Новое учение о свете

Альберт Эйнштейн

Исследования Эйнштейна по теории броуновского движения продолжили и завершили предшествовавшие работы в области молекулярной физики. Напротив, его работы по теории света, которые также базировались на уже сделанном открытии, носили с самого начала революционный характер и означали скачок в развитии науки.

Первая относящаяся к этому вопросу статья Эйнштейна, появившаяся в 1905 году, носит название "Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света". В последующие годы ученый опубликовал еще ряд важнейших работ по вопросам квантовой физики.

В своем новом учении о свете Альберт Эйнштейн опирался на гипотезу, выдвинутую Максом Планком осенью 1900 года. Эта гипотеза состояла в том, что в процессах теплового излучения энергия испускается и поглощается дискретно, в форме мельчайших порций, или "квантов", величина которых определяется элементарным квантом действия h - так называемой постоянной Планка. Количество испущенной или поглощенной энергии излучения равно целому кратному этой величины.

Это открытие Планка находилось в непримиримом противоречии с общепризнанной в то время волновой теорией света, которая к началу 19 века одержала верх над ньютоновской корпускулярной теорией и нашла затем надежное теоретическое и экспериментальное подтверждение в работах Максвелла и Герца. Волновая теория света утверждает, что свет распространяется непрерывным образом в форме волн.

Планк надеялся, что путем анализа теплового излучения можно будет установить взаимозависимость между учением о теплоте и учением об электричестве. Своими исследованиями он хотел объединить эти две области физики, не впадая в противоречие. При этом он обнаружил, что его открытие дискретной, скачкообразной природы некоторых процессов излучения не вписывается в картину мира, предлагаемую классической физикой. Планк придерживался принципиально консервативных взглядов в науке и поэтому неустанно искал способы и пути, которые позволили бы привести полученные им выводы в согласие с классическими представлениями; это, однако, оказалось неосуществимым.

Наоборот, Эйнштейн по своему стилю мышления был кем угодно, но только не консерватором, и ему было мало дела до авторитетов и традиционных представлений. Это позволило ему сделать первый смелый шаг в направлении дальнейшего развития идей Планка. Он понял, что последовательное применение гипотезы Планка должно привести к полному преобразованию учения о свете. Хотя свет и представляет собой волновой процесс, непрерывно распространяющийся в пространстве, однако световая энергия настолько сконцентрирована в некоторых участках пространства, что она способна оказывать физическое воздействие. Это означает, что свет имеет дискретный, корпускулярный характер и его можно рассматривать как поток световых квантов - фотонов.

Учение Эйнштейна о световых квантах позволило простейшим образом интерпретировать фотоэлектрический эффект. Этот эффект, обусловленный обменом энергией между светом и электронами, заключается в том, что световые лучи, падающие на металл, вырывают электроны с его поверхности. Кинетическая энергия, с которой электроны покидают поверхность металла, зависит не от интенсивности падающего света, а только от его цвета, и оказывается максимальной для ультрафиолетовых лучей.

Явление фотоэффекта, открытое Генрихом Герцем в 1886 году и затем детально исследованное другими физиками, не укладывалось в рамки волновой теории света. Напротив, фотонная теория Эйнштейна позволяла сразу же объяснить фотоэлектрический эффект. Ультрафиолетовые лучи, представляющие собой поток фотонов большей энергии, иначе говоря, поток световых частиц с большей ударной силой, естественно, должны сообщать выбиваемым ими электронам большую кинетическую энергию, чем лучи красного цвета, состоящие из световых квантов меньшей энергии.

Десять лет спустя предложенная Эйнштейном интерпретация фотоэлектрического эффекта была подтверждена исследованиями американского физика-экспериментатора Милликена. А в 1923 году реальность фотонов была самым убедительным образом доказана открытием комптон-эффекта (названного так по имени обнаружившего его ученого), то есть явления рассеяния коротковолновых рентгеновских лучей электронами, слабо связанными с атомами. С этого времени квантовая теория света сделалась неотъемлемой составной частью современной физики.

Созданное Эйнштейном новое учение о свете намного опередило взгляды современных ему естествоиспытателей. Об этом, в частности, говорит отзыв, данный ему в 1913 году ведущими берлинскими физиками. В своей рекомендации в связи с предстоящим избранием Эйнштейна в Берлинскую академию наук они, отдавая должное его многосторонним научным достижениям, призывают отнестись снисходительно к его гипотезе световых квантов.

"В своих умозрительных построениях он иногда, возможно, заходит слишком далеко, как, например, в своей гипотезе световых квантов, однако это не следует чересчур строго вменять ему в вину, так как, не идя на риск, нельзя внести существенно нового вклада даже в точное естествознание".

В чисто научном отношении гипотеза световых квантов составила целую эпоху. На ней базируется все дальнейшее развитие атомной физики. Без нее немыслима знаменитая модель атома Нильса Бора, созданная в 1913 году, так же как и гениальная гипотеза "волн материи", выдвинутая французским физиком Луи де Бройлем в начале 1920-х годов.

В философском плане новое учение о свете Эйнштейна имело двоякое значение. Во-первых, оно доказало, что установленный Планком квантовый характер теплового излучения не представляет собой специфической особенности излучения какого-либо одного рода, а что его следует считать общим признаком физических процессов. Таким образом был окончательно опровергнут уже до этого поколебленный открытием Планка старый метафизический принцип, гласивший, что природа не делает скачков.

Во-вторых, исследования Эйнштейна установили двойственную природу света. Свет проявляет и корпускулярные, и волновые свойства. Тем самым была обнаружена диалектическая противоречивость света. Концепция Эйнштейна позволила осуществить на более высокой ступени гениальный синтез противоречащих друг другу точек зрения на природу света, высказывавшихся Гюйгенсом и Ньютоном. Она представляет собой блестящий пример отображения диалектического характера процессов, протекающих в природе.

Впоследствии Эйнштейн при случае выражал сожаление по поводу того, что для широкой общественности он всегда был только "отцом теории относительности". В период "релятивистской шумихи" он говорил по этому поводу своим голландским друзьям: "Почему, собственно, люди все время болтают о моей теории относительности? Я ведь сделал еще и другие полезные вещи, возможно даже еще лучшие".

Разумеется, даже если бы Эйнштейн не был создателем теории относительности, он все равно остался бы одним из величайших физиков в истории науки. Его работы по проблеме теплового движения, по квантовой теории света и по теории теплоемкости твердых тел имели фундаментальное значение для дальнейшего развития естествознания. Однако теория относительности бесспорно стала самым популярным его достижением. Глубже, чем все другие его исследования, она затронула самую структуру естественнонаучного мышления. Она оказала широкое влияние на философские представления. Вокруг нее разгорелись самые страстные споры. И именно она зажгла факел мировой славы Эйнштейна.

Фридрих Гернек, 1984 год