Книга Квант - Манжит Кумар

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.

Восьмерых, в том числе Планка и Эйнштейна, попросили подготовить сообщения на заданные темы. Их тексты, написанные по-французски, по-немецки или по-английски, должны были быть разосланы другим участникам и послужить отправной точкой дискуссий на пленарных заседаниях. Планк должен был написать о теории излучения абсолютно черного тела, а Эйнштейну предложили изложить его квантовую теорию теплоемкости. Хотя Эйнштейну была предоставлена честь сделать заключительный доклад, его квантовая теория света не была включена в повестку.

“Это предприятие кажется мне очень привлекательным, — писал Эйнштейн Нернсту. — У меня ни на минуту не возникло сомнений, что Вы являетесь его душой”87. К 1910 году Нернст решил, что настало время разобраться с квантом, который, как он считал, представляет собой не более чем “прием, характеризующийся очень странными, почти гротескными свойствами”88. Он уговорил Сольве финансировать конгресс, и бельгиец, не поскупившись, арендовал “Метрополь”. Эйнштейн и его коллеги провели пять дней в роскошном отеле за разговорами о квантах. Как ни мало надежд возлагал Эйнштейн на этот “шабаш ведьм”, в Прагу он все равно вернулся разочарованным. Он жаловался, что не узнал ничего, чего не знал бы прежде89.

И однако Эйнштейн был рад познакомиться с другими “ведьмами”. Одна из них, Мария Кюри, оказавшаяся женщиной “безо всяких претензий”, оценила “ясность ума Эйнштейна, его способ подачи фактов и глубину знаний”90. Во время конгресса стало известно, что она получила Нобелевскую премию по химии. Мария Кюри — первый ученый, заслуживший две такие премии: в 1903 году ей была присуждена Нобелевская премия по физике. Это удивительное событие затмил разгоревшийся во время конгресса скандал. Французская пресса была полна слухов о ее романе с женатым французским физиком Полем Ланжевеном. Стройный молодой человек с холеными усами тоже был участником конгресса, и газеты много писали о побеге этой парочки. Эйнштейн, не заметивший между ними каких-либо особых отношений, считал эти сообщения чепухой. Он был уверен, что, несмотря на “блестящий ум, Кюри недостаточно привлекательна, чтобы представлять угрозу для кого-нибудь”91.

Хотя иногда казалось, что Эйнштейн чувствует себя не в своей тарелке, он был первым, кто научился жить в согласии с квантом. Именно это позволило ему обнаружить скрытую от других сторону природы света. Был еще один молодой теоретик, тоже научившийся жить с квантом. Он использовал его, чтобы воскресить несовершенную, уже отброшенную модель атома.

Глава 3.

“Золотой” датчанин

Манчестер, Англия, 19 июня 1912 года, среда. “Дорогой Харальд! Похоже, мне удалось кое-что понять про структуру атомов”, — пишет Нильс Бор младшему брату1. “Не рассказывай об этом никому, — предупреждает он. — Иначе не смогу писать тебе”. Молчание было очень важно для Бора. Он надеялся, что ему удастся осуществить мечту любого физика: приоткрыть завесу, скрывающую непознанное. Надо было еще кое-что доделать. И Бор пишет: “Очень хочу доделать все поскорее. Для этого мне даже пришлось взять в лаборатории отпуск на два дня (это тоже секрет)”2. Однако двадцатишестилетнему датчанину потребовалось гораздо больше времени, чтобы доработать и изложить свои идеи в трех статьях под общим названием “О строении атомов и молекул”. Первая, опубликованная в июле 1913 года, стала поистине революционной: Бор осмелился ввести квант непосредственно внутрь атома.