Альберт Эйнштейн

От жарких дебатов, заставлявших участников Urkreis засиживаться в кофейне до поздней ночи, не осталось никаких записей. История не сохранила даже названия кофейни. Тем не менее нетрудно догадаться, вокруг каких ключевых фигур строились эти дебаты: Генрих Герц, Анри Пуанкаре, Давид Гильберт, Бертран Рассел… А еще – юный служащий бернского патентного бюро, уроженец Германии, которому предстояло перевернуть всю физику с ног на голову: Альберт Эйнштейн (1879–1955).

Именно Эйнштейн в 1905 году наконец поставил точку в споре между Больцманом и Махом. С тех пор уже никто не сомневался, что атомы существуют. Да, они невидимы, но они есть, и здесь не может быть двух мнений. Чтобы получить этот выдающийся результат, Эйнштейну не потребовалось никаких новых инструментов. Он пустил в ход мощное оружие глубоких размышлений и нацелил его на давно известное явление – броуновское движение.

Шотландский ботаник Роберт Броун (1773–1858) еще в 1827 году отметил, глядя в микроскоп, что крошечные частички в жидкости постоянно дергаются туда-сюда случайным образом, прямо как малюсенькие живые существа. Но живыми они не были. Броун опубликовал статью о своем наблюдении, однако не смог предложить никакого объяснения такому загадочному поведению. (Как часто случается, открытие Броуна независимо совершил другой ученый, на сей раз голландский биолог Ян Ингенхауз, который написал о нем на сорок с лишним лет раньше, но явление все равно получило название в честь Броуна.)

Эйнштейн предположил, что непредсказуемые метания видимых частиц вызваны постоянными столкновениями с гораздо более мелкими частицами, из которых состоит окружающая жидкость, иначе говоря, столкновениями с невидимыми атомами или молекулами, существование которых в те годы еще было предметом жарких споров. Однако Эйнштейн проделал тщательные статистические расчеты на основании численных данных, полученных благодаря наблюдениям случайных движений видимых частиц, и сумел вывести и размер, и скорость их невидимых партнеров в танце. Этот остроумный результат стал последним гвоздем в крышку гроба антиатомистов, а картина атомов, которую нарисовал Эйнштейн, вскоре полностью подтвердилась в ходе экспериментов французского физика Жан-Батиста Перрена (1870–1942).

“Эйнштейн преобразил самые основы наших представлений о природе гораздо глубже Коперника… Проводником, указавшим нам путь к этим вершинам, стал Альберт Эйнштейн. Он провел поразительно остроумный анализ и тем самым очистил самые фундаментальные научные понятия от скрытых предубеждений, которые столетиями никто не замечал” Мориц Шлик

Хотя Мах пытался оказать жалкое сопротивление доводам Эйнштейна, его мировоззрение было обречено. С этого момента термин “атомная гипотеза” употребляли разве что историки науки.

Через год после того, как Эйнштейн опубликовал статью о броуновском движении, Людвиг Больцман свел счеты с жизнью. Больцман, как и Моисей, встретился с Создателем близ Земли обетованной, однако, увы, неясно, знал ли он, что его представления об атомах наконец нашли подтверждение. Мало того, по иронии судьбы бывший студент с факультета Больцмана, физик Мариан Смолуховский (1872–1917), уроженец Австрии, покинув Вену и заняв профессорскую должность во Львове, независимо получил те же результаты, что и Эйнштейн.

Очевидно, Больцман смирился с тем, что кое-кто всегда предпочтет говорить не “атомы существуют”, а “соответствующие ментальные репрезентации формируют простую и практичную картину наблюдаемых явлений”, даже если это означает примерно одно и то же.

В последние годы Больцман проводил больше времени в Философском обществе, а не на семинарах по физике. Он ощущал, что расцвет классической физики, его сферы интересов, остался, в сущности, позади. Электроны, рентген, а главное – темная лошадка под названием радиоактивность со дня на день сулили революцию. И это должна была быть в первую очередь революция Эйнштейна.

Альберт Эйнштейн был примерным ровесником молодых дарований из Urkreis. Он был серьезным, целеустремленным юношей, который в пятнадцать лет решил уйти из мюнхенской гимназии и отказался одновременно и от немецкого подданства, и от иудейского вероисповедания. Через год Эйнштейн, убежденный, что самостоятельно овладел всеми необходимыми знаниями, решил поступать в Цюрихский политехникум (ныне Федеральный технологический институт, Eidgenossische Technische Hochschule), однако, к собственному удивлению, не выдержал вступительного экзамена на инженерное отделение. Это был удар для юного Альберта, однако молодой человек не пал духом и записался в выпускной класс средней школы в швейцарском городе Арау. На следующий год он сдал экзамен и был принят в Цюрихский политехникум, а в 1900 году окончил его с дипломом преподавателя.

