Решение заключается в смене модели. До сих пор мы рассматривали процесс, на входе которого была волна, а на выходе – частица. Что, если попробовать другой вариант: частица на входе и частица на выходе? Возможно, ключевой элемент понимания действия падающего электромагнитного излучения следует искать в его корпускулярной природе.
Именно в этом и состоял коренной сдвиг мировоззрения, совершенный Эйнштейном в 1905 г., который многие называют annus mirabilis. В этом же году он предложил специальную теорию относительности, за которую мы возьмемся на одном из следующих «рубежей», а также теорию броуновского движения, обеспечившую самую убедительную поддержку идеи атомарного устройства материи, как было описано в предыдущей главе.
Эйнштейн предположил, что электромагнитное излучение или свет следует уподобить не волне, а пулеметной очереди, состоящей из мельчайших бильярдных шаров, в точности как предлагал еще Ньютон. Энергия каждой отдельной частицы зависит от частоты излучения. Эта новая идея дает нам модель, идеально описывающую те результаты, которые мы наблюдали в лаборатории. Каждый бильярдный шарик света имеет энергию, соответствующую минимальной энергии, вычисленной Планком для объяснения поведения излучения в печи. Так, электромагнитное излучение с частотой ν в модели Эйнштейна следует рассматривать как набор шариков, каждый из которых имеет энергию, равную hν. Введенные Планком скачки энергии попросту соответствуют добавлению к излучению новых световых шариков. Эйнштейн назвал такие шарики квантами света, но в середине 1920-х гг. они получили новое название, и теперь мы знаем их под именем фотонов.
Фотонный бильярд
Как же такая корпускулярная модель света объясняет поведение электронов, выбиваемых из металла? Снова представим взаимодействие как бильярдную игру. Фотоны сталкиваются с поверхностью металла. Если фотон попадает в электрон, электрону передается энергия, и электрон улетает. Но, чтобы быть выбитым из металла, электрон должен получить определенное количество энергии.
Энергия каждого налетающего фотона зависит только от частоты светового излучения. Если частота излучения слишком мала, то энергии каждого налетающего фотона недостаточно для выбивания электрона. Интенсивность излучения можно увеличивать сколько угодно: от этого возрастает число шариков, налетающих на металл, но энергия каждого отдельного шарика остается той же. Вероятность попадания в электрон увеличивается, но, поскольку каждый шарик так же бессилен, как и все остальные, электрон так и останется невыбитым. В волновой модели электрон постепенно накапливал бы поступающую энергию до тех пор, пока она не станет достаточной для его вылета. В корпускулярной модели электрон можно толкать сколько угодно раз, но ни один из таких толчков не будет достаточно сильным, чтобы выбить его. Точно так же можно слегка тыкать человека пальцем: сколько бы ни было таких слабых прикосновений, человек от них не упадет.
Но если частота налетающего излучения превышает некоторое значение, энергия каждого шарика становится достаточной для выбивания электрона, в который он попадает. Вместо сотен легких прикосновений человек получает один мощный толчок, который его опрокидывает. По сути дела, шарик передает электрону достаточное количество энергии, и результирующей энергии электрона хватает, чтобы преодолеть силы, удерживающие его в металле. Увеличение интенсивности излучения означает выстреливание большего количества шариков, что приводит лишь к росту числа испускаемых электронов. Поэтому мы наблюдаем выбивание большего количества электронов, а не выбивание электронов с большей скоростью.
Согласно модели Эйнштейна, кинетическая энергия испускаемого электрона прямо пропорциональна частоте. Интересно отметить, что эта зависимость не была до этого ни установлена на опыте, ни предсказана теоретически, что придало модели Эйнштейна наилучшее свойство любой качественной научной теории: она могла не только объяснить факты, уже наблюдавшиеся в лаборатории, но и предсказать некие новые явления, которые впоследствии можно было проверить. Это было особенно важно, потому что многие ученые отнеслись к модели Эйнштейна чрезвычайно скептически. Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное излучение в терминах математического представления волн, работали так хорошо, что ученым требовались более весомые аргументы в пользу пересмотра их мировоззрения.
