Революция в области света

В 1921 году Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за разработку теории, объяснившей фотоэлектрический эффект. Спустя два года Роберт Милликен получил Нобелевскую премию за проведение опыта, подтвердившего теорию Эйнштейна. Теория Эйнштейна была выдвинута в 1905 году. Великий эксперимент Милликена был проведен почти десять лет спустя. Двойное присуждение премии означало успех одной из самых великих революций в области физики.

Рис. 55. Камера ионизации космических лучей, изобретенная Милликеном, широко применялась в исследованиях, приведших к открытию новой элементарной частицы - мезона

Исаак Ньютон обогатил физику двумя теориями: первая касалась законов движения тел; согласно второй свет представлял собой скопище крошечных частиц светящейся материи. Первая теория Ньютона принесла ему репутацию гениального ученого. И только благодаря его престижу была принята вторая теория - о корпускулярной структуре света, хотя она была значительно слабее первой и объясняла всего два из всех известных свойств света.

По Ньютону, отражение - это просто отскакивание упругих частиц света от отражающей поверхности. Рефракция же, преломление световых лучей при переходе из менее плотной среды, такой, например, как воздух, в более плотную, как, например, вода, имело место в результате изменения скорости частички света в момент прохождения ее сквозь поверхность более плотной среды. Ньютоновская теория света не могла объяснить интерференции, дифракции и поляризации.

К началу XVIII столетия стала привлекать внимание волновая теория света, выдвинутая современником Ньютона - Гюйгенсом. По этой теории свет состоит из вибрации в эфире. Великий французский физик Френель математически доказал, что если свет действительно волновое явление, то все его наблюдаемые проявления легко можно объяснить. Спустя полстолетия Джемс Максвелл подкрепил волновую теорию света, теоретически доказав, что свет является вибрацией электрических и магнитных волн. До последнего десятилетия XIX века в теории Максвелла не было, казалось, никаких противоречий.

В 1887 году Герц заметил, что свет, особенно ультрафиолетовые лучи, заряжали металлические поверхности электричеством. Томсон доказал, что положительный заряд на поверхности металла был следствием мгновенного испускания им отрицательно заряженных электронов.

Альберт Эйнштейн был единственным физиком, понявшим, что в этом таилось противоречие, которое волновая теория света не может разрешить. В 1905 году он высказал предположение, что фотоэлектрический эффект можно объяснить, только возвратившись к корпускулярной теории света, в которую следует внести некоторые важные изменения.

По мнению Эйнштейна, противоречие заключалось в следующем: чем больше света падает на металлическую поверхность, тем больше выделяется электронов; однако энергия каждого отдельного электрона с изменением интенсивности света не изменяется, хотя, по теории Максвелла, интенсивность света служит мерилом его энергии.

Эйнштейн предложил следующее объяснение: луч света состоит из потока крошечных корпускул, каждая из которых несет определенную энергию. Энергия корпускулы пропорциональна цвету, или, выражаясь классическим языком, частоте света, а не его амплитуде, как заявлял Максвелл. Когда свет падает на твердое вещество, некоторые из эйнштейновских корпускул энергии поглощаются. Количество поглощаемой энергии в некоторых случаях оказывается настолько большим, что электроны получают возможность покинуть атомы, в которых они находились. Энергия этих освобожденных "фотоэлектронов" должна поэтому быть абсолютно равной энергии пойманных корпускул света, называемых "квантами", минус количество энергии, нужной для того, чтобы вырвать электроны из атомов.

Это последнее количество, "работа выхода", может быть непосредственно измерено.

Эйнштейн сообщил об этом в форме уравнения, в котором была установлена связь между скоростью вылетевшего электрона, энергией пойманного кванта света и "работой выхода".

"Такая корпускулярная теория, - говорил Милликен, - не была подтверждена экспериментально, за исключением наблюдений, проведенных Ленардом в 1900 году и сводившихся к тому, что энергия, с которой электроны вылетают из цинковой пластинки, кажется, не зависит от интенсивности света. Я думаю, правильно будет сказать, что мысль Эйнштейна о квантах света, несущихся в пространстве в форме импульсов, или, как мы называем их теперь, "фотонов", приблизительно до 1915 года не имела практически ни одного убежденного сторонника.

Тогда, на тех ранних этапах, даже сам Эйнштейн не отстаивал эту мысль с достаточной решительностью и определенностью".

Милликен тоже далеко не был убежден в правоте Эйнштейна, но, поскольку лаборатория в Чикаго, руководимая Майкельсоном, проводила очень много экспериментов, основанных на волновой теории света, Милликен решил раз и навсегда проверить гипотезу Эйнштейна.

