный, чили красный. Почему? Изучение света, испускаемого атомами, показало, что разным веществам соответствуют разные цвета. Если цвет соответствует частоте света, значит, разные вещества испускают свет со своими определенными частотами. Набор этих частот, характеризующий данное вещество, называется спектром этого вещества. Спектр – это совокупность линий различных оттенков, на которые раскладывается (например, с помощью призмы) испускаемый данным веществом свет. Спектры некоторых элементов представлены на рис. 4.2.
Рис. 4.1. Нильс Бор
Рис. 4.2. Спектры некоторых элементов: натрия, ртути, лития и водорода
В начале века во многих лабораториях изучались и каталогизировались спектры множества веществ, но никто не знал, как объяснить, почему конкретное вещество имеет тот или иной спектр. Чем определяются цвета всех этих линий?
Цвет – это скорость, с которой вибрируют фарадеевы линии, а эта скорость определяется колебаниями электрических зарядов, которые испускают свет. Эти заряды представляют собой электроны, которые движутся внутри атомов. Поэтому, изучая спектры, мы можем понять, как движутся электроны вокруг ядер. Другой путь состоит в том, чтобы предсказать спектр каждого атома, вычислив частоты электронов, обращающихся вокруг его ядра. Это легко сказать, но сделать на практике никому не удавалось. На самом деле все это вообще казалось невозможным, поскольку в ньютоновской механике электрон мог обращаться вокруг своего ядра с любой скоростью, а значит, испускать свет любой частоты. Но почему тогда испускаемый атомом свет содержит не все цвета, а только некоторые из них? Почему атомные спектры представляют собой не сплошные цветные полоски, а состоят из отдельных линий? Почему, выражаясь научно, они дискретны, а не непрерывны? Десятки лет физики никак не могли найти ответ на этот вопрос.
Бор находит умозрительное решение, применив одну странную гипотезу. Он приходит к выводу, что все можно объяснить, если предположить, что энергия электронов в атомах может принимать только определенные квантованные значения, в точности как предполагали Планк и Эйнштейн для энергии квантов света. И вновь ключом оказывается зернистость, но теперь не для энергии света, а для энергии электронов в атоме. Постепенно становится очевидным, что зернистость – это что-то широко распространенное в природе.
Бор выдвигает гипотезу, что электроны могут существовать только на определенных особых расстояниях от ядра, то есть на определенных орбитах, размеры которых определяются постоянной Планка h, а также что электроны могут перескакивать с одной орбиты с разрешенной энергией на другую. Это и есть знаменитые квантовые скачки. Частота движения электрона по этим орбитам определяет частоту испускаемого света и, следовательно, поскольку разрешены только некоторые орбиты, испускаться могут только определенные частоты.
