Ирина Радунская – Когда физики в цене (страница 32)

Столетов и Герц, русский и немецкий физики, подробно изучили к этому времени, как свет выбивает электроны из поверхности твердых тел. Были установлены все подробности этого явления, названного фотоэффектом. Но никто не мог понять, почему энергия вылетающих электронов не зависит от яркости падающих лучей, а определяется только их цветом.

Никто не мог объяснить и существования красной границы фотоэффекта — того удивительного факта, что для каждого вещества в спектре солнечного света существует своя «индивидуальная» граница. Лучи, лежащие «в красную сторону» от границы, никогда не вызывают фотоэффекта, а лежащие «в фиолетовую сторону» от нее — легко выбивают электроны из поверхности вещества. Это было тем более удивительно, что существование цветовой границы прямо противоречило волновой теории света, господствовавшей в науке около 300 лет. В соответствии с волновой теорией можно было ожидать «накопления» действия света. Яркий свет должен был приводить к вылету электрона скорее, чем слабый.

С «волновой» точки зрения красной границы вообще не должно было быть. Световая волна любой длины должна быть способна выбить электрон. Для этого нужно или подождать подольше, или взять свет поярче.

Загадку решил Эйнштейн. Он пришел к выводу, что квантовая теория Планка, созданная только для объяснения механизма обмена тепловой энергией между электромагнитным полем и веществом, должна быть существенно расширена. Он установил, что энергия электромагнитного поля, в том числе и световых волн, всегда существует в виде определенных порций — квантов.

Так Эйнштейн извлек квант из его колыбели и продемонстрировал людям его поразительные возможности. Представление о кванте света (фотоне) как об объективной реальности, существующей в пространстве между источником и приемником, а не о формальной величине, появляющейся только при описании процесса обмена энергией, сразу позволило ему создать стройную теорию фотоэффекта. Это подвело фундамент и под зыбкую в то время формулу Планка.

Действительно, если свет не только излучается и поглощается квантами, но и распространяется в форме квантов — определенных порций электромагнитной энергии, то законы фотоэффекта получаются сами собой. Нужно только сделать естественное предположение, что квант-фотон взаимодействует с электроном один на один.

Энергия каждого отдельного фотона зависит только от частоты световых колебаний, то есть от его цвета. Красному цвету соответствует почти вдвое меньшая частота, чем фиолетовому; значит энергия «красных фотонов» почти вдвое меньше энергии «фиолетовых фотонов».

Так как электроны удерживаются в твердом теле вполне определенными для каждого вещества силами, то энергии «красного фотона» может не хватить для преодоления этих сил и освобождения электрона, а «фиолетовый фотон» легко это сделает. Так возникает красная граница, характерная для каждого вещества.

Столь же непосредственно объясняется и независимость энергии вылетевшего из вещества электрона от яркости вырвавших его лучей. Ведь энергия электрона — это остаток, разность между энергией фотона и той энергией, которую он затратил на вырывание электрона. Яркость света, то есть число квантов, попадающих в секунду на квадратный сантиметр поверхности тела, тут ни при чем. Ведь кванты света падают независимо один от другого, и каждый поодиночке выбивает (или не выбивает) электрон. Они не могут дождаться друг друга, чтобы совместными усилиями вырвать электрон, поэтому фотоэффент не зависит ни от яркости света, ни от времени освещения.

Квантовая теория света, успешно справившаяся с загадкой фотоэффекта, отнюдь не была всесильной. Наоборот, она была совершенно беспомощной в попытках описать ряд общеизвестных явлений. Например, таких, как возникновение ярких цветов в тонких слоях нефти, разлитой на воде, или существование предельного увеличения микроскопа и телескопа. Волновая же теория света, бессильная в случае фотоэффекта, легко справлялась с этими вопросами.

Это вызвало непонимание и длительное недоверие к квантовой теории света. Ее не принял и отец квантов Планк.

При создании теории фотоэффекта и гипотезы световых квантов проявилась особенность гения Эйнштейна — вместо введения частных гипотез, отвечающих на некоторые вопросы, давать революционные решения, одновременно проясняющие множество сложных и разнообразных проблем.

Эта черта во всем блеске проявилась в основном деле жизни Эйнштейна — в создании теории относительности, приведшей к революции в современной науке.

