Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн - Тибо Дамур

Но вернемся на несколько лет назад и попробуем понять, каким образом Эйнштейну удалось убедить значительную часть физического сообщества в отсутствии непрерывности в тех областях физики, где прежде непрерывность не подлежала сомнению.

Берн, Швейцария, март 1905 г.

Вернемся к «чудесному году», 1905 г., когда молодой сотрудник бернского патентного бюро заложил основу современной физики. Обычно мы ассоциируем Эйнштейна с теорией относительности, или, точнее, с двумя теориями относительности, но, как свидетельствует высказывание немецкого физика (обладателя Нобелевской премии) Макса Борна, взятое в качестве эпиграфа к этой главе, даже если бы Эйнштейн не написал ни строчки о теории относительности, его другие вклады в теоретическую физику настолько фундаментальны, что их было бы достаточно, чтобы считать их автора одним из величайших физиков в истории человеческой мысли. Каковы же эти другие вклады? И откуда Эйнштейн взял время, чтобы сделать эти фундаментальные вклады, когда, как мы видели, он был поглощен специальной теорией относительности с 1905 по 1907 г., а с 1907 по 1918 г. построением и развитием общей теории относительности? На самом деле Эйнштейн сделал свой самый революционный вклад в физику XX в. за четыре месяца до выхода его статьи о специальной теории относительности в июне 1905 г. И он продолжал предлагать разные инновационные идеи о скрытой природе света и материи на всем протяжении периода с 1905 по 1924 г. Эти идеи совместно с идеями Макса Планка и Нильса Бора легли в основу третьей грандиозной научной революции XX в.: квантовой теории, которая была впервые полностью сформулирована в 1925–1926 гг. в работах Вернера Гейзенберга, Макса Борна, Паскуаля Йордана, Эрвина Шредингера и Поля Дирака.

В марте 1905 г., когда ему только исполнилось 26 лет, Эйнштейн заканчивал статью, предлагающую новый взгляд на природу света и его поглощение и излучение материей. В письме, написанном вскоре после этого своему другу Конраду Габихту, одному из трех членов (вместе с Эйнштейном и Морисом Соловином) «Олимпийской академии», он рассказывал о содержании данной статьи следующим образом: «Там исследуются радиационные и энергетические свойства света с помощью действительно революционного подхода…» Вспомним, что Эйнштейн никогда не считал «революционной» свою июньскую работу по теории относительности 1905 г., он оценивал ее лишь как содержащую определенный концептуальный «шаг». Итак, в чем же заключалась революционность идеи мартовской статьи 1905 г.? Вопреки тому, что все считали строго установленным в то время, идея состояла в том, что световая энергия не распространялась в пространстве непрерывно, но была сосредоточена в маленьких световых квантах (Licht-quanten), т. е. в частицах световой энергии, локализованных в отдельных точках пространства.

Революционность этой идеи можно оценить хотя бы по тому факту, что в течение 20 лет она расценивалась как абсурдная и отклонялась почти всеми физиками! Даже Макс Планк, которого часто считают инициатором квантовой революции, отвергал гипотезу Эйнштейна о световых квантах как ошибочное предположение. И это при том, что Планк был первым физиком-теоретиком, признавшим значимость инновационных концепций Эйнштейна, в том числе его июньской работы по теории относительности 1905 г. В 1913 г. Планк и его коллеги составили отчет о научных достижениях Эйнштейна для выдвижения его кандидатуры в Прусскую академию наук. В этом отчете они высоко оценивали исключительную важность вклада Эйнштейна в физику. В то же время в заключение отчета они посчитали необходимым сделать следующее негативное замечание, которое многое говорит об их отношении к «действительно революционной» идее Эйнштейна:

«В целом мы можем сказать, что среди основных проблем, которыми изобилует современная физика, едва ли найдется та, в которую Эйнштейн не сделал бы выдающийся вклад. Это правда, что иногда он теряет цель в своих предположениях, например в случае с гипотезой о световых квантах; но мы не можем упрекать его в этом, ибо даже в самых точных науках невозможно вводить действительно новые идеи без того, чтобы иногда не рисковать».