Чтобы свести концы с концами, он начал давать частные уроки математики и физики, но особых успехов не добился. “Моим сыновьям нужен репетитор, а не Сократ”, – раздраженно сказал один клиент и уволил его (по крайней мере так гласит легенда). Но в дальнейшем благодаря помощи друга Эйнштейн получил место помощника инспектора в патентном бюро в Берне – в табели о рангах его должность была самой скромной: технический эксперт третьего класса.

Именно в такой крайне неподходящей обстановке гений Эйнштейна вспыхнул, будто сверхновая. В 1905 году, одновременно с получением докторской степени, этот кудрявый служащий патентного бюро опубликовал подряд четыре поистине фундаментальные статьи и не только доказал, что атомы существуют, и сформулировал теорию относительности, но и выдвинул невероятно дерзкую гипотезу, что свет состоит из частиц, хотя представляет собой волну.

Статья о свете, упомянутая последней и опубликованная в марте annus mirabilis Эйнштейна, на самом деле была первым плодом этого года, и в ней изложена гипотеза, которую сам Эйнштейн считал самой революционной среди своих идей. И она и правда была настолько революционной, что ее долго никто не принимал всерьез, даже обожатели Эйнштейна. И даже члены Urkreis, если уж на то пошло. Тем не менее следует рассказать о ней подробно, поскольку эта история противоречит всем теориям, претендующим на стандартизацию методологии науки.

Статья Эйнштейна “Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света”, начинается с простой, но неочевидной аналогии между электромагнитным спектром так называемого абсолютно черного тела (пустой полости, содержащей только световые лучи, с постоянной температурой стенок) и распределением скорости молекул в подобном сосуде, наполненном идеальным газом (распределение Максвелла – Больцмана). Эта аналогия после нескольких страниц математических расчетов привела Эйнштейна к потрясающему выводу, что свет в каком-то непостижимом смысле состоит из частиц.

Эта гипотеза была значительно радикальнее более ранней гипотезы Макса Планка о существовании квантов энергии в излучении черного тела. Идея Планка, которая ограничивала способы вибрации материальных тел, была первой квантовой гипотезой в истории, и хотя она была неожиданной и ее сложно было примирить с прежними законами, никому не казалось, что она так уж грозит ниспровергнуть все стройное здание классической физики.

А предположить, что свет по природе состоит из частиц, было, несомненно, опасно. Благодаря великим уравнениям Джеймса Клерка Максвелла, опубликованным в середине шестидесятых годов девятнадцатого века, и великим экспериментам Генриха Герца, проведенным примерно двадцать лет спустя (а также бесчисленному множеству других данных), всякий, кто что-то знал о свете, был убежден без тени сомнения, что свет – это волны; более того, это представление служило незыблемым столпом, на котором зиждилась основательная часть тогдашней физики. Поэтому, когда Эйнштейн предположил, что свет состоит из частиц, это был полный и радикальный подрыв практически всей классической физики. Такая ересь, бесспорно, угрожала целостности стройного здания.

Эйнштейн понимал, что отважно бросается в неизвестное, поэтому в конце своей статьи об “эвристической точке зрения” кратко, в виде приложения, описал три способа проверить свою дерзкую гипотезу о квантах света. Одна из трех проверок задействовала фотоэлектрический эффект: суть его в том, что при падении света на металлическую пластину из нее иногда вылетают электроны – а иногда нет, в зависимости от разнообразных факторов, которые в 1905 году еще не были выявлены.

Фотоэлектрический эффект открыли сравнительно недавно. Первым его заметил немецкий ученый Генрих Герц (1857–1894) в 1887 году, когда проводил серию опытов, неопровержимо доказавших теорию Максвелла, согласно которой свет состоит из электромагнитных волн! По мнению Герца, этот эффект был просто досадным недоразумением, несколько помешавшим его эксперименту, но впоследствии это мелкое недоразумение станет первой трещинкой в броне великой теории Максвелла. Невозможно не подивиться парадоксальному стечению обстоятельств: один и тот же эксперимент одновременно и подтвердил, и опроверг величайшее достижение физики девятнадцатого века!

