Действие излучения легче всего сопоставлять с морскими волнами, набегающими на берег: после работ Христиана Гюйгенса (1629—1695) и Огюстена Жана Френеля (1788—1827) такая аналогия стала бесспорной. Каждый год приносил этому новые доказательства в явлениях интерференции и дифракции света. В 1873 г. Джемс Клерк Максвелл (1831 — 1879) теоретически предсказал, что свет, падая на поверхность тел, должен оказывать на них давление (также в полном согласии с нашей аналогией). Световое давление — очень тонкий эффект, но Петр Николаевич Лебедев (1866— 1912) в 1899 г. все-таки обнаружил его экспериментально. Казалось, теперь волновая природа света доказана настолько надежно, что всякие дальнейшие опыты для ее проверки не имеют смысла. «Со времен Юнга и Френеля мы знаем, что свет — это волновое движение... Сомневаться в этих фактах больше невозможно; опровергать эти взгляды непостижимо для физика. С точки зрения рода человеческого волновая теория является очевидностью»,— писал в 1889 г. Генрих Рудольф Герц (1857—1894), трудами которого была экспериментально доказана волновая природа электромагнитного излучения и тем самым — справедливость уравнений Максвелла.
К счастью, опыты в физике ставят не только для проверки теорий. В 1887 г., за два года до того, как Генрих Герц написал приведенные строки, он сам же обнаружил явление, которое можно объяснить только корпускулярной природой излучения. Суть этого явления, которое впоследствии назовут фотоэффектом, пересказать довольно просто.
Если свет ртутной лампы (теперь мы такие лампы называем кварцевыми) направить на металл натрий, то с его поверхности полетят электроны. В конце века большая часть физиков уже ясно сознавала, что атом сложен, и потому само по себе это явление особенно никого не удивило. Довольно быстро все согласились с тем, что электроны в опыте Герца вылетают из атомов натрия под действием излучения кварцевой лампы. Странно и непонятно было другое — законы этого явления. Установлены они были Александром Григорьевичем Столетовым (1839—1896) и Филиппом Ленардом (1862—1947) на рубеже XX века. Эти ученые измеряли число выбитых электронов и их энергию в зависимости от интенсивности и частоты падающего излучения.
Мы уже знаем, что лучи, возникающие внутри атомов, различаются между собой не только длиной волны к (или, что то же, частотой у = с/к), но также интенсивностью. Это ясно видно на спектрограммах: некоторые линии там значительно ярче других, например в желтом дублете натрия линия D<z вдвое ярче линии D\. Наш предыдущий опыт и знания о волнах подсказывают нам, что действие волн тем заметнее, чем больше их амплитуда, то есть увеличивая амплитуду световых волн, мы тем самым повышаем их интенсивность. Интенсивность излучения можно поднять и по-другому, а именно, увеличивая число излучающих атомов. Поэтому если вместо одной ртутной лампы взять две, три, десять, то интенсивность излучения возрастет во столько же раз. Естественно было бы ожидать, что и энергия выбитых электронов вырастет в такой же пропорции.
Но энергия электронов оставалась прежней, менялось лишь их число. Такова первая несообразность, которая ожидала ученых в конце опытов. Зато энергия электронов зависела от частоты падающего излучения, и притом сильно. Кварцевая лампа излучает фиолетовые и ультрафиолетовые лучи. Оказалось, что если вместо них на поверхность натрия направить пучок красных лучей, то электроны не вылетят вообще, как бы много ламп мы ни взяли.
«Если излучение — волновой процесс (а это строго доказано), такого не может быть»,— утверждали одни.
«Но ведь это происходит!» — возражали другие.
Если бы несколько прибрежных утесов неожиданно обрушились на ваших глазах, почти наверное вы бы стали искать внешние причины такой катастрофы. Конечно, волны моря постепенно размывают берег, и время от времени утесы рушатся, но все знают, как редко это бывает. Однако если, обернувшись к морю, вы обнаружите там военный корабль, который ведет по берегу пальбу из орудий главного калибра, то вы сразу догадаетесь, что причина внезапных разрушений — не волны, а снаряды, хотя их энергия и меньше, чем
общая энергия морских волн. Но энергия волн равномерно распределена по всему побережью, и нужны века, чтобы мы увидели результаты их ежедневной работы. По сравнению с этой работой энергия снаряда ничтожна, зато она сосредоточена в малом объеме и выделяется мгновенно. Еели к тому же снаряд достаточно велик, он разрушит утес. Последнее важно: действительно, все свойства снаряда, кроме размеров, присущи и пуле, однако сокрушить скалу ей не под силу.
