В шестидесятых годах позапрошлого века многие ученые-теплофизики исследовали излучение «абсолютно черного тела». Испокон веков кузнецы знали, что железо меняет свой цвет при нагреве. Сначала оно кажется красным, а затем по мере роста температуры – оранжевым, белым и, наконец, – голубым. В результате были получены графики зависимости интенсивности излучения от длины волны при разных температурах. Оказалось, что куполообразная форма подобных кривых зависит только от температуры, но никто не мог найти для них общую формулу.

В 1900 году профессор Берлинского университета Макс Планк вывел (по его словам, в результате случайной догадки) уравнение, которое описывало зависимость интенсивности от длины волны при каждой температуре. При этом он воспользовался статистическими методами Людвига Больцмана, которые до этого всячески критиковал. Уравнение получилось довольно странное, ведь в него входила чрезвычайно малая константа, равная 6,62607 × 10^-34 Дж/с. Так в мир вошла еще одна фундаментальная константа природы, названная постоянной Планка и обозначаемая h.

Поскольку свою формулу Планк получил банальным методом «подгонки», что, конечно же, никак не умаляет ее достоинства, он не имел понятия, какой физический смысл скрывает его странная математическая константа. Лишь впоследствии он предположил, что любая поверхность, испускающая и поглощающая «лучистую энергию», в том числе абсолютно черное тело, содержит «вибрирующие по закону гармонических осцилляторов молекулы», напоминающие микроскопические пружинки. Эти гармонические осцилляторы могут поглощать или испускать энергию лишь в форме дискретных пакетов или сгустков энергии. Энергия этих пакетов может принимать только фиксированные значения, определяемые постоянной Планка.

Макс Планк (1858–1947)

Изучая работы Планка, Эйнштейн понял, что квантовая теория никак не вписывается в основы классической физики. Вдобавок к загадочной природе постоянной Планка существовала еще одна проблема, связанная с фотоэлектрическим эффектом – испусканием электронов из металла при падении света на металлическую поверхность. Из самых общих соображений считалось, что падающий свет как бы «расшатывает» электроны, и они приобретают способность вырваться из металла.

Немецкий физик Филипп Ленард, работами которого восхищался Эйнштейн, в 1901 году обнаружил любопытную закономерность: при увеличении частоты света от инфракрасной части спектра к ультрафиолетовой энергия испускаемых электронов существенно увеличивается. Однако даже при тысячекратном увеличении интенсивности энергия выбитых электронов не менялась, возрастало лишь их количество пропорционально освещенности. Все это никак не могла объяснить классическая волновая теория света.

Первый шаг к квантовой теории фотоэффекта Эйнштейн сделал в 1904 году, опубликовав работу «К общей молекулярной теории теплоты». В ней были рассчитаны флуктуации (случайные отклонения) средней энергии системы молекул. Этот результат он сравнил с известными экспериментальными данными, в которых рассматривался объем черного тела, заполненный излучением. Вывод Эйнштейна звучала так: «Я думаю, что согласие <…> невозможно приписать случайности». Одновременно со статьей, направленной в редакцию «Анналов физики», он написал письмо своему другу Конраду Габихту, где отметил: «Теперь я нашел самое простое соотношение между величиной элементарных квантов материи и длиной волны излучения». Таким образом, Эйнштейн уже тогда склонялся к мысли, что поле излучения может состоять из квантов.

Следующий шаг и был сделан в статье 1905 года, где он взял математическую константу Планка и соотнес ее с результатами Ленарда по фотоэлектрическому эффекту. Так возникла идея о том, что свет не является непрерывной волной, а состоит из микроскопических частиц, названных Эйнштейном квантами света.

В работе он рассмотрел и так называемое броуновское движение – явление, поражавшее ученый мир уже почти восемь десятилетий. Действительно, даже сегодня удивительно видеть, как маленькие частицы беспорядочно скачут в разных направлениях, находясь во взвешенном состоянии в жидкости.

В 1828 году шотландский ботаник Роберт Броун опубликовал свои детальные наблюдения за очень мелкими частицами пыльцы, взвешенными в воде: под сильным микроскопом было видно, что они качаются и блуждают. Было предложено множество объяснений, например, наличие мелких течений в объеме воды или воздействие света. Но ни одна из теорий не казалась правдоподобной.

Когда в 1870 году была разработана кинетическая теория, в которой использовались случайные движения молекул для объяснения, например, поведения газов, многие пытались с ее помощью объяснить и броуновское движение. Но, поскольку частицы примеси были в тысяч раз крупнее молекул воды, казалось, что у молекул не хватит сил сдвинуть частицу с места.

Это исследование также имело свою историю, начавшуюся в 1901 году, через одиннадцать дней после завершения Эйнштейном диссертации. Тогда Эйнштейн написал статью, посвященную поискам свидетельств существования невидимых частиц. Чтобы показать, как невидимые частицы проявляют себя в видимом мире, он воспользовался статистическим анализом случайных взаимодействий.

Эйнштейн показал, что, хотя одна молекула за одно столкновение действительно не может сдвинуть частицу с места, миллионы случайных столкновений в секунду могут объяснить блуждание частиц, которое и наблюдал Броун.

Между тем, Эйнштейн при построении своей теории даже не был уверен, что законы движения, которые он получил в действительности, управляют колебаниями частиц, увиденных Броуном. На первый взгляд, отрицание Эйнштейном того, что его теория описывала броуновское движение, выглядит странным. Однако именно так во всей широте был продемонстрирован метод построения теории, выводимой из основных принципов и постулатов, а не сконструированной на основе анализа экспериментальных данных.

Эйнштейн показал, что удар одной молекулы воды не заставит взвешенную частичку пыльцы продвинуться на заметное расстояние. Однако в любой заданный момент времени частицу толкают со всех сторон тысячи молекул. В какой-то момент времени частица получит гораздо больше толчков с одной стороны, а в следующий момент залповые удары обрушатся на ее «тыл». В результате частицы будут двигаться, бросаясь из стороны в сторону, как говорят, случайно блуждая.

Эйнштейн понял, что невозможно, да и не нужно измерять каждый зигзаг броуновского движения, равно как и скорость частиц в каждый момент времени. Но расстояния, которые проходят случайно блуждающие частицы, оценить очень просто, поскольку они растут со временем.

В качестве примера он вычислил, что при температуре 17 °C для взвешенных в воде частиц диаметром в одну тысячную миллиметра среднее смещение за одну минуту будет равно примерно 6 микронам.

Теоретические выводы Эйнштейна спустя некоторое время подтвердил немецкий экспериментатор Генри Зидентопф, используя микроскоп с очень сильным увеличением. Так была окончательно доказана физическая реальность атомов и молекул, которую в то время признавали далеко не все светила науки.

Третья статья излагала специальную теорию относительности, соединявшую в одно целое материю, пространство и время. Это была довольно необычная научная робота, без ссылок, не говоря уже о цитатах, на другие признанные авторитеты. Между тем в данной области уже имелись значимые теоретические разработки. Их получили француз Анри Пуанкаре, голландец Хендрик Лоренц и ирландец Джордж Фицджеральд. Существовали также экспериментальные результаты американских физиков Альберта Майкельсона и Эдварда Морли. Однако в созревающей новой релятивистской парадигме не хватало главного: обобщения и сведения в единое целое того, что и станет названо теорией относительности.