Смелые теоретические выводы Эйнштейна

Человечество помнит и чтит своих гениев, помнит и чтит тех, кого выделила сама природа, наградив высоким талантом, и кто отдал этот талант людям, посвятил его важным и добрым делам. Среди великих имен, навсегда вписанных в летопись мировой науки,— имя Альберта Эйнштейна, столетие со дня рождения которого отмечается в марте нынешнего года. Этот человек сумел увидеть важнейшие закономерности окружающего мира, закономерности, тщательно скрываемые природой. Он выполнил ряд глубоких теоретических исследований, получил чрезвычайно важные результаты, и можно смело сказать, что фундамент современной физики в огромной мере воздвигнут именно его трудами.

В истории физики, особенно в ее новейшей истории, охватывающей главным образом последнее столетие, немало удивительных открытий, приподнявших завесу над сложной и величественной картиной мира. И широко известны имена людей, сделавших эти открытия, выдающихся физиков нашего века. Альберт Эйнштейн занимает среди них особое место. Это связано с тем, что он внес новое в понимание таких физических реальностей, как пространство, время, энергия, о которых непременно задумывается каждый человек. К тому же некоторые выводы Эйнштейна, такие, скажем, как

[smszamok]

зависимость хода времени от скорости, взаимосвязь энергии и массы, предельность скорости света или искривление пространства-времени, были настолько парадоксальными, настолько меняли наше представление о мире, что вызвали в буквальном смысле слова сильнейшее волнение умов. Его устами наука, как никогда ранее, убежденно и убедительно заявила, что мир устроен намного сложней, чем это нам представляется. И что силой научного мышления можно понять, можно точно описать

Имя физика-теоретика Альберта Эйнштейна навсегда вошло в историю науки, в летопись мировой культуры. Ему принадлежит большое число замечательных открытий, оказавших сильнейшее влияние на развитие науки и техники, открытий, в конечном итоге сильно повлиявших на мир, в котором мы живем. И это не преувеличение. Именно идеи, высказанные и разработанные в работах Эйнштейна, привели в итоге к становлению ряда крупнейших научно-технических направлений нашего столетия, и в частности ядерной техники и квантовой электроники. Первая из них дала человеку возможность управлять процессом высвобождения внутриядерной энергии, вторая — управлять процессом излучения света.

Интересно и поучительно проследить судьбу идей Эйнштейна, его фундаментальных теоретических работ. На первый взгляд это совершенно отвлеченные, абстрактные работы, ставившие целью понять суть явлений природы. Но эти работы с неумолимой неизбежностью выходили в практику, всякий раз напоминая человечеству, как важны для него оригинальные идеи, высказываемые ученым с высоким творческим потенциалом и нестандартным, независимым мышлением. Многие работы, наметившие новую эпоху в физике, Эйнштейн сделал в первые годы своей научной деятельности, занимаясь исследованиями самостоятельно, как сейчас принято говорить, в свободное от работы время. И нужно сказать, что в те годы жизнь ставила немало препятствий на пути молодого человека в науку.

…1900 год. Успешно сданы дипломные экзамены в Федеральном высшем техническом училище в Цюрихе. Эйнштейн пытается получить в этом же училище должность ассистента, но ему отказывают скорее всего из-за независимости его поведения и суж-дений.
…1900—1902 годы. Период сильных ма-териальных затруднений, случайных заработков, временной работы как репетитора, преподавателя в техникуме и пансионе для мальчиков.
…1902 год. По рекомендации отца одного нз друзей Эйнштейн получает постоянную должность государственного служащего — становится техническим экспертом 3-ГО класса в Швейцарском ведомстве по идейной собственности, проще говоря, в патентном бюро. Это было настоящим спасением: скромный, но постоянный заработок стабилизовал материальное положение Эйнштейна, чрезвычайно умеренного в своих потребностях. Свободное время, остающееся после службы, можно было отдать своей главной страсти — физике.
…1905 год. Скромный 26-легний эксперт 3-го класса публикует в ведущем физическом журнале того времени «Анналы физии исследовать такие черты этого неочевидного мира, перед которыми, если их попытаться представить себе, просто бессильно человеческое воображение.

