Страница 36 из 47
По мнению Эйнштейна, противоречие заключалось в следующем: чем больше света падает на металлическую поверхность, тем больше выделяется электронов; однако энергия каждого отдельного электрона с изменением интенсивности света не изменяется, хотя, по теории Максвелла, интенсивность света служит мерилом его энергии.
Эйнштейн предложил следующее объяснение: луч света состоит из потока крошечных корпускул, каждая из которых несет определенную энергию. Энергия корпускулы пропорциональна цвету, или, выражаясь классическим языком, частоте света, а не его амплитуде, как заявлял Максвелл. Когда свет падает на твердое вещество, некоторые из эйнштейновских корпускул энергии поглощаются. Количество поглощаемой энергии в некоторых случаях оказывается настолько большим, что электроны получают возможность покинуть атомы, в которых они находились. Энергия этих освобожденных «фотоэлектронов» должна поэтому быть абсолютно равной энергии пойманных корпускул света, называемых «квантами», минус количество энергии, нужной для того, чтобы вырвать электроны из атомов.
Это последнее количество, «работа выхода», может быть непосредственно измерено.
Эйнштейн сообщил об этом в форме уравнения, в котором была установлена связь между скоростью вылетевшего электрона, энергией пойманного кванта света и «работой выхода».
«Такая корпускулярная теория, — говорил Милликен, — не была подтверждена экспериментально, за исключением наблюдений, проведенных Ленардом в 1900 году и сводившихся к тому, что энергия, с которой электроны вылетают из цинковой пластинки, кажется, не зависит от интенсивности света. Я думаю, правильно будет сказать, что мысль Эйнштейна о квантах света, несущихся в пространстве в форме импульсов, или, как мы называем их теперь, „фотонов“, приблизительно до 1915 года не имела практически ни одного убежденного сторонника.
Тогда, на тех ранних этапах, даже сам Эйнштейн не отстаивал эту мысль с достаточной решительностью и определенностью».
Милликен тоже далеко не был убежден в правоте Эйнштейна, но, поскольку лаборатория в Чикаго, руководимая Майкельсоном, проводила очень много экспериментов, основанных на волновой теории света, Милликен решил раз и навсегда проверить гипотезу Эйнштейна.
«Как только я вернулся в свою лабораторию осенью 1912 года, — писал Милликен, — я приступил к конструированию нового аппарата, при помощи которого можно было бы получить убедительное решение проблемы этого фотоэлектрического уравнения Эйнштейна. Я почти не надеялся, что решение, если только я его получу, будет положительным. Но вопрос был чрезвычайно важным, и найти какое-то решение было необходимо. Я начал фотоэлектрические исследования в октябре 1912 года, и они заняли практически все мое время, которое я посвящал исследованиям на протяжении последующих трех лет».
Вся трудность сводилась к тому, чтобы определить, в какой зависимости находится энергия от цвета, или частоты. Эйнштейн говорил, что эта зависимость была прямой: энергия равна частоте, помноженной на определенное число. Это «определенное число» было постоянным для любого цвета. Оно должно было быть природной константой. Эйнштейн применял для этого числа обозначение h из уважения к своему коллеге Максу Планку.
За несколько лет до этого Макс Планк первый сумел решить теоретическую проблему в области радиации, произвольно заменив в формуле член, обозначающий энергию, другим членом, в который входили обозначения частоты и этой самой постоянной величины. Планк обозначил эту величину через h и рассматривал всю операцию лишь как удобный математический прием, который помог ему решить задачу. Эйнштейн же увидел, что Планк невольно сделал значительно больше. При помощи «математического приема» Планка проблема решалась — значит, он точно отражал истинное положение вещей.
Эйнштейн придал этому приему буквальное значение, и его фотоэлектрическое уравнение стало первым непосредственным применением новой квантовой теории. Милликен решил проверить теорию Эйнштейна, попытавшись получить ответы на следующие три вопроса:
1. Действительно ли энергия кванта света равна частоте света, взятой h раз?
2. Является ли число h действительно постоянной величиной для всех цветов?
3. Соответствует ли фотоэлектрическое уравнение Эйнштейна тому, что имеет место в природе?
Для опытов Милликен сконструировал оригинальный аппарат, который он позднее назвал «вакуумной парикмахерской». В стеклянную вакуумную камеру он поместил поворотный диск. Этот диск можно было поворачивать при помощи магнита, расположенного за пределами камеры. С трех сторон на диске находились небольшие количества трех металлов, отличающихся высокой активностью, — натрия, калия и лития, каждый из которых реагировал на свет только одной определенной частоты.
Вследствие того, что успех эксперимента в огромной степени зависел от характера поверхности каждого из металлических образцов, в камеру было также помещено небольшое приспособление для шлифовки поверхности образцов. Оно приводилось в действие при помощи магнитов, расположенных вне камеры.
Проходя сквозь линзы и призму, белый свет лампы преломлялся. Сквозь узкую щель луч того или иного основного цвета получавшегося спектра направлялся на поверхность металлического образца, и Милликен мог наблюдать действие луча одного цвета на металл. В то время как металлическая поверхность освещалась последовательно лучом каждого основного цвета, Милликен измерял количества вылетавших электронов и их энергию, определяя количество электрической энергии, необходимой, чтобы остановить их. Если, например, для того, чтобы удержать в воздухе тело неизвестного веса, необходима сила, равная пяти фунтам, то можно сказать, что это тело весит пять фунтов. Рассуждая таким образом, Милликен определял скорость электронов путем измерения силы, требуемой для полной остановки их. Зная скорость, он мог высчитать энергию электронов, выделяющихся при освещении металлической поверхности лучом каждого цвета.
Когда этот опыт и расчеты были проделаны для всех частей спектра, Милликен смог вычертить кривую, показывающую зависимость энергии электрона от цвета луча, или частоты. Полученные им результаты дали абсолютно положительные ответы на поставленные им три вопроса и подтвердили верность теории Эйнштейна. После прямых измерений оказалось, что постоянная величина Планка равна 6,57×10-27 эрг-секунд.
Америка долго ждала такого человека, как Милликен. Он был выдающимся исследователем. Работая преподавателем в Чикаго, он отдавал много времени подготовке и поощрению молодых людей, на работу с которыми у Майкельсона не хватало терпения. Выполняя административные функции в Калифорнийском технологическом институте, он подготовил несколько поколений молодых ученых. Уровень их подготовки был настолько высок, что отпала необходимость направлять молодых американцев за границу для получения научного образования. Благодаря Роберту Эндрюсу Милликену американская наука вступила в полосу зрелости.
Братья Райт
Полет в Китти Хок
Ровные северо-восточные ветры и длинные валы Атлантического океана без устали накатываются на песчаные дюны и пляжи побережья Каролины. Ветер покрывает рябью пустынные, унылые пески. Песчаная гряда отделяет проливы Албемарль, Пэмлико и Роунок от океана. Одна ее часть носит название Китти Хок.