Одним из таких скептиков был американский физик Роберт Эндрюс Милликен. Но предпринятые им попытки опровержения предложенной Эйнштейном модели бильярдных шариков света в конечном счете привели к подтверждению предсказания Эйнштейна о прямой пропорциональности кинетической энергии вылетающих электронов частоте падающего излучения. До этого Милликен занимался исследованиями, в которых ему удалось определить заряд электрона, а впоследствии, доказав, что излучение, регистрируемое детекторами на Земле, имеет внеземное происхождение, ввел в обиход понятие космических лучей. Работы Милликена были удостоены Нобелевской премии по физике в 1923 г., всего через два года после того, как эту премию получил Эйнштейн.
Нобелевская премия 1921 г. была присуждена Эйнштейну именно за объяснение фотоэлектрического эффекта. Теорию относительности Нобелевский комитет не признал достойной премии. Идеи Эйнштейна дали сторонникам корпускулярной теории возможность оправиться от поражения, которое они признали несколькими десятилетиями раньше, после открытий Максвелла. За этим, однако, последовала контрреволюция, когда обнаружилось, что частицы, такие как электроны, имеют характеристики, присущие скорее волнам, чем дискретным частицам. Казалось, что и свет, и электроны ведут себя и как частицы, и как волны. В зарождавшейся новой теории оказывалось, что в этом споре правы были все.
Несмотря на переворот мировоззрения, произведенный Эйнштейном, опыты, которые лучше объяснялись волновой природой света, не были опровергнуты. Как ни странно, казалось, что выбор используемой модели света определялся условиями эксперимента. Наступила эпоха корпускулярно-волнового дуализма.
Вспомним, что наиболее сокрушительным доказательством того, что свет – это волна, а не частица, стал поставленный Юнгом опыт с двойной щелью. В случае фотоэлектрического эффекта убедительный довод в пользу того, что электромагнитное излучение состоит из частиц, был получен благодаря весьма элегантному использованию свойств электрона как частицы. Но работает ли этот диалог в обратную сторону? Что, если пригласить электрон поучаствовать в эксперименте Юнга с двойной щелью? Как выяснилось, электронная бомбардировка экрана с двойной щелью смогла произвести совершенно ошеломляющий эффект в нашем восприятии реальности.
Опыты с электронами
Одно из наиболее интересных следствий из квантовой механики состоит в том, что частица, подобная электрону, по-видимому, может одновременно находиться в нескольких разных местах вплоть до момента ее наблюдения – а тогда место реального нахождения частицы определяется, насколько можно судить, случайным образом. Сейчас ученые полагают, что речь здесь идет об истинной случайности, а не просто о недостатке информации. Если повторить этот эксперимент несколько раз в тех же условиях, результаты каждый раз могут быть разными. Именно эта неопределенность положения в конечном счете виновата в том, что частицы моего куска урана внезапно оказываются вне, а не внутри банки, стоящей на моем столе.
Наиболее яркую иллюстрацию этого явления можно получить, повторив опыт Юнга с двойной щелью, но не со светом, а с электронами. Один из моих коллег по Оксфорду, физик, пригласил меня в свою лабораторию, чтобы я мог увидеть ту странную игру, в которую, как кажется, играют электроны, своими глазами. Я читал о ней много раз, но, как сказал Кант, «всякое наше знание начинается с чувств»[54].
Я счел своим долгом предупредить коллегу о своих сложных отношениях с экспериментами. В школе никто не соглашался ставить опыты в паре со мной, потому что у меня они никогда не получались. Это и было одной из причин, по которым меня привлекла теоретическая часть науки – в ней беспорядок физического мира можно хоть как-то контролировать. Но коллега заверил меня, что этот опыт работает вполне надежно.
Для начала мы установили источник, испускающий электроны со скоростью, при которой они регистрируются пластиной детектора по одному. Затем я поставил между источником и детектором экран с двумя щелями. Сначала я посмотрел, что происходит, когда одна из щелей закрыта. Электроны, прошедшие сквозь щель, попадали в пластину детектора, и после достаточного числа таких попаданий можно было увидеть возникновение некоей структуры.