Примерно так рассуждал Эйнштейн, когда предложил свое объяснение явления фотоэффекта. Он знал об открытии и сомнениях Планка, но для Эйнштейна с его непредвзятой манерой мышления гипотеза о квантах света не казалась столь ужасной, как самому Планку. Поэтому он был первый, кто не только поверил в нее, но и применил для объяснения новых опытов. Эйнштейн утверждал: свет не только испускается квантами, как того требовала гипотеза Планка, но и распространяется так же — квантами. (Кстати, сам термин «квант» принадлежит ему же: Планк говорил об «элементах энергии»). Поэтому свет, падающий на поверхность металла, подобен не морским волнам, а артиллерийским снарядам. Причем каждый такой снаряд-квант (в 1926 г. Дж. Льюис назовет их фотонами) может выбить из атома только один электрон.
Согласно Планку, энергия кванта равна hv. По мысли Эйнштейна, какая-то часть ее (назовем ее Р) расходуется на то, чтобы вырвать электрон из атома, а остальная часть — на то, чтобы разогнать его до скорости у, то есть сообщить ему кинетическую энергию T = mv2/2. Оба эти утверждения можно коротко записать в виде простого уравнения
, п 1 ту2
ftv=p+—
Стоит принять эту гипотезу — и явление фотоэффекта проясняется. Действительно, пока снаряды малы (красный свет), они не могут выбить электрон из атома (ftv<P), как бы много мы их ни посылали. Если же мы начнем увеличивать их величину (то есть частоту излучения, фиолетовый свет), то в конце концов их энергия станет достаточной для выбивания электронов (/rv> Р). Но по-прежнему энергия каждого «снаряда-кванта» будет зависеть только от их величины (то есть от их частоты v), а не от их числа.
Шестнадцать лет спустя классическую простоту уравнения Эйнштейна Шведская академия наук отметит Нобелевской премией. Но в 1905 г., когда уравнение было написано впервые, на него ополчились все, даже Планк. Он высоко ценил Эйнштейна, искренне хотел ему помочь и потому, убеждая прусское министерство просвещения пригласить его на работу в Берлин, просил «не слишком сильно ставить ему в упрек» гипотезу относительно явлений фотоэффекта.
Планка можно понять: совсем недавно вопреки общепринятым традициям (и даже своему желанию) он ввел в физику квант действия h. Лишь постепенно пришло к нему осознание неизбежности этого шага. Даже в 1909 г. он признавался Эйнштейну: «Я еще плохо верю в реальность световых квант». Однако дело было сделано: «...Планк посадил в ухо физикам блоху»,— говорил Эйнштейн двадцать лет спустя, и она не давала им покоя, хотя они и пытались ее не замечать. Во всяком случае, Планк постарался ввести квант действия так, чтобы не пострадала волновая оптика — здание чрезвычайной красоты, созданное в течение двух столетий. Поэтому, согласно Планку, свет только испускается квантами, но распространяется по-прежнему, как волна: лишь в этом случае удавалось сохранить все результаты волновой оптики.
А Эйнштейн поступал так, как будто до него вообще не существовало физики, или по крайней мере как человек, ничего не знающий об истинной природе света. Здесь сказалась замечательная особенность Эйнштейна: в совершенстве владея логикой, он больше доверял интуиции и фактам, причем случайных фактов в физике для него не существовало. Поэтому в явлениях фотоэффекта он видел не досадное исключение из правил волновой оптики, а сигнал природы о существовании еще неизвестных, но глубоких законов. Так уж случилось, что исторически сначала были изучены волновые свойства света. Только в явлениях фотоэффекта физики впервые столкнулись с его корпускулярными свойствами. У большинства из них инерция мышления была настолько велика, что они отказались этому верить. «Не может быть!» — повторяли они подобно фермеру, впервые в жизни увидевшему жирафа.
