В 1900 г. Макс Планк разрешил некоторые, очень тяжелые, противоречия теории излучения, предположив, что энергия электромагнитных волн, т.е. света, излучается и поглощается дискретными, далее неделимыми количествами, квантами.

Эйнштейн в 1905 г. выдвинул теорию, согласно которой свет не только излучается и поглощается, но и состоит из дискретных, далее неделимых порций, квантов света. Они представляют собой частицы, которые движутся в пустоте со скоростью 300 000 километров в секунду. Впоследствии (в двадцатые годы) эти частицы получили название фотонов.

Существование фотонов - квантов света - само по себе не следует из существования неделимых порций излучения и поглощения. Эйнштейн разъяснил соотношение гипотезы фотонов и теории Планка следующим сравнением:

"Если пиво всегда продают в бутылках, содержащих пинту, отсюда вовсе не следует, что пиво состоит из неделимых частей, равных пинте". Филипп Франк развил эту аналогию [1]. Чтобы проверить, состоит ли пиво в бочонке из неделимых далее частей, разольем его из бочонка в некоторое число сосудов, например в десять сосудов. Разливать мы будем пиво совершенно произвольным образом, предоставляя случаю определить, сколько попадет в каждый сосуд. Измерим, сколько пива ока

107

залось в каждом сосуде, и потом выльем его обратно в бочонок. Повторим такую операцию некоторое большое число раз. Если пиво не состоит из неделимых частей, среднее количество пива в каждом сосуде будет одно и то же для всех этих сосудов. Если же пиво состоит из неделимых частей, между сосудами появятся различия в среднем количестве пива. Представим себе в качестве крайнего случая, что бочонок содержит только одну неделимую порцию пива. Тогда вся эта порция будет вылита каждый раз только в один сосуд и различие между содержимым сосудов будет наибольшим: в одном сосуде окажется все пиво из бочонка, остальные сосуды останутся пустыми. Если бочонок состоит из двух, трех и так далее неделимых порций, отклонения от среднего значения станут все меньше. Таким образом, по величине отклонений от среднего значения, т.е. по величине флюктуаций, можно судить о величине неделимых порций пива.

1 См.: Frank, 72.

Перейдем теперь к изучению электромагнитных волн. Пусть они заполняют ограниченный стенками "бочонок" - некоторый объем пространства, состоящий из отдельных клеток. Можно ли разделить энергию этих волн на сколь угодно большое число частей или мы натолкнемся на неделимые далее "порции"? И если излученное электромагнитное поле дискретно, то какова величина его наименьших "порций"?

На эти вопросы можно ответить, измеряя отклонения количества энергии в клетках от среднего значения - вариации этого количества при переходе от одной клетки к другой. Если минимальные "порции" велики, то и вариации велики; если "порции" малы, то и вариации малы.

Измерения дают следующий результат. В фиолетовом свете (более высокие частоты электромагнитных колебаний), заполняющем некоторый объем, мы встречаемся со сравнительно большими вариациями количеств энергии в различных клетках. В красном свете (менее высокие частоты колебаний) флюктуации количества энергии, т.е. вариации при переходе из одной клетки в другую, меньше. Отсюда следует, что фиолетовый свет (колебания с большей частотой) состоит из более крупных неделимых порций энергии, чем красный свет (колебания с меньшей частотой).

108

По этому можно судить, что "пиво не только продается пинтовыми бутылками, но и состоит из пинтовых порций", - свет состоит из неделимых частиц; он не только поглощается и излучается неделимыми частями, но и в промежутке между излучением и поглощением состоит из неделимых частиц, несущих больше энергии, если частота электромагнитных колебаний больше. Энергия частиц (квантов) света - фотонов - пропорциональна частоте и для определенного (монохроматического) света представляет определенную величину.

Корпускулярная структура света, существование фотонов демонстрируется самым непреложным образом в ряде экспериментов. Особенно отчетливо и убедительно существование фотонов выводится из явлений фотоэлектрического эффекта. Эти явления состоят в появлении электрического тока под действием света. Попадая на металлическую пластинку, свет вырывает из нее электроны, движение этих электронов создает электрический ток.

