Страница 29 из 76
Этот год может сравниться по результативности только с 1905 годом, когда Эйнштейн сделал нечеловеческий рывок: в течение нескольких месяцев подарил науке специальную теорию относительности, теорию квантов света и флуктуационную теорию движения молекул. Теперь он в течение одного года завершил общую теорию относительности, теорию тяготения, потребовавшую для своего создания величайших интеллектуальных усилий. Но мысли о квантовой структуре вещества и излучения не оставляли его.
Продолжая изучать процесс взаимодействия излучения с веществом, Эйнштейн делает два важнейших открытия. Значение первого было впервые оценено лишь через 30 лет молодым советским физиком Фабрикантом, но еще около 10 лет ждало всеобщего признания. После этого оно легло в основу новой области науки — квантовой радиофизики и новой области техники — квантовой электроники, привело к изобретению мазеров и лазеров и их многочисленным применениям. Речь идет об открытии особого механизма взаимосвязи между поглощением и излучением света веществом.
Рассматривая, как атом реагирует на падающий на него свет, Эйнштейн обнаружил, что возможны два родственных, но противоположных процесса. Атом может поглотить порцию энергии, ослабив падающий свет на величину этой порции — на один квант, или отдать падающему свету часть своей внутренней энергии, испустив квант света — фотон, тем самым усилив падающий свет на точно такую же порцию энергии. При этом испущенный фотон будет близнецом тех, которые вызвали его излучение. Близнецом по величине энергии. Пока речь шла только об энергии.
Второе открытие связано с первым и тоже родилось от потребности глубже понять существо квантовых свойств излучения. Эйнштейн снова пристально всматривается в фундамент, на котором покоится квантовая теория, и обращает внимание на то, что все рассуждения были основаны на законе сохранения энергии. Правильно ли это, вернее, достаточно ли обоснованно? Нет, он не ставит под сомнение справедливость этого подхода. Он хочет знать, как изменится теория, если наряду с законом сохранения энергии принять во внимание второй закон сохранения — закон сохранения импульса или, иными словами, закон сохранения количества движения. В механике эти законы глубоко связаны. При соударении упругие шары одновременно обмениваются и энергией и импульсом. Если один бильярдный шар ударяет второй, точно такой же неподвижный шар, то под влиянием отдачи первый шар останавливается, а второй как бы принимает на себя его движение. Если наблюдатель пропустит момент удара, он может вообразить, что первый шар попросту прошел сквозь второй, никак не воздействовав на него.
Эйнштейн ставит вопрос предельно просто: испытывает ли молекула отдачу при поглощении или испускании световой энергии? Ответ можно получить двумя путями — спросив волновую теорию или квантовую.
Волновая теория отвечает: молекула, как точечный источник, излучает совершенно симметричную сферическую волну. Энергия в ней разбегается одинаково во все стороны. Значит, отдачи нет. Точно так же остается неподвижным шар, если в него одновременно с четырех сторон с одинаковой скоростью ударяются четыре одинаковых шара. Они отражаются каждый в свою сторону, обменявшись между собой импульсами через неподвижный шар, который не сдвинется с места.
Эйнштейн уверен — с квантовой точки зрения такого не может быть. Если происходит испускание единичных фотонов, то каждый из них уносит не только энергию, но и импульс. Из закона сохранения следует, что излучающая молекула должна испытать отдачу, как ружье, из которого вылетела пуля. Неважно, что толкает пулю — пороховые газы, сжатый воздух или пружина. Ружье получает тот же импульс, что и пуля, но он направлен в противоположную сторону.
Какую точку зрения избрать? Чему поверить? От чего оттолкнуться? Эйнштейн не сомневался — законы сохранения отражают основные свойства природы. В 1916 году не было известно ни одного случая, когда законы сохранения нарушались. Сейчас мы знаем, что некоторые из них нарушаются. Например, при определенных процессах в атомах и при некоторых взаимодействиях элементарных частиц нарушается закон сохранения четности — различие между левым и правым при этом приобретает новое, неведомое ранее значение. Но отступления от законов сохранения энергии и импульса представляются нам и сейчас совершенно невероятными.
