одержимостью, и мы вправе задаться вопросом, почему ему потребовалось так много времени. Причина очень человеческая: результаты Милликена расстраивали и мучили его, потому что он пытался опровергнуть теорию Эйнштейна, хотя его эксперименты только доказывали обратное.

Почти каждое предсказание Эйнштейна подтвердилось. Энергия испускаемых электронов была прямо пропорциональна частоте падающего света. Милликен подтвердил и то, что ниже определенной частоты электроны вообще не измеряются, как это произошло бы, если бы свет состоял из квантов. Он даже измерил постоянную Планка, h, с точностью до 0,5 %, что, безусловно, было самым точным измерением на тот момент. Милликен нашел лучшее доказательство того, что теория, которую он намеревался опровергнуть, на самом деле верна.

В конце своей статьи 1916 года Милликен ясно дал понять, что он, хотя и принимает результаты эксперимента, все еще просто не может поверить в значение того, что обнаружил. Довольно естественно предположить, что, несмотря на несогласие Милликена с этой новой теорией, его результаты заставили бы всех других физиков внезапно принять точку зрения Эйнштейна о том, что свет состоит из квантов, но нет. Милликен доказал теорию Эйнштейна, но никто так и не принимал идею о том, что свет состоит из частиц, поэтому большинство ученых совершенно спокойно просто игнорировали эту концепцию света, считая проблему фотоэлектрического эффекта неразрешенной.

Они избегали, казалось бы, уродливой и нелогичной концепции: если вы примете во внимание результаты Милликена, показывающие, что свет действует как поток частиц, и многовековые свидетельства, показывающие, что свет действует как волна, вывод должен заключаться в том, что свету свойственна природа как частицы, так и волны.

Как тогда пошутил Уильям Генри Брэгг, британско-австралийский физик, теоретики квантовой физики «описывают свет как волну по понедельникам, вторникам и средам, и как частицу по четвергам, пятницам и субботам». Но, как бы мы его ни описывали, мы просто должны принимать реальность такой, какая она есть. Иногда очень сильный интуитивный образ природы приводит нас к убеждению, что что-то должно быть либо А (волна), либо Б (частица). Но в некоторых ситуациях мы можем использовать A – волновую теорию, а в других ситуациях мы можем использовать Б – корпускулярную теорию. Ни то ни другое нельзя считать неправильным, и применимость каждой из теорий зависит от того, как именно мы проводим наши эксперименты.

Что следует прояснить, так это вопрос о том, как работает эксперимент Юнга с двумя щелями, если рассматривать свет как частицу. Если мы проведем эксперимент Юнга только с одним фотоном за раз, что произойдет? Даже в этой ситуации каждый отдельный фотон будет действовать как волна, и, если вы подождете, пока достаточное количество одиночных фотонов не сформирует узор на экране, вы увидите ту же интерференционную картину, что и при использовании более мощной лазерной указки. Кажется, что каждый отдельный фотон каким-то образом проходит через обе щели. Это нормально, если вы думаете о свете как о волне, но это сбивает с толку, если вы думаете о нем как о частице.

Все тонкости философии квантовой механики составили бы целую отдельную книгу, но важно то, как на самом деле ведет себя природа, и именно это стремятся выяснить экспериментаторы. Вот почему наука в конечном счете сводится к экспериментам, потому что независимо от того, насколько хороша теоретическая модель, независимо от того, какие «факты», как нам кажется, мы знаем, в конце концов мы описываем то, что происходит в природе, только с помощью экспериментов.

Да, Эйнштейн выдвинул удивительную теорию о квантах света, но именно Роберт Милликен кропотливо собирал доказательства того, что природа действительно ведет себя таким образом. Однако о нем вообще мало кто слышал.

Объяснение фотоэлектрического эффекта было настолько важным, что в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия за его квантовую теорию света, а не за его более известную теорию относительности. Два года спустя, в 1923 году, Роберт Милликен[79] тоже был удостоен Нобелевской премии. Ко времени своей вступительной речи он немного изменил предысторию, заявив, что все это время намеревался подтвердить теорию Эйнштейна и рассчитать постоянную Планка. И ему, и остальному физическому сообществу потребовалось очень много времени, чтобы просто принять то, что на самом деле показали его результаты.

Сегодня квантовая механика – лучшее описание реальности в мельчайших масштабах, которое у нас есть, и это не пространная философия. Появившаяся в итоге теория, которая полностью описывает корпускулярную (частицы) и волновую природу света, теперь называется квантовой электродинамикой (КЭД), и потребовалось еще 40 лет после экспериментов Милликена, чтобы она была по-настоящему воплощена. КЭД включает в себя как квантовую механику, так и специальную теорию относительности Эйнштейна, позже мы вернемся к ней более подробно. Сегодня важной особенностью КЭД является то, что мы можем использовать ее для вычисления величин в природе с точностью до одной миллиардной. Ученые во многих областях и высокотехнологичных отраслях промышленности в настоящее время ежедневно используют квантовую механику в той или иной форме, и все мы используем ее результаты в нашей повседневной жизни, даже не осознавая этого. Отсутствие ответа на вопрос, почему природа ведет себя таким образом (и мы действительно не можем ответить, почему), не означает, что мы не можем изучить ее и использовать полученные знания.

Идея, которую изучал Милликен, – и которая, как мы теперь понимаем, заключается в том, что свет передает энергию электронам как в вакууме, так и внутри материалов, – это не просто что-то, что однажды произошло в лабораторном эксперименте и было забыто. Совсем наоборот.

Сегодня мы работаем за ноутбуками и можем пультом включить кондиционер. Внутри этого пульта дистанционного управления находится LED (светоизлучающий диод), который посылает двоичный сигнал в невидимом (инфракрасном) свете. Когда мы нажимаем кнопку, фотоны с пульта дистанционного управления выходят наружу и попадают на детектирующий фотодиод, установленный в кондиционере, и – точно так же, как в экспериментах Милликена, – эти фотоны высвобождают электроны, придавая им кинетическую энергию. Фотодиод изготовлен из материала, называемого полупроводником, который может быть расположен в два слоя. Благодаря этому образуется переход, который позволяет электричеству легче течь в одном направлении, чем в другом, поэтому фотодиоды пропускают электричество, когда на них падает свет[80]. Кондиционер реагирует на полученный электрический сигнал, интерпретируя двоичный шаблон и следуя нашей команде. Двоичный шаблон для телевизора отличается от двоичного шаблона для кондиционера, именно поэтому им удается не путать друг друга. Кому-то во времена Милликена все это показалось бы чистым волшебством.

Свойства полупроводниковых материалов в сочетании с физикой фотоэлектрического эффекта позволили в 1940-х годах разработать широкий спектр электрических компонентов, которые в