Свет может быть как волной, так и частицей

В конце лета 1909 года Эйнштейна пригласили прочитать доклад на ежегодной конференции по естественным наукам – 81-м собрании Общества немецких естествоиспытателей, крупном съезде немецкоязычных ученых, который проводился в том году в Зальцбурге. Организаторы поставили в повестку дня как доклады по теории относительности, так и по квантовой природе света и ожидали, что Эйнштейн сделает доклад по теории относительности. Вместо этого Эйнштейн решил выбрать тему, которую он считал более важной на тот момент, и решил говорить об интерпретации квантовой теории и согласовании ее с волновой теорией света, так красиво сформулированной Максвеллом.

После осенившей его в конце 1907 года “счастливый мысли” о том, что эквивалентность гравитации и ускорения может помочь обобщить специальную теорию относительности, Эйнштейн отложил эту тему в сторону и сосредоточился на другой, которую он назвал “проблемой излучения” (то есть на квантовой теории). Чем больше он думал о своей “эвристической” теории света, состоящего из квантов (или неделимых пакетов), тем больше он беспокоился о том, что революция, которую они с Планком совершили, может разрушить классические основы физики. В особенности он опасался за уравнения Максвелла. “Я пришел к этой пессимистической точке зрения в основном в результате бесконечных, тщетных усилий интерпретировать… постоянную Планка интуитивно понятным способом, – написал он товарищу-физику в начале 1908 года, – и я даже серьезно сомневаюсь, что удастся доказать в общем случае справедливость уравнений Максвелла”⁴⁴. (Как выяснилось, его любовь к уравнениям Максвелла была не случайной. Это один из немногих элементов теоретической физики, оставшийся незыблемым при обеих революциях в физике, совершенных при участии Эйнштейна, в результате которых появились теория относительности и квантовая теория.)

Когда в сентябре 1909 года Эйнштейн, все еще официально не назначенный профессором, прибыл на конференцию в Зальцбург, он наконец встретился с Максом Планком и другими знаменитостями, которых знал только по письмам. На третий день после полудня он предстал перед аудиторией из более чем сотни знаменитых ученых и выступил с докладом, который Вольфганг Паули, стоявший у истоков квантовой механики, позже охарактеризовал как “одну из важных вех в развитии теоретической физики”.

Эйнштейн начал с объяснения того, почему волновая теория света больше не описывает все стороны явлений. По его словам, свет (или любое другое излучение) можно также рассматривать как пучок частиц или сгусток энергии, что похоже на то, как его определил Ньютон. “Свет имеет определенные основные свойства, которые легче понять с точки зрения ньютоновской теории излучения, чем с точки зрения волновой теории, – заявил он, – таким образом, я считаю, что на следующем этапе в теоретической физике будет создана теория света, которая может быть определена как своего рода объединение волновой и эмиссионной теории света”.

Он предупредил, что сочетание волновой и корпускулярной теории принесет в физику “глубокие изменения”, и боялся, что это будет не очень хорошо. Это может подорвать доверие к определенности и детерминизму, присущим классической физике.

В какой-то момент Эйнштейн подумал, что, возможно, такого развития событий можно было бы избежать, приняв более ограниченное толкование квантов – как у Планка, считая их лишь способом испускания и поглощения излучения поверхностью, а не свойством реальной световой волны, распространяющейся в пространстве. “Возможно ли, – задался он вопросом, – сохранить по крайней мере уравнения для распространения излучения прежними и только процессы излучения и поглощения представлять себе по-другому?” Но, сравнив поведение света с поведением молекул газа, как это было сделано в его работе 1905 года по световым квантам, Эйнштейн пришел к выводу, что это, увы, невозможно.

В результате, сказал Эйнштейн, свет следует рассматривать одновременно и как распространяющуюся волну, и как поток частиц. В конце своего выступления он заявил: “Эти два структурных свойства, одновременно проявляющиеся в излучении, не нужно считать несовместимыми”⁴⁵.

Это было первое публичное выступление, в котором он высказал идею о корпускулярно-волновом дуализме света, и оно имело не менее глубокие последствия, чем более ранние теоретические идеи Эйнштейна. “Можно ли совместить кванты энергии и волновые свойства излучения? – шутил он в письме другу-физику. – Реальность против этого, но Всемогущему, кажется, удался этот фокус”⁴⁶.

После доклада Эйнштейна развернулась оживленная дискуссия, которой руководил сам Планк. Планк теперь играл роль защитника старого порядка, все еще не будучи в состоянии принять то, что за математической константой, которую он ввел девять лет назад, стоит физическая реальность. Не воспринял он также и революционные следствия идей, предсказанные Эйнштейном. Планк признал, что излучение содержит дискретные “кванты, которые должны считаться атомами действия”, но настаивал, что эти кванты существовали только во время процесса испускания или поглощения излучения. Он сказал: “Вопрос в том, где искать эти кванты. По словам господина Эйнштейна, необходимо представить себе, что они составляют свободное излучение в вакууме, и таким образом, сами световые волны состоят из элементарных квантов, и следовательно, это заставляет нас отказаться от уравнений Максвелла. Это не кажется мне шагом, который уже сейчас необходимо сделать”⁴⁷.

Всего через пару десятилетий Эйнштейн сам будет играть аналогичную роль – роль защитника старого порядка. На самом деле он уже начал искать пути разрешения жутких парадоксов, возникших в квантовой теории, и написал молодому физику, с которым тогда работал: “Я очень надеюсь, что решу проблему излучения и смогу обойтись без световых квантов”⁴⁸.

Все это казалось мистикой, по крайней мере в то время. Так как он получил должность профессора в одном из немецкоговорящих университетов Eвропы, ему следовало заниматься темой, которая была однозначно его собственной, и он вернулся к теории относительности и на некоторое время сбежал из этой странной “квантландии”. В какой-то момент он пожаловался другу: “Чем большим успехом пользуется квантовая теория, тем глупее она выглядит”⁴⁹.

Милева с сыновьями Эдуардом и Гансом Альбертом. 1914 г.