Альберт Эйнштейн

Эйнштейн был не первым, кто заговорил о квантах. За пять лет до него, в 1900 г., понятие кванта (или элемента) энергии ввел Макс Планк. Но для него это было всего лишь техническим приемом. Кванты энергии не рассматривались в его системе как физическая реальность, а использовались как некая «промежуточная» условность, помогающая теоретическим рассуждениям, но выпадающая из окончательного результата. О мелких частичках света говорил еще Ньютон, но и в начале XX в. физики не располагали никакими экспериментальными данными, позволяющими верить в их объективное существование. К тому же все оптические явления прекрасно описывались теорией электромагнитных волн, опирающейся на общие уравнения электромагнетизма Максвелла.

В начале 1905 г. Эйнштейн задался вопросом, не приходившим тогда в голову ни теоретикам, ни экспериментаторам: почему материя атомарна (т. е. дискретна), а свет непрерывен? Конфликт непрерывности и дискретности проступает особенно остро, если свет и атомы взаимодействуют, – когда, например, атомы излучают или поглощают свет. Эта ситуация, глубоко прочувствованная и продуманная Эйнштейном, подсказала ему новый неожиданный подход к физической природе света. Он сформулировал его так: когда луч света распространяется в пространстве от точки к точке, его энергия не распределяется непрерывно по возрастающему объему пространства; напротив, она состоит из конечного числа квантов энергии, каждый из которых движется как целое без дробления и затем поглощается (атомом) тоже целиком как некое неделимое целое.

Следующая статья – «Новый метод определения размеров молекул» – была готова в апреле и стала основой диссертации Альберта Эйнштейна. Третья статья посвящалась броуновскому движению, т. е. макроскопическому подтверждению существования атомов. Она была напечатана в журнале «Анналы физики»[2 - «Анналы физики» (Annalen der Physik – один из старейших немецких научных журналов, посвященный проблемам физики; издается с 1799 г. С конца XIX в. ежегодно выходили три выпуска журнала, примерно по 1000 страниц каждый. В настоящее время издаются 12 книг в год объемом около 800 страниц. Здесь и далее – Прим. ред.] 11 мая и называлась «О движении малых частиц, взвешенных в стационарных жидкостях, требуемом молекулярно-кинетической теории теплоты». Эта статья была дополнена в декабре 1905 г., но опубликована только в 1906 г., с приложением о статистической теории броуновского движения.

Явление движения частиц взвеси (цветочной пыльцы и т. п.) в воде оставалось загадкой с 1820-х гг., когда оно было открыто ботаником Робертом Броуном (или, точнее, Брауном). Эйнштейн первым разгадал природу этого движения: случайные блуждания взвешенных частиц – проявление хаотического теплового движения молекул жидкости. Многократные случайные толчки молекул заставляют частицы перемещаться в беспрерывном неупорядоченном танце. При таком понимании частицы цветочной пыльцы служат «увеличительным стеклом», позволяющим взглянуть на мир движущихся атомов и молекул.

Главный результат теории Эйнштейна – статистический закон перемещения броуновской частицы: расстояние частицы от исходной точки пропорционально корню квадратному из времени, затраченного на перемещение. Этот закон случайных блужданий был выведен молодым ученым из кинетической теории газа (примененной к частицам взвеси) и гидродинамики (примененной к движению частиц в вязкой жидкости). В качестве множителя между смещением частицы и корнем квадратным из времени в этот закон входит комбинация размера взвешенных частиц, коэффициента вязкости жидкости и ее температуры (умноженной на постоянную Больцмана). Тем самым соотношение Эйнштейна устанавливало прямую связь между случайным смещением одной макроскопической частицы и хаотическим тепловым движением огромного множества микроскопических частиц жидкости. В 1908 г. это соотношение было проверено и полностью подтверждено в лабораторных опытах Жана Перрена в Сорбонне. Работы Эйнштейна по броуновскому движению завершили целую эпоху в физике – эпоху становления атомизма. Теорией Эйнштейна и опытами Перрена вопрос о реальности атомов был полностью и окончательно решен.