Квант

Макс фон Лауэ (в то время приват-доцент Берлинского университета и будущий Нобелевский лауреат) писал Эйнштейну, что готов согласиться с тем, что кванты принимают участие в испускании и поглощении света. Но это все: свет сам по себе не состоит из квантов, предостерегал Лауэ, а “только при обмене энергией с материей ведет себя как они”⁷⁵. Очень немногие соглашались даже с этим. Частично проблема заключалась в Эйнштейне. В своей первой работе он действительно отметил, что свет ведет себя так, как если бы он состоял из квантов. Это трудно назвать категорическим утверждением, способствующим признанию кванта света. А дело было в том, что Эйнштейн не хотел ограничиваться “эвристической точкой зрения”: ему очень хотелось построить до конца проработанную теорию.

Фотоэффект оказался полем боя между считавшимися непрерывными световыми волнами и прерывностью материи — атомами. Но в 1905 году еще не все до конца верили в существование атомов. Одиннадцатого мая (меньше чем через два месяца после окончания статьи о квантах) в редакцию “Аннален дер физик” поступила вторая за тот год работа Эйнштейна. В ней объяснялось, что представляет собой таинственное броуновское движение. Именно эта работа стала основным свидетельством в поддержку существования атомов⁷⁶.

В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун рассматривал в микроскоп взвешенную в воде пыльцу. Он видел, что ее частички, словно борясь с невидимой силой, все время беспорядочно двигаются. Еще ранее было замечено, что если увеличивать температуру воды, это странное ерзание нарастает. Считалось, что оно объясняется какими-то биологическими причинами. Однако Броун обнаружил, что даже если частички пыльцы до опыта пролежали на полке двадцать лет, в растворе они будут двигаться точно так же. Заинтригованный, он стал использовать мелкую пудру, приготовленную из различных неорганических веществ, начиная со стекла и заканчивая растертыми в порошок камешками, отколовшимися от египетского сфинкса. Наблюдая взвесь этих частиц в воде, он увидел то же хаотическое движение и понял, что никакая жизненная сила не может быть его причиной. Броун опубликовал свои исследования в брошюре “Краткий отчет о наблюдениях в микроскоп, выполненных в июне, июле и августе 1827 года, над частицами пыльцы растений, и о повсеместном существовании активных молекул в органических и неорганических телах”. Предлагалось много более или менее правдоподобных объяснений броуновского движения, однако рано или поздно все они оказывались несостоятельными. Лишь к концу XIX столетия ученые, верившие в существование атомов и молекул, сошлись на том, что броуновское движение — это результат столкновения частиц взвеси с молекулами воды.

Эйнштейн понял, что броуновское движение вызвано не отдельным столкновением частицы с молекулой воды, а совокупностью большого числа таких столкновений. В каждый момент времени коллективный эффект таких столкновений приводит к случайному хаотическому движению зерен пыльцы или частичек взвеси. Эйнштейн предположил, что ключ к пониманию такого непредсказуемого движения надо искать в отклонениях (статистических флуктуациях) от ожидаемого “усредненного” поведения молекул воды. Учитывая соотношение размеров молекул и частичек, можно предположить, что в среднем большое число молекул одновременно с разных направлений ударяет по частичке. Учитывая разницу масштабов, каждое столкновение будет приводить к бесконечно малому сдвигу зерна пыльцы в каком-то определенном направлении. Однако суммарный эффект столкновений сведется к тому, что частичка останется неподвижной, поскольку столкновения нейтрализуют друг друга. Эйнштейн понял, что броуновское движение связано с регулярным отклонением поведения молекул воды от “нормального”. Некоторые из них сбиваются в кучки и все вместе, как одно целое, ударяют по зерну пыльцы, посылая его в какую-то определенную сторону.

Эйнштейн вычислил, какое среднее расстояние по горизонтали пройдет частица за единицу времени при таком зигзагообразном движении. Он предсказал, что при температуре воды в 17°С частица диаметром в одну тысячную миллиметра за минуту сдвинется в среднем на шесть тысячных миллиметра. Эйнштейн предложил формулу, позволявшую измерить размер атома, имея только термометр, микроскоп и секундомер. Тремя годами позднее, в 1908 году, предсказание Эйнштейна было подтверждено тонкими экспериментами, выполненными в Сорбонне Жаном Перреном. В 1926 году он получил за эту работу Нобелевскую премию.