И тогда, вступая в неведомый квантовый мир, Эйнштейн считал необходимой предельную осторожность. Он опирается только на хорошо установленные и многократно проверенные факты, на закон сохранения энергии, на термодинамику и электродинамику. Он проводит необходимые вычисления и получает бесспорный результат: излучающая молекула или атом испытывают отдачу. Она направлена в сторону, противоположную направлению излучения фотона. Импульс отдачи численно равен энергии, унесенной фотоном, деленной на скорость света.
И еще один вывод: самопроизвольного излучения в виде сферических волн не существует. Излучается всегда фотон, уносящий порцию энергии и определенный импульс. Направление излучения и момент, когда оно происходит, зависит от случая. Совершенно так же, как при распаде радиоактивного атома…
Квантовая теория излучения стала еще более квантовой…
Был ли Эйнштейн удовлетворен? В статьях этого периода чувствуется характерная для него ответственность, высокая степень критицизма к себе. Он констатирует слабость этой теории: она не приводит к более тесному объединению с волновой теорией. Но он не отступает — уверен в надежности выбранного метода. Он объясняет, почему все существовавшие ранее теории взаимодействия излучения с веществом, учитывавшие только обмен энергией, но не обмен импульсами, не противоречили опыту. Дело в том, что для видимого света импульс каждого отдельного фотона очень мал. Его попросту не замечали.
Теперь оставалось ожидать экспериментатора, способного понять намек. Ждать пришлось семь лет.
Примирившись с двуединой сущностью света, с необходимостью при решении некоторых задач отдавать предпочтение его волновым, а в других случаях квантовым свойствам и идя этим путем решительнее всех, Эйнштейн продолжал настойчиво искать пути к пониманию глубинных свойств излучения. При этом он не пренебрегал ни одной возможностью, подававшей надежду обнаружить, какая из сторон — волновая или квантовая — является более фундаментальной.
Прошло четыре года. Трудных и знаменательных года. Закончилась мировая война. В России прогремели две революции. Ущербная Февральская и Великая Октябрьская. Революция в Германии потерпела поражение и была потоплена в крови. Реакция торжествовала. Голод и разруха способствовали укреплению черных сил. Шовинизм и оголтелый национализм породили первую поросль национал-социализма. Реакционеры в науке травили Эйнштейна. Его теорию относительности объявили большевистской. Работать стало трудно. Все силы уходили на защиту и дальнейшее развитие теории относительности. Лишь одна радостная весть среди охватившего Германию шабаша мракобесия: она пришла в 1919 году из-за Ламанша. Экспедиция Эддингтона обнаружила искривление лучей света, предсказанное теорией относительности! Но это лишь подлило яда в черный костер травли.
И вот в 1921 году среди шести фундаментальных работ, посвященных теории относительности, короткая заметка: «Об одном эксперименте, касающемся элементарного процесса испускания света». Создатель квантовой теории света объявляет о том, что он нашел способ, как, на основе опыта, сделать выбор между квантовым и волновым подходом. Он сообщает, что приступает к опыту вместе с Гейгером. Идея опыта проста, как почти все придуманное Эйнштейном. Пучок невзаимодействующих атомов летит в пустоте вдоль непрозрачной стенки. Он пролетает мимо узкой прозрачной щели, проделанной в стенке. Позади щели стоит линза. Свет, излучаемый атомом, через щель попадает на линзу. Тут нужно измерить частоту этого света. Волновая теория говорит: эта частота должна быть больше при приближении атома к щели и меньше при его удалении от нее. Таков результат эффекта Допплера. Обычная иллюстрация этого эффекта: повышение тона гудка при приближении паровоза к наблюдателю и понижение при удалении.