Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Эксперименты Герца требовали невероятной аккуратности и точности плюс исследования множества возможных не вполне ясных факторов. В ходе исследования ученый заметил, что размер зазора детектора для конкретной настройки был чуть больше, когда детектор и источник волн находятся на прямой в пределах видимости. Если он загораживал свет от начальной искры, попадавшей на детектор, то размер зазора, через который могла проскочить искра, уменьшался. Таким образом он обнаружил, что сейчас называется «фотоэлектрическим эффектом»: ультрафиолетовый свет, падающий на металлическую поверхность, производит в металле заряд. Этот заряд облегчает слабым приходящим волнам зажигание искры между шариками детектора.

Для Герца открытие фотоэлектрического эффекта почти не имело последствий, лишь еще одна систематическая странность, которую надо было объяснить по пути демонстрации природы света. Он так и не узнал[59], что это небольшое замечание окажется ключевым моментом для доказательства корпускулярной природы света несколькими десятилетиями позже.

Эвристика<a l:href="#n_60" type="note">[60]</a> клерка из патентного бюро

Случайное открытие Герцем фотоэлектрического эффекта привлекло внимание ряда известных физиков тех лет, они начали освещать ультрафиолетовыми лучами разные материалы и изучать получившиеся результаты. По способу, как выбиваемые частицы реагировали на электрические и магнитные поля, ученые определили, что заряды, выбиваемые светом, были электронами, которые недавно были определены как отрицательно заряженные субатомные частицы британским физиком Джозефом Джоном Томсоном, кто в конце концов получил за это Нобелевскую премию в 1906 году.

В сочетании с волновой моделью света фотоэлектрический эффект позволил физикам сконструировать простую модель процесса. Электроны связаны в атомы, и поступающая электромагнитная волна колеблет их туда-сюда. Эта встряска передает энергию электронам таким образом, что, как надеялись физики, это будет зависеть от интенсивности света. Чем больше интенсивность, тем больше смещение электронов, поэтому свет высокой интенсивности должен доставлять достаточно энергии быстро расшатывать и выбивать электроны. Но поскольку электроны будут все время впитывать энергию, пока встряска продолжается, то даже свет низкой интенсивности должен рано или поздно выбить какое-то количество электронов.

Частота света была другим фактором экспериментов, который мог повлиять на выбивание электронов, хотя это было менее очевидно. В классической волновой картине света количество энергии, переносимой волной, зависит от ее амплитуды[61], а не от частоты, так что какая-либо зависимость от частоты будет более сложная, чем зависимость от интенсивности.

Мог также существовать некоторый эффект резонанса – тряска на некоторой определенной частоте, связанной с конкретным атомом, может передавать энергию более эффективно, так же как слабое подталкивание маятника на нужной частоте может вызвать огромные его колебания. Более низкие частоты могут вести к задержкам в выталкивании электронов, поскольку они не должны выскакивать из атома до тех пор, пока они не раскачаются туда-сюда несколько раз. Частота видимого света так высока, что почти нет реальной надежды на измерение этого эффекта.

Простая модель, в пользу которой склонялись физики, делала четыре основных предсказания о поведении выбиваемых электронов, которые могли быть проверены экспериментально:

• Во-первых, количество выбитых электронов должно возрастать по мере увеличения интенсивности: чем сильнее вы трясете электроны внутри конкретных атомов, тем больше их должно вылетать наружу.

• Во-вторых, энергия вылетающих из материала электронов должна возрастать с интенсивностью. Если вы трясете их сильнее, электроны должны вылетать быстрее.

• В-третьих, будет наблюдаться некоторая задержка в излучении электронов, особенно на более низких частотах и при более низкой интенсивности: приглушенный свет и медленная тряска должны дать некоторое время на накопление достаточного количества энергии, чтобы электрон освободился из атома.

• И наконец, если испускаемые электроны зависят от частоты света в целом, их количество и энергия должны проявлять некоторое резонансное поведение.

Эта простая модель связывала вместе наилучшие знания своего времени относительно света и электронов и, таким образом, была весьма привлекательна для физиков. К сожалению, это было и печальным провалом.

Тщательные эксперименты немецкого физика Филиппа Ленарда, который работал некоторое время с Герцем, не смогли показать ожидаемую связь между интенсивностью света и энергией электронов. Чем ярче свет, как и ожидалось, тем большее количество электронов выталкивалось, что измерялось текущим между двумя металлическими пластинками в вакуумной трубке током, когда одна из пластинок освещается. Но энергия этих электронов, измеряемая по напряжению, связанному с током в вакуумной трубке, была одной и той же независимо от интенсивности света, которым освещали пластинку.