Квант

Родившемуся в 1831 году в Эдинбурге сыну шотландского дворянина было предопределено стать величайшим физиком XIX столетия. Свою первую научную работу о математических методах черчения овалов Максвелл опубликовал, когда ему было пятнадцать лет. В 1855 году Кембриджский университет присудил ему премию им. Адамса за исследование устойчивости колец Сатурна. Он показал, что эти кольца должны состоять из маленьких, раздробленных осколков вещества — метеоритов. В 1860 году Максвелл фактически завершил кинетическую теорию газов, объясняющую свойства газа постоянным движением составляющих его частиц. Но главным достижением Максвелла стала теория электромагнетизма.

В 1819 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед показал, что текущий по проволоке электрический ток отклоняет стрелку компаса. Через год француз Франсуа Араго обнаружил, что проволока с током ведет себя как магнит и может притягивать железную стружку. Вскоре его соотечественник Андре Мари Ампер выяснил, что две параллельные проволочки притягиваются друг к другу, если направление текущих по ним токов одинаково. Если же направления токов разные, то проволочки отталкиваются. Заинтригованный возможностью создать магнетизм с помощью электрического тока, великий английский экспериментатор Майкл Фарадей решил выяснить, можно ли превратить магнетизм в электричество. Вставив магнит в катушку, на которую была намотана проволока, он убедился, что если магнит двигать вверх и вниз, то по проволоке течет электрический ток. Ток исчезал, если магнит внутри катушки переставал двигаться.

В 1864 году Максвелл показал, что так же, как лед, вода и пар суть формы одного и того же вещества, электричество и магнетизм — разные проявления одного и того же явления: электромагнетизма. Ему удалось описать поведение столь разных на первый взгляд электричества и магнетизма с помощью системы четырех очень красивых математических уравнений. Увидев их, Людвиг Больцман сразу осознал величие сделанного Максвеллом открытия. В восторге он процитировал Гете: “Начертан этот знак не Бога ли рукой?” (пер. Н. Холодковского)⁷¹. Используя свои уравнения, Максвелл сделал удивительное открытие: электрические волны распространяются по эфиру со скоростью света. Этот результат нуждался в проверке. Если утверждение справедливо, то свет является одной из форм электромагнитного излучения. Но существуют ли электромагнитные волны на самом деле? Если да, распространяются ли они со скоростью света? Максвелл не дожил до экспериментального подтверждения своего открытия. В ноябре 1879 года, в возрасте сорока восьми лет он умер от рака. В тот год родился Эйнштейн. А меньше чем через десять лет, в 1887 году, предсказания Максвелла были проверены в экспериментах Генриха Герца. Объединение электричества, магнетизма и света стало величайшим достижением физики XIX века.

Герц указывал, что его исследования “по меньшей мере позволяют полностью отбросить сомнения касательно тождественности света, лучистой энергии и движения электромагнитных волн. Я верю, что теперь можно с достаточной степенью надежности использовать эту идентичность при изучении оптических и электрических явлений”⁷². По иронии, именно в этих экспериментах Герц открыл фотоэффект, который помог Эйнштейну показать ошибочность этого утверждения. Его квант света бросил вызов волновой теории, казавшейся всем, включая Герца, неопровержимой. Свет представляет собой форму электромагнитного излучения. Это утверждение считалось столь надежно доказанным, что физики не могли даже помыслить, что от него можно отказаться в пользу кванта света. Многие считали квант света абсурдом. В конце концов, энергия кванта определяется частотой света, но частота есть характеристика волны, а не похожих на частицы порций энергии, путешествующих в пространстве.

Эйнштейн был полностью согласен, что волновая теория света “великолепно работает при объяснении дифракции, интерференции, отражения и рефракции” и что, “вероятно, никогда не будет заменена другой теорией”⁷³. Однако, отмечал он, этот успех зиждется на том, что она описывает явления, для которых важно, как ведет себя свет в течение определенного периода времени. При этом те его свойства, которые похожи на свойства частиц, не проявляются. Ситуация полностью меняется, если речь идет о практически “мгновенном” испускании и поглощении света. Эйнштейн предположил, что именно поэтому волновая теория сталкивается “с огромными трудностями” при объяснении такого явления, как фотоэлектрический эффект⁷⁴.