Квант

В теории гравитации Ньютона сила, с которой притягиваются друг к другу два тела, например Солнце и Земля, пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами масс. Поскольку тела не соприкасаются, гравитация по Ньютону — мистическая сила, “действующая на расстоянии”. В общей теории относительности гравитация обусловлена деформацией пространства, вызванной присутствием большой массы. Земля двигается вокруг Солнца не потому, что ее толкает некая невидимая сила, а благодаря деформации пространства из-за огромной массы Солнца. То есть материя деформирует пространство, а деформированное пространство направляет движение материи.

В ноябре 1915 года Эйнштейн проверил общую теорию относительности, объяснив с ее помощью особенности орбитального движения Меркурия, которые не могла объяснить теория гравитации Ньютона. При каждом обороте вокруг Солнца Меркурий несколько меняет орбиту. Очень точно измеряя положение Меркурия, астрономы выяснили, что орбита этой планеты слегка вращается. Эйнштейн использовал общую теорию относительности для вычисления сдвига орбиты. Когда стало ясно, что цифры совпадают с точностью до ошибки эксперимента, он почувствовал сильное сердцебиение, ему показалось, что внутри что-то оборвалось. “Вне всякого сомнения, теория прекрасна”, — записал он²⁹. Самые смелые мечты Эйнштейна осуществились, но титанический труд истощил его силы. Придя в себя, он занялся квантом.

В мае 1914 года еще работавший над общей теорией относительности Эйнштейн одним из первых осознал, что опыт Франка — Герца подтверждает существование уровней энергии в атоме и является “убедительным подтверждением квантовой гипотезы”³⁰. К лету 1916 года у Эйнштейна появилась собственная “блистательная идея” о том, как атом испускает и поглощает свет³¹.

Это давало возможность “удивительно просто вывести — именно вывести — формулу Планка”³². Вскоре Эйнштейн пришел к выводу, что “существование квантов света можно считать установленным”³³. Однако за все приходится платить. Ему пришлось пожертвовать принципом причинности, являющимся обязательным в классической физике, и ввести в мир атомов вероятность.

До этого Эйнштейн еще мог думать об альтернативах, но на этот раз ему удалось вывести формулу Планка с помощью квантового атома Бора. Начав с упрощенной модели атома, у которого есть только два энергетических уровня, он указал три возможности, которыми может воспользоваться электрон, перепрыгивая с одного уровня на другой. Прыжок электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий при одновременном испускании кванта света Эйнштейн назвал “спонтанной эмиссией”. Она может происходить, только если атом находится в возбужденном состоянии. Квантовый скачок второго типа имеет место тогда, когда атом приходит в возбужденное состояние, поглощая квант света, и электрон перепрыгивает с более низкого уровня на более высокий. Такие скачки Бор использовал для объяснения природы атомных спектров поглощения и испускания. Эйнштейн показал, что возможен еще один перескок: “вынужденная эмиссия”. Под воздействием светового кванта атом, уже находящийся в возбужденном состоянии, вместо того чтобы поглотить падающий квант, “вынужден” перейти в состояние с более низкой энергией. Другими словами, электрон “вынужден” перескочить на более низкий уровень, испуская световой квант. Четырьмя десятилетиями позже вынужденное излучение послужило основой для создания лазера. (Это слово составлено из первых букв английского выражения light amplification by stimulated emission of radiation, что означает “усиление света при вынужденном излучении”.)

Эйнштейн, кроме того, понял, что квант света обладает импульсом. В отличие от энергии импульс — это вектор, то есть, кроме абсолютной величины, у него есть и направление. Однако из уравнений Эйнштейна явно следовало, что точное время спонтанного перехода электрона с одного энергетического уровня на другой, как и направление движения кванта света, испущенного атомом, совершенно случайны. Самопроизвольная (спонтанная) эмиссия чем-то напоминает поведение радиоактивного элемента. Известно, что через определенное время, за время полураспада, произойдет распад половины атомов. Но невозможно узнать, когда именно распадется определенный атом. Точно так же можно вычислить вероятность того, что спонтанный переход произойдет, но все детали перехода отдаются на волю случая. Никакой связи между причиной и следствием нет. Эйнштейн считал, что концепция вероятности перехода, предоставляющая “случаю” возможность распоряжаться временем перехода и направлением испускания кванта света, — “слабое место” его теории. Он мог какое-то время с этим мириться, надеясь, что с развитием квантовой физики подобное недоразумение будет устранено³⁴.