65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Имя Альберта Эйнштейна знакомо сегодня практически каждому. Его образ прочно закрепился в массовой культуре как эталон физика-теоретика. Если спросить рядового обывателя, чем так прославился Эйнштейн, то наверняка вы получите ответ – теорией относительности. И это действительно так. Эйнштейну принадлежат основополагающие работы в этой области, о которой мы поговорим в следующем разделе (стр. 199). Поэтому многие думают, что Нобелевскую премию ему присудили именно за создание теории относительности. Однако на самом деле Нобелевскую премию он получил за совсем другую работу.

В 1987 году Нобелевский комитет рассекретил материалы, связанные с подготовкой решений о присуждении Нобелевских премий с 1901 по 1937 год, поэтому сегодня мы можем восстановить логику принятия решений. Впервые Эйнштейна номинировали на премию в 1908 году за создание специальной теории относительности. Но тогда его кандидатура не набрала достаточного числа голосов. Потом, в 1915 году, Эйнштейн публикует общую теорию относительности[49], и его снова номинируют на Нобелевскую премию. Тогда «за» проголосовали практически все эксперты Нобелевского комитета, кроме одного – Альвара Гульстранда (1862–1930), шведского офтальмолога и лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине 1911 года. Дело в том, что Гульстранд был хорошо знаком с законами оптики и получил Нобелевскую премию за исследования процессов преломления света в глазу, поэтому он никак не мог поверить в то, что свет, проходя вблизи звезд, может искривляться и двигаться уже не по прямой. Более того, он даже пытался это опровергнуть своими собственными расчетами (хотя в конечном итоге у него ничего, конечно же, не получилось). А поскольку Гульстранд был довольно влиятельным экспертом, Нобелевский комитет принял его возражения и опять отклонил кандидатуру Эйнштейна.

В последующие годы Эйнштейн стал ученым с мировым именем, и его кандидатуру на Нобелевскую премию несколько раз предлагали величайшие физики того времени: Планк, Лоренц, Камерлинг-Оннесс, Бор. Но комитет каждый раз блокировал присуждение премии, поскольку сомневался в экспериментальных подтверждениях теории относительности. В итоге был найден элегантный выход из этой коллизии. В 1921 году Нобелевский комитет принял решение вместо теории относительности присудить Эйнштейну премию за его теорию фотоэлектрического эффекта.

Давайте обсудим, в чем суть этой теории и почему она оказалась столь значимой. В конце XIX века немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) проводил исследования электромагнитных колебаний и столкнулся с одним необычным явлением. Он заметил, что если на заряженный конденсатор направить луч света или даже ультрафиолетового излучения, то он будет терять свой заряд быстрее обычного, т. е. электроны с его поверхности будут быстрее улетать[50]. Получалось, что свет (или электромагнитное излучение) может выбивать электроны с поверхности металла. Это явление получило название фотоэлектрического эффекта или просто фотоэффекта.

Сразу после этого открытия в 1888 году русский физик Александр Григорьевич Столетов (1839–1896) принялся за его детальное изучение. И за пару лет ему удалось установить основные закономерности фотоэффекта. Они теперь называются законами Столетова. Некоторые из них не вписывались в существующие на то время представления о природе излучения. Оказалось, что для каждого вещества существует определенная частота электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект уже не наблюдается. Причем это не зависело от интенсивности падающего излучения. Например, если облучать пластинку из натрия желтым или красным светом, то из нее электроны вылетать не будут, каким бы ярким этот свет ни был. Однако если направить на эту же пластинку даже очень слабый луч синего или фиолетового света (частота которых больше, чем у красного и желтого), то электроны сразу начнут вылетать. Т. е. способность света выбивать электроны с поверхности металла зависит не от интенсивности света, а от его частоты. И это довольно странно: почему даже очень мощный красный луч света не может с поверхности металла выбить ни одного электрона?