В 1905 году о фотоэлектрическом эффекте Герца время от времени вспоминали, но большинство физиков он не особенно интересовал. Однако Эйнштейн с присущей ему обостренной интуицией заподозрил, что если провести эксперименты с должной аккуратностью, можно будет при помощи этого любопытного явления либо подтвердить, либо опровергнуть его гипотезу о квантах света. Поэтому он сделал предсказание на основании своей гипотезы – построил простой линейный график вероятных результатов будущих экспериментов по изучению фотоэлектрического эффекта. Любопытно, что в статье Эйнштейн подчеркнул, что прямая, которую он прогнозирует, не соответствует лучшим экспериментальным данным по фотоэлектрическому эффекту, доступным на то время. То есть его статья не объясняла имеющиеся данные, а предсказывала другие. Можно ли вообразить себе большую дерзость? Гипотеза Эйнштейна не просто попирала все общепринятые теоретические представления о свете, но и противоречила экспериментальным данным, полученным при изучении явления, которое, по утверждению Эйнштейна, могло бы подтвердить его гипотезу.

И в самом деле, Макс Планк и остальное физическое сообщество отнеслись к доводам из статьи Эйнштейна о квантах света с крайним недоверием. Более того, много лет никто ее не цитировал, никто не воспринимал всерьез ее идеи, и Эйнштейн оставался единственным человеком на планете (за исключением разве что его жены), убежденным в “корпускулярной” природе света. Даже Планк, питавший к Эйнштейну глубочайшее уважение, в 1913 году сказал о своем младшем коллеге: “И пусть иногда – как, например, в гипотезе о квантах света – он заходит в своих предположениях слишком далеко, его не стоит в этом упрекать, поскольку никакое подлинное новаторство, даже в точных науках, невозможно без некоторого риска и отваги”.

Прошло десять лет после публикации статьи Эйнштейна, и американский физик Роберт Милликен в своей знаменитой книге о фотоэлектрическом эффекте описал, как подтвердил линейный график Эйнштейна с необычайной точностью, однако затем утверждал (ошибочно), что к этому времени Эйнштейн сам отказался от своей теории о квантах света. Чтобы подчеркнуть, какое странное сложилось положение, Милликен добавил: “Эксперимент опередил теорию, точнее, опирался на неверную теорию, и выявил связи, по всей видимости, крайне интересные и важные, однако их причины пока что совершенно не ясны”.

В 1922 году наметился любопытный поворот. Эйнштейн наконец-то получил Нобелевскую премию по физике. Но за что ее присудили? За доказательство существования атомов? Нет, это было уже давно. За кванты света? Нет, конечно! В эти глупости никто не верил! За теорию относительности – общую, специальную или и ту, и другую? Тоже нет, хотя его труды по теории относительности перевернули физику и сделали Эйнштейна знаменитым во всем мире. Нобелевскую премию Эйнштейн получил “за заслуги в теоретической физике, а в особенности за открытие закона фотоэлектрического эффекта”. В этом решении Нобелевского комитета нет ни грана смысла, поскольку в то время никто, кроме самого Эйнштейна, не соглашался с его рассуждениями, на основании которых был сформулирован закон фотоэлектрического эффекта, хотя сам закон был прекрасно подтвержден Робертом Милликеном в ходе высокоточных экспериментов, которыми ученый занимался несколько лет.

Но в 1923 году все резко изменилось. В тот год американский физик-экспериментатор Артур Холли Комптон открыл аномалию в том, как свет рассеивает электроны (точнее, изменение длины световой волны), которую невозможно было объяснить уравнениями Максвелла, зато ее идеально описывали “ошибочные” представления Альберта Эйнштейна о квантах света (химик Гилберт Льюис вскоре переименовал их в фотоны). Физики всего мира внезапно были вынуждены пересмотреть свое рефлекторное отвращение к “эвристической точке зрения”, о которой Эйнштейн рассказал в 1905 году, и вскоре все приняли ее с распростертыми объятиями.

С тех пор физикам приходится пользоваться не одним, а двумя противоречивыми представлениями о том, что называют светом: для его полного описания необходимы и максвелловские электромагнитные волны, и эйнштейновские фотоны, и примирить одно с другим пока что не удается. Такая дуальная природа не знала прецедентов в истории физики.

Так что же такое свет? Корпускулярно-волновой дуализм невозможно объяснить. Но, может быть, объяснение – это не конечная цель физической теории. Эйнштейн еще в 1905 году из осторожности говорил всего лишь об “эвристической точке зрения”, которую можно применять как инструмент для мысленных экспериментов. И старательно избегал любых предположений о подлинной природе света.