Глубоко проанализировав всю сумму опытных данных, накопленных физиками более чем за двадцать веков, скромный двадцатипятилетний чиновник патентного управления в Берне Эйнштейн принял в качестве основного закона, что скорость света неизменна при всех условиях.

Эйнштейн понял также, что любые явления и процессы происходят совершенно одинаково во всех телах, движущихся по инерции. Этим он распространил на всю физику принцип относительности Галилея, имевший до этого силу только для механики, — принцип, который заставляет пассажира, сидящего в вагоне, думать, что его поезд пошел, хотя двинулся только состав, до этого стоявший на соседнем пути.

Из этих предположений родилась теория относительности, вначале ее простейшая часть — специальная теория относительности, объяснявшая опыты, проводимые в лабораториях, а затем и общая, охватывающая также ускоренные движения и силы тяготения.

Но эта теория привела к выводам, показавшимся современникам безумными, — размеры тел, их масса, само течение времени потеряли свой абсолютный характер.

Еще Галилей понял, что никакими техническими приборами невозможно обнаружить движение кареты, если она движется по инерции, а окна закрыты и трение, тормозящее карету, мало. По мысли Эйнштейна, это невозможно установить не только механическими приборами, но никакими другими опытами, в том числе и оптическими. Это значило, что во всех телах, движущихся по инерции при одинаковых условиях, все процессы происходят совершенно одинаково. Только так совершенно исключается возможность оценивать при помощи этих процессов движение по инерции само по себе. По мысли Эйнштейна, для такой оценки всегда необходимо второе тело, относительно которого движется первое.

Движение по инерции не имеет абсолютного характера, оно по своей сути относительно.

Сочетание принципа относительности движения с фактом постоянства скорости света повлекло за собой много неожиданного. Оказалось, что законы физики, верные и несомненные при малых скоростях, оказываются неверными, приближенными при скоростях, близких к скорости света. Не останавливаясь подробно на эффектах теории относительности и не объясняя их, приведем лишь некоторые из них, чтобы оттенить их внешнюю парадоксальность.

Например, если две ракеты летят навстречу одна другой и приборы в них показывают, что они сближаются со скоростью 240 тысяч километров в секунду, то приборы на Земле покажут иное. Они определят, что каждая из них имеет скорость 150 тысяч километров в секунду, а не 120 тысяч, как это кажется с первого взгляда и получилось бы из принципа относительности Галилея без учета постоянства скорости света. Простой закон сложения скоростей теряет силу и заменяется более сложным.

Но этим дело не кончится.

Земные приборы покажут, что метровые линейки на обеих ракетах укоротились и содержат только 85 земных сантиметров. В то же время приборы на обеих ракетах будут показывать, что укоротился метр на Земле и в нем тоже только 85 «ракетных» сантиметров. Более того, приборы на каждой ракете зафиксируют, что метр на другой ракете укоротился сильнее, чем земной, и что он содержит только 60 сантиметров той ракеты, где ведется измерение.

То же самое произойдет с часами. Земные часы покажут, что часы на обеих ракетах отстают и проходят только 51 минуту за земной час. А часы на ракетах столь же бесспорно покажут, что отстают земные часы, которые проходят только 51 минуту за «ракетный» час. Но часы чужой ракеты будут отставать еще больше и проходить лишь 36 минут за этот же час.

События, кажущиеся одновременными при наблюдении с Земли, будут неодновременными для пассажиров ракет.

Эти выводы кажутся парадоксальными, но они неизбежно следуют из того факта, что, находясь в состоянии невесомости внутри закрытой ракеты, летящей к звездам, космонавт не чувствует ее движения и не сможет обнаружить этого движения никаким опытом. Но, открыв иллюминаторы и наблюдая внешние явления, космонавт увидит бесконечное многообразие мира, причем то, что он будет видеть и что измерят его приборы, окажется зависимым от скорости его ракеты относительности внешних тел.

Это означает, что пассажирам двух космических ракет, движущихся с разными скоростями, окружающий их мир будет видеться различным. Звезды будут казаться и по цвету и по форме иными и совершенно не такими, какими они видны с Земли. События в различных точках пространства, которые космонавтам одной ракеты кажутся одновременными, другим будут казаться происходящими в разное время.

Из работ Эйнштейна следует, что в ракете, летящей со скоростью, близкой к скорости света, время заметно замедляет свой бег. Что за год, проведенный космонавтом в такой ракете, на Земле могут пройти сотни лет.