Рассуждая таким образом, Эйнштейн сумел вычислить энергию квантов света. Он показал, что их энергия зависит от частоты падающего света точно так, как предсказывала гипотеза Планка. Для Эйнштейна это было ясным свидетельством реальности существования квантов. Его интерпретация давала очень точную картину световых квантов: один квант испытывал соударение с одним электроном, который по этой причине испускался. Именно это открытие, а не теория относительности, принесло Эйнштейну Нобелевскую премию по физике 1921 года.

Поразительно, однако, что хотя Эйнштейн признавал существование квантованных порций света, он с большой неохотой соглашался с тем, что эти кванты на самом деле были безмассовыми частицами, переносившими энергию и импульс, но не имевшими массы. Первое убедительное свидетельство корпускулярной природы квантов света было получено в 1923 году при наблюдении эффекта Комптона, в котором в результате соударения кванта света с электроном происходило изменение направления движения этого кванта (рис. 41). В общем случае можно определить энергию и импульс частицы, измерив ее угол отклонения после соударения. Если фотоны — безмассовые частицы, то они должны совершенно определенным образом вести себя после соударения с другими частицами, например электронами. Измерения показали, что кванты света ведут себя в точности так, как если бы они были безмассовыми частицами, взаимодействующими с электронами. Неизбежным был вывод: кванты света действительно являются частицами. Сейчас мы называем их фотонами.

Интересно, что Эйнштейн так сопротивлялся признанию квантовой теории, которую он же и помогал создать. Однако его реакция не более удивительна, чем недоверчивая реакция Планка на гипотезу Эйнштейна о квантовании. Планк и ряд других ученых хвалили многие достижения Эйнштейна, но умеряли свой энтузиазм[59]. Планк даже заметил несколько пренебрежительно: «Не следует ставить ему в упрек то, что он иногда промахивался в своих рассуждениях, например, в гипотезе о световых квантах, так как невозможно предложить действительно новые идеи даже в самых точных науках, если не пойти на некоторый риск»[60]. Но не заблуждайтесь. Предложенные Эйнштейном световые кванты были точным попаданием в цель. Замечание Планка всего лишь отражает революционную природу мышления Эйнштейна и изначальное сопротивление ученого сообщества принятию его идей.

Квантование и атом

История квантования и старая квантовая теория не закончились на изучении света. Оказалось, что вся материя состоит из фундаментальных квантов. Следующим ученым, внесшим вклад в гипотезу квантования, был Нильс Бор. Он применил эту гипотезу к хорошо известной частице — электрону.

Частично интерес Бора к квантовой механике развился из знакомства с попытками прояснить загадочные свойства атомов. В течение девятнадцатого века понятие об атоме было неправдоподобно смутным: многие ученые вообще не верили в то, что атомы существуют иначе как полезный эвристический прием, не имеющий никакого реального основания. Некоторые ученые, верившие в атомы, тем не менее путали их с молекулами, которые, как сейчас известно, состоят из атомов.

Истинные свойства и строение атомов оставались неизвестными вплоть до начала прошлого века. Частично проблема состояла в том, что греческое слово ατομο означает «неделимый», так что первоначальная картина атома действительно представляла некоторый неизменный, неделимый объект. Но физики девятнадцатого века, изучая поведение атомов, начали понимать, что такая картина неверна. В конце XIX века самыми подробно изученными свойствами атомов были радиоактивность и спектральные линии — характерные частоты испускания и поглощения света. Оба эти явления показывали, что атомы могут изменяться. Вершиной этих изысканий стало открытие Дж. Дж. Томсоном в 1897 году электронов. Он также высказал гипотезу, что электрон является частью атома, откуда следовало, что атомы должны быть делимы.

В начале XX века Томсон объединил все известные к тому времени наблюдения над атомами, создав модель «сливового пудинга», получившую название от английского десерта, в котором в тесто добавлялись целые кусочки фруктов. По мнению Томсона, в атоме имелась положительно заряженная часть, распределенная по всему атому (тесто), и вкрапленные отрицательно заряженные электроны (кусочки фруктов).

В 1910 году новозеландец Эрнест Резерфорд доказал, что эта модель неверна, после того как Ганс Гейгер и студент-исследователь Эрнест Марсден осуществили предложенный Резерфордом эксперимент. Они обнаружили внутри атома твердое, компактное ядро, которое было намного меньше самого атома. Образующийся при радиоактивном распаде солей радия газ радон-222 испускает альфа-частицы, являющиеся, как мы сейчас знаем, ядрами гелия. Физики получили доказательство существования атомного ядра, обстреливая атомы альфа-частицами и регистрируя углы, на которые альфа-частицы отклоняются. Зарегистрированное учеными удивительное рассеяние могло возникнуть только при условии, что внутри атома имеется твердое, компактное атомное ядро. Рассеянный положительный заряд, размазанный по всему объему атома, никогда не мог бы отклонять частицы на столь большие углы. Говоря словами Резерфорда: «Это было самое невероятное событие из всех, когда либо случавшихся в моей жизни. Это было столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок папиросной бумаги, и снаряд отскочил бы назад и попал в вас» [61].

Результаты Резерфорда опровергли модель атома в виде сливового пудинга. Его эксперимент означал, что положительный заряд не размазан по всему атому, а сосредоточен в значительно меньшей внутренней сердцевине. Должно было существовать твердое центральное ядро. Согласно такой картине, атом состоит из электронов, вращающихся по орбитам вокруг маленького центрального ядра.

Летом 2002 года я принимала участие в ежегодной конференции по теории струн, которая проводилась в тот год в Кэвендишской лаборатории в Кембридже. Многие основоположники квантовой механики, в том числе два ведущих ученых Резерфорд и Томсон, совершили большую часть своих исследований в этих стенах. Коридоры украшены воспоминаниями о волнующих первых годах, так что гуляя по ним, я узнала много забавных фактов.

Например, Джеймс Чедвик, первооткрыватель нейтрона, стал заниматься физикой только потому, что не смог перебороть свою застенчивость и признаться, что при выборе дисциплин он ошибочно отметил в заявлении не ту строчку. Когда Дж. Дж. Томсон стал руководителем лаборатории, он был так молод (ему было двадцать восемь лет), что в одном из поздравлений было написано: «Прости меня, что не написал, что желаю тебе счастья и успехов в должности профессора. Новость о твоем избрании стала для меня большим сюрпризом, и я не смог». (Физики не всегда бывают самыми милосердными.)