Квант

Эйнштейн вернулся на свое место. Планк, председательствовавший на заседании, первым взял слово. Он поблагодарил докладчика, а затем заявил, что не согласен с ним. Он настаивает на том, что квант необходим только при описании обмена энергией между материей и излучением. Планк сказал, что “пока нет необходимости” вслед за Эйнштейном утверждать, что свет состоит из квантов. За Эйнштейна вступился только Йоханнес Штарк. К сожалению, впоследствии он, как и Ленард, стал сторонником нацистов, и тогда уже они оба нападали на Эйнштейна как на автора “жидовской физики”.

Эйнштейн ушел из патентного бюро, чтобы у него оставалось больше времени для занятий. Но в Цюрихе его ждало жестокое разочарование. У него было семь лекционных часов в неделю. К лекциям следовало готовиться, и он жаловался, что “свободного времени остается еще меньше, чем в Берне”⁸³. Сначала студенты были потрясены затрапезным видом нового профессора. Но неформальный стиль лекций и предложение прерывать его, когда что-то становится неясным, быстро завоевали Эйнштейну их уважение и привязанность. В дополнение к обязательным лекциям раз в неделю он приглашал своих студентов в кафе “Террас”, где они болтали до закрытия. Достаточно скоро Эйнштейн привык к учебной нагрузке. Он опять обратился к задачам, которые давно и безуспешно старались решить другие. Он надеялся сделать это с помощью квантов.

В 1819 году двое французских ученых Пьер Дюлонг и Алексис Пти измерили удельную теплоемкость — количество энергии, необходимое для нагревания на один градус одного килограмма вещества — для целого ряда металлов, начиная с меди и заканчивая золотом. Следующие полвека никто из тех, кто верил в существование атомов, не подвергал сомнению их утверждение, что “все простые тела обладают в точности равными теплоемкостями”⁸⁴. Большим сюрпризом стало открытие в 70-х годах XIX века исключений из правила.

Эйнштейн, пытаясь раскрыть загадку аномалий теплоемкости, использовал идею Планка и предположил, что при нагревании тела атомы начинают колебаться. Они не могут колебаться с какой-то произвольной частотой. Они “квантованы”, то есть их частоты колебаний могут быть только кратны определенной “фундаментальной” частоте. Эйнштейн выдвинул новую теорию поглощения тепла твердыми телами. Атомы могут поглощать только дискретные порции энергии — кванты. Однако когда температура падает, энергия тела понижается. В конце концов ее становится недостаточно, чтобы обеспечить каждый атом правильной квантованной порцией энергии. Из-за этого тело получает меньше энергии, что приводит к уменьшению теплоемкости.

Три года работа Эйнштейна не вызывала ни малейшего интереса. Отмечали только, что квантование энергии — ее разделение на атомном уровне на небольшие порции — позволяет решить задачу еще в одной области физики. Однако новость о том, что знаменитый немецкий физик Вальтер Нернст поехал из Берлина к Эйнштейну в Цюрих, заставила многих спохватиться и начать штудировать эту работу. Вскоре стало ясно, с чем была связана поездка. Нернст научился аккуратно измерять теплоемкость твердых тел при низких температурах и обнаружил полное совпадение результатов с предсказаниями “квантового" решения Эйнштейна.

Популярность Эйнштейна росла. Ему предложили место профессора в Немецком университете в Праге. Отказаться было невозможно, хотя это и означало, что надо покинуть Швейцарию, где он прожил пятнадцать лет. Эйнштейн и Милева с сыновьями Гансом Альбертом и Эдуардом, которому не было еще и года, приехали в Прагу в апреле 1911 года.

Вскоре после переезда Эйнштейн написал своему другу Микеланджело Бессо: “Я уже не задаюсь вопросом, существуют ли реально кванты, и не пытаюсь их больше строить. Мой мозг уже не может работать в этом направлении”. Вместо этого, писал Эйнштейн Бессо, он намерен ограничиться попыткой понять, к каким последствиям приводят кванты⁸⁵. Не только он хотел ответить на этот вопрос. Девятого июня, меньше чем через месяц после того, как он отправил письмо Бессо, Эйнштейн получил необычное послание. Бельгийский промышленник Эрнест Гастон Сольве, сделавший состояние на открытии нового способа производства пищевой соды, предложил Эйнштейну тысячу франков на покрытие дорожных расходов, если тот согласится принять участие в “научном конгрессе”, который будет происходить в Брюсселе с 29 октября по 4 ноября⁸⁶. Позднее его назовут I Сольвеевским конгрессом. Из всех европейских стран приглашены всего двадцать два человека. Они соберутся, чтобы обсудить “текущие вопросы молекулярной и кинетической теории”. Планк, Рубенс, Вин и Нернст подтвердили свое участие. Эта встреча на высшем уровне была посвящена кванту.