Владимир Львов - Альберт Эйнштейн

Планка интересовала обнаружившаяся в конце XIX века крупнейшая неувязка между теоретически выведенной (из уравнений Максвелла) формулой распределения энергии между различными длинами световых волн, испускаемых идеально-поглощающим («абсолютно черным») телом, и реальным распределением. Неувязку оказалось возможным устранить, если принять, что энергия световых лучей излучается, как уже говорилось, не сплошной струей, а «капля за каплей», квант за квантом, причем количество энергии, содержимое в каждой «капле», пропорционально частоте и обратно пропорционально длине световой волны. Самый богатый энергией квант поэтому, если взять видимую глазом область лучей, оказывается у наиболее коротковолновых — фиолетовых — лучей и равен примерно миллиардно-миллиардной доле калории. Самый малый принадлежит длинноволновым — красным — лучам и еще в два раза меньше. Множитель пропорциональности между количеством энергии, сосредоточенной в кванте, и частотой излучения был обозначен в планковой формуле буквенным знаком h, но никто, повторяем, и прежде всего Планк, не мог поверить тогда, что за этим значком скрывается «мировая постоянная», лежащая в основе микромира.

Вопрос о том, что происходит с квантом световой энергии после того, как он испущен веществом, также не особенно волновал Планка. Считалось навеки доказанным фактом, что свет распространяется в пространстве только в виде волн, и прерывистый, «капельный», характер испускания света мог бы и не противоречить этому факту. Сам Планк, во всяком случае, не усматривал тут особенной проблемы: обращавшимся к нему с вопросами он шутливо отвечал так: «Если пиво из бочки берут полулитровыми кружками, то из этого еще не следует, что пиво внутри бочки состоит из полулитровых порций и что пиво может перевозиться по железной дороге только полулитровыми порциями!»

Свою идею о квантах Планк изложил впервые 14 декабря 1900 года на заседании физического общества в Берлине.

Как вспоминали потом современники, доклад не вызвал особенного энтузиазма, и слушатели расходились скорее с чувством недоумения по поводу того, что им пришлось услышать.

Оставалась к тому же еще одна загадка, не получившая ответа у Планка и поражавшая тех немногих физиков, которые в ту пору занимались этими мало актуальными, как казалось, вещами….

В восьмидесятых годах Герц в Германии и Столетов в России заметили впервые, что под действием света металлические тела теряют отрицательный электрический заряд, — теряют, как было разъяснено вскоре, электроны. Явление это получило название «фотоэлектрического эффекта».

Что свет, как и любая физическая форма материи, способен оказывать давление на вещество и «выдавливать» из него, в частности, электроны, стало особенно ясным после того, как ученик Столетова — Лебедев в Москве проверил на тончайшем прямом опыте факт давления света. Любители образных сравнений добавляли, что подобно тому, как морские волны, набегая на прибрежную скалу, дробят и отрывают от нее куски камня, подобно этому и световые волны, ударяя о вещество, «выбивают» из его атомов еще более мелкие частички — электроны! Пусть так, но как понять тогда, почему скорость выбиваемых светом электронов, как окончательно убедились в 1902 году, вовсе не зависит от мощности, от яркости светового пучка, но зависит исключительно от его длины волны и частоты, то есть от цвета? Быстрее всего летят электроны, вырванные под ударом фиолетовых, а медленнее всего — под действием красных лучей. По достижении определенного — для каждого вещества своего собственного — наименьшего порога световой частоты выбивание электронов прекращается вовсе. Яркость света по-прежнему не играет тут никакой роли. Количество вырванных электронов, правда, зависит от интенсивности освещения: оно больше при воздействии более ярким светом. Но ведь главным показателем силы воздействия светового «прибоя» должно являться не количество выбитых «осколков», а как раз скорость, с которой они разбрасываются под ударом набегающей волны!

Читатель припоминает, однако, в этой связи, что кванты, или порции, коротковолнового — фиолетового — света как раз несут с собой больше энергии, чем кванты длинноволнового — красного. И не по этой ли именно причине удар «фиолетовых» квантов оказывается более эффективным, более чувствительным в смысле выбивания электронов из металла? Дело происходит, другими словами, примерно так, как при бомбардировке крепостной стены артиллерийскими снарядами. Размеры отдельных пробоин в стене (и скорости ее осколков) зависят не от интенсивности бомбардировки, то есть не от количества выпущенных снарядов, а только от калибра снарядов. Скорости брызнувших из металла электронов должны зависеть тогда тоже только от «калибра», от величины энергии ударившего кванта, что и наблюдается в действительности.

Во все это можно было поверить, но для этого надо было предварительно принять, что световая энергия не только черпается квантами в момент испускания света веществом, но и поглощается квантами, и что кванты существуют все время, пока распространяется свет. Надо принять, что свет состоит не только из волн, но и из частиц — из неведомых, из необычайных крупинок, зернышек, — Эйнштейн назвал их «световыми квантами» (сегодня физики пользуются также термином «фотоны», от греческого «фотос» — свет). Идею зернистой природы света, скажем кстати, высказывали еще две тысячи лет тому назад атомисты древности — Эпикур, Лукреций, Демокрит. В конце XVII столетия ту же идею попытался возобновить Ньютон. Но в те самые годы, когда великий англичанин опубликовал свою «Оптику», другой сильный ум, Христиан Гюйгенс, в Голландии с успехом развил представление о волнах света. Немалое количество опытных фактов, как оказалось вскоре, могло быть объяснено только на основе этого представления. В XIX веке Огюстен Френель и Клерк Максвелл двинулись еще дальше, воздвигнув великолепное здание волновой теории света, в рамках которой не осталось уже ровно никакого места для ньютоновских световых частиц… И вот на протяжении двухсот с лишним лет, истекших после Гюйгенса, ни один дерзкий ум не осмеливался выйти за эти пределы, ни один бунтарь не решался порвать с впитавшейся в плоть и кровь традицией, согласно которой свет есть волны, и только волны, и ничего иного, кроме волн!

Перед этим порогом мысли останавливались в смущении современники. Через этот порог переступил Эйнштейн.

Подав через века руку Ньютону и возобновив — на новой качественной основе — идею о световых частицах, он показал тем самым живой пример диалектики хода познания, пример, который не забудется историей.