настоящее время производятся в огромных количествах по всему миру. Солнечные (или фотоэлектрические) элементы представляют собой тип фотодиода, который преобразует фотоны от Солнца в электрический ток, достаточно эффективный для питания домов и предприятий. Они позволили осуществить некоторые феноменальные человеческие начинания, такие как спутниковая связь и освоение космоса, но это не единственное их применение. Эти крошечные фотодиоды используются во множестве окружающих нас технологий.

Все эти датчики, включающие свет, когда вы входите в комнату, выдающие мыло, открывающие для вас двери, используют датчики приближения, которые отражают инфракрасный свет от объекта (вас) и обратно на фотодиод. Чем ближе что-то находится, тем больше света будет отражаться, что создает электрический ток. Это та же технология, которая используется в большинстве систем безопасности.

Причина, по которой фотоэлектрические устройства так полезны, заключается в том, что они выдают ток, пропорциональный количеству падающего на них света, – пока частота достаточна для испускания электронов, больше света означает больше электронов и, следовательно, больше тока. Это означает, что выходной сигнал является линейным и хорошо работает с другими нашими электрическими и электронными компонентами. Например, спортивные часы с GPS теперь используют фотодиоды в оптических пульсометрах для непрерывного измерения пульса владельца через его запястье. Зеленый свет просвечивает кожу, и с каждым сердечным циклом количество света, отраженного от кровотока под кожей, изменяется, фотодиод улавливает эти изменения, после чего алгоритм вычисляет и отображает частоту сердечных сокращений[81]. Ваш смартфон определяет, светло на улице или темно, и автоматически регулирует яркость экрана в зависимости от количества падающего на него света. Эта же технология используется для автоматического переключения приборных панелей автомобиля с дневного режима на ночной и управления диафрагмой и выдержкой на современной цифровой камере.

Косвенные области применения фотодиодов, применимы во всех лазерных измерениях, а это значит, что они нужны в процессе геодезической съемки и выравнивания для почти каждой дороги и почти каждого здания, для приема световых сигналов в сетях связи, использующих оптические волокна. Если у вас есть высокоскоростной доступ в интернет, эта сеть использует фотодиоды для преобразования сигналов из света обратно в электрические импульсы для передачи вам информации со всего мира. Их используют наши спидометры и одометры, а также системы обратной связи, которые обеспечивают бесперебойную работу двигателей электромобилей. Фотодиоды необходимы для управления положением, скоростью и операциями многих автоматизированных процессов на заводах.

Все это свидетельствует о нашем понимании фотоэлектрического эффекта и было бы невозможно без базовых знаний в области фундаментальной физики, пришедших из этих первых фундаментальных экспериментов. Исследования Милликена – вместе с двухщелевым опытом и данными об излучении абсолютно черного тела – дали физикам прочную основу для построения нового квантово-механического взгляда на реальность. Когда квантовая механика утвердилась, ее применение быстро вышло за рамки объяснения света. Квантовая механика – это теория, которая описывает всю материю.

После вклада Эйнштейна и Планка многие другие физики присоединились к развитию квантовой механики. С каждой новой проблемой, возникающей в физике, квантовая механика развивалась и выясняла, как ее решить. Это было особенно важно, когда речь заходила о природе материи. Модель атома Резерфорда – крошечное ядро и вращающийся электрон из главы 2 – казалась несостоятельной, когда физики поняли, что она должна быть нестабильной: электроны должны испускать излучение, двигаясь по направлению к ядру по светоизлучающей смертельной спирали. Но Нильс Бор, молодой датский физик-теоретик, решил эту проблему, использовав идею квантования для объяснения того, как электроны расположены вокруг ядра. Электроны могут обладать только определенными значениями энергии – их энергия также квантуется, что означает, что они вращаются на расстояниях от ядра в зависимости от их значений энергии[82]. Электроны могут перемещаться вверх или вниз между энергетическими уровнями, поглощая или испуская излучение в форме света (фотона), но они не могут находиться между этими уровнями. Существует также минимальное значение энергии электрона, когда он находится максимально близко к ядру.

Только в 1923 году французский аристократ Луи де Бройль, младший сын герцога де Бройля, продолжил то, на чем остановился Эйнштейн, задаваясь вопросом, почему физика по-разному трактует свет и материю. В своей докторской диссертации Луи де Бройль отметил, что квантовая физика, по-видимому, согласна с тем, что свет может вести себя как частицы, но в таком случае верно ли обратное? Могут ли материальные частицы вести себя подобно волнам? Как оказалось, да. Любая частица или материя – массивная, как протон, или легкая, как фотон, – также имеет волновую природу, и соотношение между энергией и частотой волны описывается формулой E = hf, где h (опять же) – постоянная Планка. Появившаяся теория, волновая механика, могла описать все виды нового поведения атомов и частиц. Она даже объяснила, что субатомные частицы не являются твердыми объектами, а просто имеют определенную вероятность быть обнаруженными в определенном состоянии или месте в любой момент времени.

В идею о том, что материя состоит из волн, трудно поверить. Когда вы ложитесь, вы не проваливаетесь сквозь пол; если вы попытаетесь пройти через прозрачную стеклянную дверь, то, как ни странно, у вас не получится это сделать. Все это заставляет нас верить, что наше тело – твердый объект, а материя, из которой оно состоит, представляет собой непрерывную, цельную поверхность. И все же мы сделаны почти полностью из ничего. Даже с учетом более раннего представления о том, что материя состоит из твердых частиц, где ядро и электроны имеют некоторый определенный размер, объем фактической материи в каждом атоме настолько мал, что если бы вы взяли всю материю каждого человека на Земле и собрали ее вместе, то вы могли бы поместить ее в пространство размером не больше кубика сахара. Но теперь, как мы видим, даже это не так просто, потому что «материя» – не абсолютно твердая. С появлением квантовой механики все изменилось.

Эти новые идеи вызвали ажиотаж не только в физике, но и во всем обществе. Это остро ощутил художник Василий Кандинский, который написал:

…разложение атома… отозвалось во мне подобно внезапному разрушению всего мира. Внезапно рухнули толстые своды. Все стало неверным, шатким и мягким. Я бы не удивился, если бы камень поднялся на воздух и растворился в нем. Наука казалась мне уничтоженной[83].

Материя не является определенной или детерминированной, она связана с вероятностями и волнами. Плотность материи – всего лишь следствие взаимодействия между волнообразными сущностями. Электронные волны, отталкиваясь от других электронных волн, заставляют вас постоянно парить немного выше поверхности, на которой вы сейчас сидите или стоите. Насколько нам известно, все, что происходит в мире, а также в нашем теле