Представим себе некоторый источник света, т.е. излучатель электромагнитных волн. По мере того как волна расходится во все стороны, плотность энергии на фронте волны уменьшается. Но при этом энергия выбитых с пластинки электронов не уменьшается. Каждый выбитый электрон обладает той же энергией, уменьшается лишь число таких электронов. Пусть излученная энергия как раз такая, какая нужна, чтобы выбить электрон из пластинки. Эксперимент показывает, что в этом случае свет может вырвать электрон из пластинки, т.е. даст фотоэлектрический эффект на большом расстоянии от источника. По замечанию Крамерса, дело происходит так, как будто с корабля в воду прыгнул матрос, а энергия волны, разошедшейся по поверхности моря после всплеска воды, дошла бы до другого края моря и здесь выбросила такого же купающегося матроса на палубу его корабля.

Итак, из теории фотоэлектрического эффекта следует, что энергия, затраченная на освобождение одного электрона, не зависит от расстояния между металлической пластинкой и источником света. Она зависит от частоты электромагнитных колебаний. В каждом случае выбитый электрон получает всю необходимую для его освобождения энергию, по чем дальше расстояние, тем таких электронов меньше. Такая закономерность, заключил Эйнштейн, соответствует картине отдельных частиц, разле

109

тающихся во все стороны от источника света. Чем дальше от источника, тем меньше в среднем будет таких частиц в единице объема, тем меньше вероятность встречи с частицей света в каждой точке пространства, но если мы встретились с этой частицей, ее энергия одна и та же на любом расстоянии от источника, она зависит только от частоты колебаний. Но о каких, собственно, колебаниях идет речь, если свет состоит из частиц? Здесь мы сталкиваемся с самой тяжелой апорией физики XX в., содержащейся в выдвинутой Эйнштейном теории световых квантов.

Существование электромагнитных волн и волновая природа света не могут быть опровергнуты. Вместе с тем нельзя опровергнуть корпускулярную природу света - тот факт, что свет состоит из фотонов. Необъяснимое противоречие вошло в науку, и лишь через двадцать лет физической мысли удалось найти некоторое объяснение указанного противоречия.

Это противоречие, это парадоксальное соединение волновых и корпускулярных свойств света очень характерно для научных идей Эйнштейна. Эйнштейн ни на минуту не сомневается в том, что свет действительно обладает волновыми и корпускулярными свойствами. Он не хочет обойти парадокс, опрокидывающий и классическое представление о частицах, не обладающих волновыми свойствами, и классическое представление о волнах, которые никак не обладают корпускулярной природой.

В том же томе "Annalen der Physik", где была напечатана статья о световых квантах, было, как нам уже известно, напечатано первое изложение теории относительности Эйнштейна. Там описывалась, быть может, еще более парадоксальная ситуация: свет распространяется с одной и той же скоростью по отношению к телам, которые сами движутся, одно относительно другого. Можно провести дальше идущую аналогию: в обеих теориях, и в теории фотонов и теории относительности, Эйнштейн описывает парадоксальные ситуации в физике отнюдь не как внешний феноменологический результат непарадоксальных процессов. Как мы увидим дальше, существовала теория, выдвинутая Лоренцем и объяснявшая постоянство скорости света как результат лежащих в основе явления непарадоксальных процессов. В квантовой теории также существовала такая тенденция. Планк думал, что

110

свет - чисто волновой процесс без каких-либо корпускулярных свойств, т.е. нечто вполне респектабельное в глазах классической физики, - дает дискретное значение энергии только при поглощении и излучении, в силу некоторого особенного механизма излучения и поглощения света. Здесь имеется известная аналогия между соотношением взглядов Эйнштейна и Лоренца, с одной стороны, и Эйнштейна и Планка, с другой. В обоих случаях Эйнштейна отличало не только содержание выдвинутых им физических идей, но и связанное с этим содержанием удивительное по силе чувство парадоксальности бытия или, что то же самое, достоверности, объективности и субстанциальности парадоксальных выводов, противоречащих и "очевидному" наблюдению, и "очевидной" логике. Теория фотонов с ее парадоксальным соединением исключающих друг друга волновых и корпускулярных свойств света в течение долгого времени не получала признания. В 1912 г. в представлении, подписанном крупнейшими немецкими физиками и в том числе Планком, об избрании Эйнштейна в Прусскую Академию наук говорилось о гипотезе световых квантов как о чем-то требующем извинений: "То, что он в своих рассуждениях иногда выходит за пределы цели, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком сильно ставить ему в упрек. Ибо, не решившись пойти на риск, нельзя осуществить истинно нового, даже в самом точном естествознании" [2].