Здесь, видимо, уместно вспомнить, что некоторые теоретические построения Эйнштейна значительно опережали их экспериментальное подтверждение. И все это время ученый, несмотря на критику многих крупных специалистов, иногда очень резкую, твердо верил в правильность своих выводов. Уже одно это показывает, насколько глубоко он понимал физические реальности, насколько четко видел то, что от других оставалось скрытым.

Смелые теоретические выводы Эйнштейна не только подтвердились всем развитием современной физики, но и стали в конечном счете основой многих важнейших практических дел, таких, в частности, как атомная энергетика, лазерная техника, изучение атомного ядра, астрофизические исследования, создание ускорителей.

В нашей стране имя Альберта Эйнштейна пользуется глубоким уважением. Достаточно сказать, что именно у нас в 1965 году впервые в мире было издано собрание трудов ученого. С пониманием и признательностью вспоминается и то, что великий физик, продолжая до конца своих дней интенсивную научную работу, много сил отдавал общественной деятельности. Своим высоким авторитетом он всегда как мог поддерживал стремление народов к миру, к мирному сосуществованию, страстно призывал к бдительности, предупреждая о возможных рецидивах фашизма в западных странах, выступал против гонки вооружений, прежде всего ядерных, за мирное решение спорных международных вопросов.

В этой работе высказана гипотеза «квантов света», рассмотрены элементарные процессы их поглощения и испускания. Цитируем статью: «…согласно этому сделанному предложению, при распространении луча света, вышедшего из некоторой точки, энергия не распределяется непрерывным образом во все больших и больших объемах, а складывается из конечного числа локализованных В отдельных точках пространства квантов энергии, которые движутся как неделимые или возникают только целиком…» В этой работе рассмотрено «возбуждение катодных лучей при освещении твердых тел» и дано знаменитое уравнение для фотоэффекта (само это явление было открыто Г. Герцем и экспериментально исследовано А. Г. Столетовым): энергия электронов, выбитых светом из вещества, равна разности энергии поглощаемого кванта света и энергии, затраченной на выход электрона на свободу. Это была чисто теоретическая работа, предсказание количественных соотношений ЛИШЬ на основе понимания сущности процесса.

Через 10 лет этот важный вывод был количественно подтвержден в экспериментах Милликена, а в 1922 году, когда эта и все последующие работы Эйнштейна получили полное признание, ему была присуждена Нобелевская премия «за его работы в области теоретической физики и, в частности, за открытие закона фотоэлектрического эффекта». Введенное Эйнштейном представление о квантах света было совершенно новым. Стоит вспомнить, что еще спустя 8 лет после публикации статьи, то есть в 1913 году, рекомендуя Эйнштейна в члены Прусской Академии наук, Макс Планк и другие физики, перечислив научные заслуги Эйнштейна, сочли необходимым заметить: «То, что он в своих рассуждениях иногда выходит за пределы цели, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком ставить ему в вину. Ибо, не решившись пойти на риск, нельзя осуществить нового даже в самом точном естествознании».

И все же после выхода ЭТОЙ работы Эйнштейна многие физики начали развивать квантовые представления о свете, о его взаимодействии с веществом, нередко весьма успешно, но нередко встречая трудности. Наиболее трудным оказалось объяснение хорошо известных волновых свойств света, исходя из корпускулярных представлений, и полное признание гипотезы световых квантов затянулось на многие годы. Еще в 1922 году Нильс Бор в работе о постулатах квантовой теории писал, что гипотеза световых квантов «не может никоим образом рассматриваться как удовлетворительное решение. Как известно, именно эта гипотеза приводит к непреодолимым трудностям при объяснении явлений интерференции…» Попытки разрешить это противоречие привели ,в конце концов Эйнштейна к идее корНо вернемся, однако, к нашим коротким рассказам о некоторых фундаментальных работах Эйнштейна, давших начало новым направлениям прикладной физики, а затем техники и индустрии. Настал момент вспомнить про работу несколько более позднюю (она появилась в печати через 11 лет после ранних научных публикаций), однако же опирающуюся на самую первую из опубликованных работ — «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и поглощение света», к которой, кстати, Эйнштейн возвращался неоднократно.

