Теория относительности Эйнштейна за 1 час - Наталья Сердцева

Самая быстрая скорость испускания электронов веществом наблюдалась при воздействии на него фиолетовым светом, красный свет «выбивал» электроны гораздо медленнее. Разница между этими двумя цветами была как между бомбардировкой крупными и мелкими снарядами. В своей работе Эйнштейн выдвигал предположение, что должны быть такие «мелкие» и слабые кванты, которые вообще не смогут выбить электроны из вещества и породить явление фотоэффекта. Это предположение позже подтвердилось: действительно существует инфракрасный свет с очень малой энергией квантов, он не может «выбивать» электроны. С другой стороны, есть и очень крупные кванты (гамма-лучи, рентгеновское излучение), которые способны создавать интенсивный фотоэффект.

Из экспериментальных наблюдений следовал вывод, что световая волна неоднородна, а состоит из мельчайших частиц – квантов, о которых говорил Макс Планк. Но, в соответствии с уравнениями электроволновой теории Максвелла, свет является волной. Возникало противоречие, разрешить которое не представлялось возможным.

Эйнштейн в своей статье нашел объяснение этому противоречию, выдвинув революционную гипотезу, что свет – это одновременно и волна, и частица, то есть он имеет двойственную природу. Его объяснение сводилось к тому, что электрон удерживается в металле некими физическими силами. Когда металл облучается светом, электрон получает из него энергию, которая позволяет ему вырваться на свободу. Энергия попадает в электрон порциями, одна порция – это фотон (частица, или квант) света.

Эйнштейн пошел дальше Планка. Макс Планк предположил, что свет излучается порциями – квантами. Эйнштейн считал, что свет не только изучается, но и существует в виде квантов. Он вывел уравнение для фотоэффекта, которое впоследствии было подтверждено экспериментальным путем.

Ее значение было так велико, что она была названа одной из главных причин присуждения ученому Нобелевской премии в 1921 году.

После первой статьи 1905 года Эйнштейн продолжил работу над квантовой теорией. Через год он опубликовал еще одну статью – «К теории возникновения и поглощения света». Если в первой работе он увидел кванты в явлении фотоэффекта там, где их присутствие наиболее очевидно, то впоследствии он обнаружил, что на них должна быть основана вся теория света. В то время как Макс Планк и другие физики считали, что кванты – это некая условная величина, которая, вероятнее всего, исчезнет при дальнейшем развитии теории, Эйнштейн видел головокружительные перспективы квантовой физики и механики.

В 1906 году Эйнштейн вывел формулу, которая объединяла напряжение и частоту фотоэффекта. «В этой формуле, – писал автор, – содержится следующее, по крайней мере в общем и целом справедливое утверждение: чем более электроположительным является металл, тем меньше низшая частота света, вызывающая фотоэффект».

Еще через год ученый применил вновь созданную теорию квантов к определению теплоемкости. Он предположил, что энергия твердого тела выделяется в виде колеблющихся квантов. Впоследствии эта работа получила развитие у других ученых и привела к созданию теплового закона (третьего начала термодинамики). Таким образом, Эйнштейн распространял квантовую теорию, которая в то время вызывала недоверие многих ученых, на самые разные области физики, демонстрируя ее фундаментальное значение и стимулируя ее развитие.

Еще в 1827 году британский ботаник Роберт Броун обнаружил, что частички цветочной пыльцы, попавшие в воду, находятся в постоянном хаотичном движении. Сначала он предположил, что перед ним элементарные молекулы живых существ. Но позже, проделав опыты с мелкими частицами минералов, угля и стекла, Броун понял, что движение свойственно и неживой материи. Объяснить открытое им явление ученый не смог, так как его микроскоп был недостаточно мощным, чтобы увидеть молекулы воды, «толкающие» частички пыли, но оно получило его имя – броуновское движение.

Открытое Броуном явление получило широкую известность, его опыты повторяли многие естествоиспытатели. Никто из них не смог понять, какая сила движет частицы и почему их движение хаотично. Немецкий математик Людвиг Кристиан Винер первым высказал идею, что явление объясняется колебательными движениями мельчайших атомов, невидимых человеческому глазу. Эта теория в целом далека от современной, но она явилась попыткой проникнуть в сущность строения материи.

Позже изучением этого явления занялся ученый-физик из Франции Луи Жорж Гуи. Он исследовал воздействие на движение частичек смены освещения, магнитных полей, вязкости жидкости. Только последний фактор имел значение: чем меньше вязкость жидкости, тем интенсивнее хаотичное движение. Свет и электромагнитное излучение на частички не влияли. Гуи подтвердил предположение Винера, что броуновское движение обусловлено воздействием движения молекул. Ему даже удалось рассчитать скорость движения частичек: она равнялась одной стомиллионной молекулярной скорости. Ученый утверждал, что броуновское движение «является уникальным и должно иметь кардинальное значение для молекулярной физики», но состояние науки на тот момент не позволило ему развить свои гипотезы.

Статья Альберта Эйнштейна «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты», посвященная броуновскому движению, вышла в свет 11 мая 1905 года. Ученый произвел статистический анализ тех наблюдаемых эффектов, которые были вызваны тепловым движением молекул. «В этой работе будет показано, – писал он в начале статьи, – что согласно молекулярно-кинетической теории теплоты взвешенные в жидкости тела микроскопических размеров вследствие молекулярного теплового движения должны совершать движения такой величины, что легко могут быть обнаружены под микроскопом. Возможно, рассматриваемые движения тождественны с так называемым броуновским молекулярным движением».

В то время многие ученые еще сомневались в существовании атомов и молекул, твердых доказательств этой теории не было.

Через три года после публикации данной статьи Альберта Эйнштейна атомная теория была подтверждена экспериментально, в лабораторных условиях. Это подтверждение осуществил французский физик Жан Перрен. Используя ультрамикроскоп, изобретенный в 1902 году, он наблюдал броуновские частицы и смог не только зафиксировать траектории их движения, но и взвесить молекулы и атомы. Тем самым Перрен поставил точку в дискуссии физиков о молекулярно-атомной теории, существование этих мельчайших частиц материи было доказано опытным путем.

Научное сообщество было впечатлено тем, что теоретические выкладки Эйнштейна с такой точностью подтвердились экспериментами Перрена. Широкой публике Альберт Эйнштейн известен прежде всего как создатель теории относительности, а между тем его открытия в статистической физике, связанные с броуновским движением, используются учеными не менее активно. «Я думаю, что эти исследования Эйнштейна больше, чем все другие работы, убеждают физиков в реальности атомов и молекул, в справедливости теории теплоты и фундаментальной роли вероятности в законах природы», – писал по этому поводу Макс Борн.