"Как только я вернулся в свою лабораторию осенью 1912 года, - писал Милликен, - я приступил к конструированию нового аппарата, при помощи которого можно было бы получить убедительное решение проблемы этого фотоэлектрического уравнения Эйнштейна. Я почти не надеялся, что решение, если только я его получу, будет положительным. Но вопрос был чрезвычайно важным, и найти какое-то решение было необходимо. Я начал фотоэлектрические исследования в октябре 1912 года, и они заняли практически все мое время, которое я посвящал исследованиям на протяжении последующих трех лет".

Рис. 56. Позитрон, электрон с положительным зарядом, был открыт в 1932 году Карлом Андерсоном в лаборатории, руководимой Милликеном. Частица движется вверх по дуге, сквозь шесть миллиметров свинца

Вся трудность сводилась к тому, чтобы определить, в какой зависимости находится энергия от цвета, или частоты. Эйнштейн говорил, что эта зависимость была прямой: энергия равна частоте, помноженной на определенное число. Это "определенное число" было постоянным для любого цвета. Оно должно было быть природной константой. Эйнштейн применял для этого числа обозначение h из уважения к своему коллеге Максу Планку.

Рис. 57. Когда Милликену было уже почти 70 лет, он работал с физиками нового поколения - П. Дираком и Р. Оппенгеймером

За несколько лет до этого Макс Планк первый сумел решить теоретическую проблему в области радиации, произвольно заменив в формуле член, обозначающий энергию, другим членом, в который входили обозначения частоты и этой самой постоянной величины. Планк обозначил эту величину через h и рассматривал всю операцию лишь как удобный математический прием, который помог ему решить задачу. Эйнштейн же увидел, что Планк невольно сделал значительно больше. При помощи "математического приема" Планка проблема решалась - значит, он точно отражал истинное положение вещей.

Эйнштейн придал этому приему буквальное значение, и его фотоэлектрическое уравнение стало первым непосредственным применением новой квантовой теории. Милликен решил проверить теорию Эйнштейна, попытавшись получить ответы на следующие три вопроса:

1. Действительно ли энергия кванта света равна частоте света, взятой h раз?

2. Является ли число h действительно постоянной величиной для всех цветов?

3. Соответствует ли фотоэлектрическое уравнение Эйнштейна тому, что имеет место в природе?

Для опытов Милликен сконструировал оригинальный аппарат, который он позднее назвал "вакуумной парикмахерской". В стеклянную вакуумную камеру он поместил поворотный диск. Этот диск можно было поворачивать при помощи магнита, расположенного за пределами камеры. С трех сторон на диске находились небольшие количества трех металлов, отличающихся высокой активностью, - натрия, калия и лития, каждый реагировал на свет только одной определенной частоты.

Вследствие того, что успех эксперимента в огромной степени зависел от характера поверхности каждого из металлических образцов, в камеру было также помещено небольшое приспособление для шлифовки поверхности образцов. Оно приводилось в действие при помощи магнитов, расположенных вне камеры.

Проходя сквозь линзы и призму, белый свет преломлялся. Сквозь узкую щель луч того или иного основного цвета получавшегося спектра направлялся на поверхность металлического образца, и Милликен мог наблюдать действие луча одного цвета на металл. В то время как металлическая поверхность освещалась последовательно лучом каждого основного цвета, Милликен измерял количества вылетавших электронов и их энергию, определяя количество электрической энергии, необходимой, чтобы остановить их. Если, например, для того, чтобы удержать в воздухе тело неизвестного веса, необходима сила, равная пяти фунтам, то можно сказать, что это тело весит пять фунтов. Рассуждая таким образом, Милликен определял скорость электронов путем измерения силы, требуемой для полной остановки их. Зная скорость, он мог высчитать энергию электронов, выделяющихся при освещении металлической поверхности лучом каждого цвета.

Когда этот опыт и расчеты были проделаны для всех частей спектра, Милликен смог вычертить кривую, показывающую зависимость энергии электрона от цвета луча, или частоты. Полученные им результаты дали абсолютно положительные ответы на поставленные им три вопроса и подтвердили верность теории Эйнштейна. После прямых измерений оказалось, что постоянная величина Планка равна 6,57×10^-27 эрг-секунд.

Рис. 58. Вакуумная 'парикмахерская' Милликена

Америка долго ждала такого человека, как Милликен. Он был выдающимся исследователем. Работая преподавателем в Чикаго, он отдавал много времени подготовке и поощрению молодых людей, на работу с которыми у Майкельсона не хватало терпения. Выполняя административные функции в Калифорнийском технологическом институте, он подготовил несколько поколений молодых ученых. Уровень их подготовки был настолько высок, что отпала необходимость направлять молодых американцев за границу для получения научного образования. Благодаря Роберту Эндрюсу Милликену американская наука вступила в пору зрелости.