В 1900 году Макс Планк ввел в физику понятие кванта — неделимой порции энергии, которая может быть поглощена или отдана в процессе излучения. Сам процесс излучения Планк не исследовал, в его теории кванты света испускались некими «гипотетическими вибраторами» твердого тела. В 1905 году Эйнштейн ввел понятие кванта света как реальной частицы электромагнитного поля. Затем Нильс Бор рассмотрел процесс излучения фотона свободным атомом и пришел к выводу: атом характеризуется набором определенных энергетических уровней (значений его полной энергии) Е\, Е2, Е3 и т. д., каждому такому уровню соответствует стационарное состояние атома, в котором он не излучает; излучение происходит только при скачкообразном или, как сейчас говорят, квантовом переходе атома из одного состояния в другое; частота излучения а связана с разностью энергий начального и конечного энергетических уровней: Е2 — ^=110) и отсюда со = (Е2— Е\) : й; здесь п — постоянная Планка.

Следующий важнейший шаг был сделан Эйнштейном именно в работе, о которой сейчас идет речь. Здесь было сделано вероятностное описание элементарных процессов испускания и поглощения света и предсказано два типа переходов атома или молекулы из одного квантового состояния в другое. Первый тип — спонтанный переход возбужденного атома в состояние с меньшей энергией, сопровождающийся испусканием кванта света. Эйнштейн пишет: «Этот переход происходит без внешних воздействий. Едва ли можно представить себе, что он аналогичен чему-либо другому, кроме радиоактивного распада». Второй тип квантового перехода — индуцированный, то есть вызванный внешним воздействием. Он обусловлен внешним излучением, падающим на атом, и вероятность такого индуцированного перехода пропорциональна интенсивности этого внешнего излучения. При этом возбужденный атом отдает дополнительный квант внешнему излучению, а невозбужденный, наоборот, поглощает из внешнего излучения такой же квант.

Эйнштейн ввел представление о спонтанном и индуцированном испускании квантов, опираясь главным образом на свою поразительную интуицию. Будучи абсолютно объективным исследователем, он тут же в статье замечает: «Конечно, я охотно признаю, что три гипотезы, касающиеся спонтанного и индуцированного излучения, вовсе не становятся достоверными результатами от того, что они ведут к формуле излучения Планка. Однако простота гипотез, общность и непринужденность рассмотрения… позволяют мне считать весьма вероятным, что это рассмотрение станет основой будущих теоретических представлений».

Эйнштейн оказался совершенно прав. Примерно через 10 лет трудами блестящей интернациональной плеяды физиков была создана квантовая механика, которая дала необходимую теоретическую базу для строгого описания взаимодействия света с атомами и молекулами. И почти сразу же, в 1927 году, выдающийся английский физик, один из создателей квантовой механики, Поль Дирак (в то время ему было 25 лет), построил квантовую теорию излучения, в которой была строго доказана полная справедливость гипотез Эйнштейна о спонтанном и индуцированном излучении, описаны свойства этих явлений. Было, в частности, показано, что фотон, испуг екание которого индуцировано другим фотоном, имеет совершенно одинаковые с ним характеристики — направление распространения, энергию (частоту излучения), поляризацию. На этой одинаковости, как известно, базируется вся квантовая электроника, и в частности создание лазеров, источников когерентного света.

[/smszamok]

Элементарные процессы испускания и поглощения кванта света; вверх — спонтанное (самопроизвольное) испускание иванта света возбужденным атомом; в середине — поглощение кванта света невоэбужденным атомом; внизу — стимулированное испускание кванта света возбужденным атомом под действием другого такого Же кванта света и, как результат, излучение квантов С одинаковой энергией И одним и Тем же направлением распространения. Во всех элементарных процессах энергия кванта (фотона) равна разности энергий возбужденного и невозбужденного состояний: Е2 — Е|.