Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

За период с 1905 по 1916 год ему удалось привлечь кванты для решения загадки теплоемкости и спасения кинетической теории от груза противоречий, внести ясность в тайну магнетизма и в поведение вещества при температуре, близкой к абсолютному нулю. 1916 год стал кульминацией его творчества.

Этот год может сравниться по результативности только с 1905 годом, когда Эйнштейн сделал нечеловеческий рывок: в течение нескольких месяцев подарил науке специальную теорию относительности, теорию квантов света и флуктуационную теорию движения молекул. Теперь он в течение одного года завершил общую теорию относительности, теорию тяготения, потребовавшую для своего создания величайших интеллектуальных усилий. Но мысли о квантовой структуре вещества и излучения не оставляли его.

Продолжая изучать процесс взаимодействия излучения с веществом, Эйнштейн делает два важнейших открытия. Значение первого было впервые оценено лишь через 30 лет молодым советским физиком Фабрикантом, но еще около 10 лет ждало всеобщего признания. После этого оно легло в основу новой области науки — квантовой радиофизики и новой области техники — квантовой электроники, привело к изобретению мазеров и лазеров и их многочисленным применениям. Речь идет об открытии особого механизма взаимосвязи между поглощением и излучением света веществом.

Рассматривая, как атом реагирует на падающий на него свет, Эйнштейн обнаружил, что возможны два родственных, но противоположных процесса. Атом может поглотить порцию энергии, ослабив падающий свет на величину этой порции — на один квант, или отдать падающему свету часть своей внутренней энергии, испустив квант света — фотон, тем самым усилив падающий свет на точно такую же порцию энергии. При этом испущенный фотон будет близнецом тех, которые вызвали его излучение. Близнецом по величине энергии. Пока речь шла только об энергии.

Второе открытие связано с первым и тоже родилось от потребности глубже понять существо квантовых свойств излучения. Эйнштейн снова пристально всматривается в фундамент, на котором покоится квантовая теория, и обращает внимание на то, что все рассуждения были основаны на законе сохранения энергии. Правильно ли это, вернее, достаточно ли обоснованно? Нет, он не ставит под сомнение справедливость этого подхода. Он хочет знать, как изменится теория, если наряду с законом сохранения энергии принять во внимание второй закон сохранения — закон сохранения импульса или, иными словами, закон сохранения количества движения. В механике эти законы глубоко связаны. При соударении упругие шары одновременно обмениваются и энергией и импульсом. Если один бильярдный шар ударяет второй, точно такой же неподвижный шар, то под влиянием отдачи первый шар останавливается, а второй как бы принимает на себя его движение. Если наблюдатель пропустит момент удара, он может вообразить, что первый шар попросту прошел сквозь второй, никак не воздействовав на него.

Эйнштейн ставит вопрос предельно просто: испытывает ли молекула отдачу при поглощении или испускании световой энергии? Ответ можно получить двумя путями — спросив волновую теорию или квантовую.

Волновая теория отвечает: молекула, как точечный источник, излучает совершенно симметричную сферическую волну. Энергия в ней разбегается одинаково во все стороны. Значит, отдачи нет. Точно так же остается неподвижным шар, если в него одновременно с четырех сторон с одинаковой скоростью ударяются четыре одинаковых шара. Они отражаются каждый в свою сторону, обменявшись между собой импульсами через неподвижный шар, который не сдвинется с места.

Эйнштейн уверен — с квантовой точки зрения такого не может быть. Если происходит испускание единичных фотонов, то каждый из них уносит не только энергию, но и импульс. Из закона сохранения следует, что излучающая молекула должна испытать отдачу, как ружье, из которого вылетела пуля. Неважно, что толкает пулю — пороховые газы, сжатый воздух или пружина. Ружье получает тот же импульс, что и пуля, но он направлен в противоположную сторону.

Какую точку зрения избрать? Чему поверить? От чего оттолкнуться? Эйнштейн не сомневался — законы сохранения отражают основные свойства природы. В 1916 году не было известно ни одного случая, когда законы сохранения нарушались. Сейчас мы знаем, что некоторые из них нарушаются. Например, при определенных процессах в атомах и при некоторых взаимодействиях элементарных частиц нарушается закон сохранения четности — различие между левым и правым при этом приобретает новое, неведомое ранее значение. Но отступления от законов сохранения энергии и импульса представляются нам и сейчас совершенно невероятными.