Представьте себе, если угодно (а угодно вам должно быть, потому что речь пойдет о моменте, когда сама реальность, как мы ее понимали – или думали, что понимали – дала трещину с отчетливым, почти издевательским щелчком), совершенно обыденную сцену. У вас есть кусок металла. Допустим, цинк. И у вас есть... свет. Яркий, красивый, понятный свет. Волна. Как на поверхности пруда, если бросить камень. Веками, столетиями это было аксиомой, догмой, чем-то настолько самоочевидным, что об этом даже не говорили – свет это волна. Точка. Герц, великий экспериментатор, он ведь видел эти волны, ловил их своими хитроумными приборами! И вот вы берете этот самый свет, этот чистый, волновой эфир, и направляете его на свой кусок цинка. И наблюдаете нечто... ну... глупое. Абсурдное. Совершенно не укладывающееся в красивую, плавную картину волн на пруду.
Вы ожидаете, что если свет достаточно ярок – ну, знаете, как большая волна сильнее бьет по берегу, – то он выбьет электроны из металла. Логично? Кажется, да. Но реальность, эта капризная старуха, хихикает вам в лицо. Вы увеличиваете яркость света (больше волна! сильнее удар!), но электроны... лениво выползают, как сонные мухи, и их энергия не увеличивается. Они просто... больше их. Как будто вы кричите громче на ленивца, а он просто медленнее поворачивает голову, а не бежит быстрее. Полный бред.
А теперь самое пикантное. Вы берете тусклый-претусклый светик. Совсем слабенький. Но... но светик фиолетовый. Или ультрафиолетовый. Частоту повышаете (это важно, запомните это слово – частота; оно станет нашим маленьким кошмаром). И – бац! – электроны вылетают, как ошпаренные! Мало того, что вылетают, так они еще и носятся с бешеной энергией, будто их пнули чем-то очень маленьким и очень злым. Причем вылетают они мгновенно. Ну, почти мгновенно. Никакой задержки, как если бы волне нужно было "накачать" энергию в электрон. Это как если бы вы шепнули что-то очень специфическое ленивцу, и он вдруг рванул как Усэйн Болт. Совершенно идиотская картина с точки зрения волновой теории. Волна – это энергия, размазанная в пространстве и времени. Как она может мгновенно выбить частицу? И почему цвет света (его частота!) важнее его яркости (амплитуды волны)? Это все равно, что сказать: чтобы разбить окно, важнее не сила удара камнем, а... ну, его цвет. Полный сюр.
И вот тут появляется Он. Молодой, дерзкий, работающий в патентном бюро (ирония судьбы, да? Разгребая пачки бумаг про усовершенствованные вентили, он думал о фундаменте реальности). Альберт Эйнштейн. В 1905 году, своем годе чудес. Он смотрит на этот фотоэффект – на это вопиющее несоответствие опыта и теории – и предлагает идею настолько радикальную, настолько противоположную интуиции, что это можно было бы счесть безумием. Если бы оно не объясняло все эти странности с цинком с убийственной точностью.
Он говорит: забудьте про волну. Ну, не совсем забудьте. Но представьте, что свет... это не только волна. Представьте, что он ведет себя так, будто состоит из... ну... крошечных, дискретных порций энергии. Как мешок с дробинками. Или булыжниками. Квантов. Фотонов. Каждый фотон несет энергию, которая зависит только от частоты света (E = hν, где h – это постоянная Планка, еще один герой нашей драмы, маленькая, но чудовищно важная цифра, константа природы, как гравитационная, только для микромира). Один фотон – один удар по одному электрону в металле.
И вдруг все встает на свои места с почти неприличной простотой:
- Частота важнее яркости? Конечно! Чтобы выбить электрон, фотон должен иметь достаточную энергию (E = hν). Если частота ν мала (скажем, красный свет), энергии фотона (hν) не хватит, чтобы преодолеть "силу сцепления" электрона с металлом (эту силу назовут "работой выхода"). Сколько таких "слабых" фотонов (красный свет) ни швыряй (высокая яркость) – электрон не вылетит. Как толпа пигмеев, безуспешно толкающих крепкие ворота.
- Высокая частота (синий/УФ) выбивает даже при слабом свете? Да! Потому что даже один фотон высокой частоты (большое hν) несет достаточно энергии, чтобы вышибить электрон. Как один здоровенный булыжник, запущенный с правильной силой.
- Энергия выбитых электронов зависит от частоты, а не яркости? Естественно! Лишняя энергия фотона (после преодоления работы выхода) превращается в кинетическую энергию электрона. Чем выше частота (больше hν), тем больше "лишней" энергии, тем быстрее летит электрон. Яркость (больше фотонов) влияет только на количество выбитых электронов, а не на их индивидуальную энергию.
- Мгновенность? Конечно! Это же точечный удар фотона-булыжника по электрону. Никакой "накачки" волной. Поймал фотон – вылетел. Как пинбольный шарик.
Элегантно? Гениально. Но! Это был бунт. На уровне самого фундамента реальности. Эйнштейн, по сути, сказал: "Свет? Он не или волна или частица. Он и волна и частица. Одновременно. В зависимости от того, как вы на него смотрите." Это было не просто объяснение фотоэффекта. Это был первый громкий выстрел Квантовой Революции. Удар булыжником по витрине классической физики. Физики старой школы (даже Планк, чью постоянную h Эйнштейн использовал!) были в ужасе. Это казалось возвращением к дискредитированной корпускулярной теории Ньютона. Это ломало всю красивую, непрерывную, детерминированную картину мира XIX века.
Ирония? Подавляющая. Объяснение, принесшее Эйнштейну Нобелевскую премию (не за Относительность, заметьте!), было основано на идее, которую сам он позднее будет с подозрением называть "жутким действием на расстоянии" и которая подрывала его же веру в локальную, причинную реальность. Квантовая механика, порожденная в том числе и этим самым "булыжником" Эйнштейна, станет его главным интеллектуальным противником на всю оставшуюся жизнь.
Так что в следующий раз, когда вы включите солнечную батарею (работающую на фотоэффекте, да-да) или возьмете в руки пульт дистанционного управления (с ИК-фотодиодом), вспомните этот тихий переполох в мире физики. Вспомните кусок цинка, тупящий на яркий красный свет и лихорадочно выплевывающий электроны под фиолетовым шепотом. Вспомните булыжники света и молодого клерка в патентном бюро, осмелившегося сказать: "А что если...?" Это не просто технология. Это памятник тому моменту, когда реальность показала свой шокирующий, двойственный лик. И мы до сих пор пытаемся осознать, что это значит – видеть свет. То ли волну. То ли поток булыжников. То ли... и то, и другое одновременно. Голова кружится, да? Добро пожаловать в квантовый мир.