С начала XIX в. природа света казалась хорошо изученной. Англичанин Томас Юнг (в 1801–1807 гг.) и француз Огюстен Френель (в 1815–1821 гг.) доказали при помощи новаторских экспериментов, что свет ведет себя, как волна. Рябь, распространяющаяся по поверхности спокойного озера, может накладываться одна на другую, это приводит к так называемой интерференции, т. е. чередованию областей, где рябь в результате наложения усиливается, и областей, где она подавляется, оставляя, таким образом, поверхность воды спокойной. Эксперименты Юнга и Френеля показали, что свет из одного источника, но прошедший по разным маршрутам, прежде чем рекомбинировать, интерферирует, т. е. создает чередование светлых и темных областей. Из этого они заключили, что свет представляет собой волновое явление, энергия которого непрерывно распределена в пространстве и которое распространяется поступательно со скоростью 300 000 км/с.

Эта концепция света была подтверждена работами Джеймса Клерка Максвелла (около 1860 г.), который предложил идентифицировать свет с электромагнитной волной, т. е., как мы уже сказали, с колебательным явлением, где электрическое поле преобразуется в ходе своего распространения в магнитное поле, и наоборот. Эксперименты Генриха Герца, проведенные в 1886–1888 гг., установили существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью 300 000 км/с, и показали их способность отражаться, преломляться и интерферировать совершенно аналогично световым волнам. Таким образом, после 1887 г. вопрос казался исчерпанным: свет является электромагнитной волной, энергия которой распределяется непрерывно в пространстве.

Как мы только что сказали, эксперименты Генриха Герца установили существование электромагнитных волн и, как казалось, окончательно подтвердили волновую природу света. Вместе с тем, по странной исторической иронии, осуществляя свои эксперименты, Герц случайно обнаружил новый феномен, который благодаря работе Эйнштейна, опубликованной в марте 1905 г., станет одним из самых убедительных доказательств корпускулярной природы света. Этот феномен называется «фотоэлектрическим эффектом», поскольку сочетает в себе свет (на греческом photos) и электричество. За теоретическое открытие фундаментального закона, описывающего фотоэлектрический эффект, в 1921 г. Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Чтобы почувствовать, насколько экспериментальное открытие может выглядеть загадочным, не имея какого-либо теоретического объяснения, полезно описать явление, обнаруженное Герцом в 1886 г. Герц получал электромагнитные волны, создавая колебание электрического заряда между двумя медными шарами, расположенными недалеко друг от друга и подключенными к катушке индуктивности. В процессе электрических колебаний между медными шарами формировалась «электрическая дуга», т. е. сильная световая вспышка, возникающая в результате электрической ионизации воздушного зазора между медными проводниками. Этот «осциллятор Герца» генерировал электромагнитные волны радиочастотного диапазона (невидимые, таким образом, человеческим глазом). Для обнаружения этих радиоволн Герц использовал медный стержень, изогнутый в форме кольца, с небольшим зазором между концами (один из них был заострен, тогда как другой имел округлую форму). Когда частота колебаний осциллятора Герца была специальным образом согласована с размером кольца-приемника, Герц мог детектировать электромагнитные волны, фиксируя формирование небольших электрических искр в зазоре. Поскольку фиксировать маленькие искорки было весьма непросто, у Герца возникла идея поместить кольцо-приемник в черный ящик, чтобы легче различать вспышки. Однако, к его удивлению, помещение кольца-приемника в ящик влияло на искры, делая их значительно менее яркими! После детального экспериментального анализа Герц понял, что причину этого странного явления следовало искать во влиянии ультрафиолетового излучения, испускаемого электрической дугой, возникающей между медными шариками производящего радиоволны осциллятора. Герц опубликовал свои наблюдения в 1887 г., однако ему не удалось дать какого-либо объяснения механизма, посредством которого свечение в ультрафиолетовом спектре могло влиять на яркость искр, возникающих в кольце.