Чудеса обычных вещей - Маркус Чоун

Но какое же отношение имеет фотоэффект к корпускулярной природе света? Если свет — это волна, то практически невозможно объяснить, как она может эффективным образом сообщать энергию крохотным, локализованным в пространстве электронам. Типичная световая волна, бегущая от источника излучения, должна взаимодействовать с большим количеством электронов, распределенных по поверхности металла. Неизбежно одни электроны будут «выбиты» позднее, чем другие. В сущности, вычисления показывают, что некоторые электроны покинут свои орбиты аж через десять минут после первых. Вообразите, что поток частиц формируется в фотоэлементе столько времени! Это означает, что посетители супермаркета будут десять минут толпиться перед закрытыми дверями.

Однако все обретает смысл, если представить, что свет состоит из крошечных частиц и каждая взаимодействует с конкретным электроном в металле. Вместо того чтобы постепенно распределять свою энергию среди большого количества электронов, свет, представленный этими частицами — «фотонами», — наносит точечные удары. Каждый фотон не только выбивает один электрон, но делает это сразу, а не после десятиминутной паузы. Именно благодаря корпускулярной природе света вы попадаете в супермаркет без всяких задержек.

Эйнштейн именно так и объяснил фотоэффект: как работу крошечных порций — «квантов» — света. За это он был удостоен Нобелевской премии по физике 1921 года. Многие нашли это странным. Они удивлялись, почему Эйнштейн не получил премию за свою «относительность» — теорию, которая сделала его знаменитым и навсегда изменила наши представления о пространстве и времени. Сам Эйнштейн, однако, считал «относительность» естественным и даже не слишком выдающимся продуктом физики XIX века [6]. А в «кванте», стоящем особняком среди его достижений, он видел единственную по-настоящему революционную идею своей жизни.

Эйнштейн опубликовал работу о существовании квантов в тот же «год чудес» — 1905-й, — когда он познакомил мир и со своей теорией относительности. Пятью годами раньше, в 1900 году, немецкий физик Макс Планк нашел способ объяснить загадку жара, исходящего от печи, предположив, что атомы могут колебаться («вибрировать») только на определенных — «разрешенных» — уровнях энергии и эти уровни в количественном смысле должны быть кратны какой-то базисной порции энергии — кванту. Сам Планк полагал эти кванты не более чем математическим трюком, не имеющим особого физического смысла. Эйнштейн оказался первым, кто увидел в квантах физическую реальность: они были летящим сквозь пространство потоком фотонов в луче света.

Спичечный коробок, проглотивший сорокатонный грузовик

Собственно говоря, сам факт того, что в определенных обстоятельствах свет ведет себя, как крошечные локализованные частицы, мы должны признать, взяв для примера самый обыденный из всех окружающих нас предметов: электрическую лампочку. Ее нить испускает свет, а наш глаз этот свет поглощает. Причина того и другого должна обнаружиться в том, из чего состоят нить накаливания и наша сетчатка. А они, как и все вещество во Вселенной, состоят из атомов.

Эта идея принадлежит греческому философу Демокриту. Примерно в 440 году до нашей эры он подобрал камень или ветку, а может, это был глиняный сосуд и спросил себя: «Если я разрежу эту штуку пополам, а затем каждую половинку разрежу тоже пополам, смогу ли я заниматься этим разрезанием до бесконечности?» И сам же себе ответил: нет, не смогу. Непостижимо, чтобы вещество можно было резать и резать без конца. Демокрит понял: рано или поздно дело должно дойти до такого зернышка вещества, которое уже невозможно разрезать пополам. По-гречески «неразрезаемый» — «а-томос», поэтому Демокритовы предельные зернышки вещества стали называть «атомами».

На самом деле Демокрит пошел дальше и объявил, что атомы бывают разных типов — сейчас сказали бы, что они вроде микроскопических кирпичиков «Лего», — и, составляя их по-всякому, можно получить, например, розу, или облако, или сверкающую в небе звезду. Главная мысль заключалась в том, что реальный мир в конечном счете зернист и состоит из крошечных твердых ядрышек вещества. Что уж говорить, эта идея, несомненно, выдержала проверку временем [7].

Атомы чрезвычайно малы. Внутри булавочной головки — «по линеечке» — их уместилось бы больше миллиона. Поэтому подтвердить существование атомов оказалось нелегко. В научную эпоху было собрано множество косвенных доказательств. Тем не менее удивительно, что до 1980 года никто так и не умудрился «увидеть» атомы — для этого понадобилось устройство, названное сканирующим туннельным микроскопом (СТМ), которое изобрели два физика из лаборатории «Ай-Би-Эм» в Цюрихе.

СТМ принес Герду Биннигу и Генриху Рореру Нобелевскую премию по физике за 1986 год. По существу, принцип действия устройства таков: микроскоп ведет микроскопическим «пальцем» по поверхности материала, ощущая крохотные подвижки этого «пальца», когда он проходит над атомами, так же, как слепой чувствует неровности чужого лица, когда касается его пальцами. И так же, как слепой рисует в воображении ощупываемое им лицо, СТМ рисует на дисплее компьютера атомный пейзаж, по которому он путешествует.

С помощью СТМ Бинниг и Рорер стали первыми людьми в истории, которые, подобно богам, взглянули сверху вниз на микроскопический мир атомов. И то изображение, что проплывало перед их глазами на экране, было именно тем, что представлялось в воображении Демокриту 2500 лет назад. Атомы походили на крохотные теннисные мячи. Они были точь-в-точь как яблоки, сложенные в коробке. В истории науки нет иного примера, чтобы кто-то сделал предсказание столь задолго до экспериментального подтверждения. Если бы только у Биннига и Рорера была машина времени… Они переместили бы Демокрита в свою лабораторию в Цюрихе, поставили бы его перед этим поразительным изображением и сказали: «Смотри, ты был прав». Как художники, умершие в безвестности, никогда не узнают, что их слава достигла заоблачных высот, а полотна продаются за десятки миллионов фунтов стерлингов, так и ученые могут не дожить до той поры, когда их идеи встретят ошеломляющий успех.