Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная

Бор отправился учиться к Томсону в Кембридж. Но у невнятно бормочущего датчанина и неразговорчивого британца возникли трудности в общении. Поэтому Бор перебрался в Манчестер работать с более коммуникабельным Резерфордом, автором модели атома, где крошечные отрицательно заряженные электроны вращались по орбитам вокруг положительно заряженного ядра³¹.

Усовершенствование, сделанное Бором, основывалось на том, что вращающиеся электроны не сваливаются на ядро, испуская излучение непрерывного спектра, как то предсказывает классическая механика. В новой модели Бора, основанием которой послужило изучение атома водорода, электрон, находясь в состояниях с дискретными энергиями, вращается вокруг ядра по определенным разрешенным орбитам. Атом может поглощать энергию излучения (такого как свет) только маленькими порциями, что приводит к перебрасыванию электрона с орбиты, на которой он находился, на другую, более высокую разрешенную орбиту. Точно так же атом может испускать излучение только порциями, что приведет к падению электрона вниз на другую разрешенную орбиту.

При переходе с одной орбиты на другую электрон совершает квантовый скачок. Другими словами, это отдельный, проходящий с нарушением непрерывности переход с одного уровня на другой без возможности отклониться и оказаться где-то между уровнями. Бору удалось показать, что его модель объясняет положение спектральных линий излучения атома водорода.

Услышав об этой теории, Эйнштейн пришел в восхищение, но он и несколько завидовал Бору. Один ученый описывал это Резерфорду так: “Он сказал мне, что однажды нечто подобное приходило и ему в голову, но он не осмелился это опубликовать”. Позднее Эйнштейн объявил, что “открытие Бора – музыка высших сфер в области мысли”³².

Основываясь на модели Бора, Эйнштейн в 1916 году написал серию статей, наиболее существенная из которых, “К квантовой теории излучения”, вышла из печати в 1917 году³³.

Эйнштейн начал с мысленного эксперимента. Он представил себе камеру, в которой есть облако атомов, омываемых светом (или каким-либо другим электромагнитным излучением). Затем Эйнштейн комбинирует модель атома Бора с теорией квантов Макса Планка. Если каждое изменение электронной орбиты соответствует поглощению или испусканию одного кванта света, то – престо! – отсюда следует новый, более простой способ для получения формулы Планка, объясняющей закон излучения абсолютно черного тела. Эйнштейн хвастал Мишелю Бессо: “Меня осенила блестящая идея относительно поглощения и испускания излучения. Она заинтересует тебя. Удивительно простой вывод, я бы сказал, именно вывод формулы Планка. Абсолютно квантовая история”³⁴.

Атомы спонтанно испускают излучение. Но, предполагает Эйнштейн, этот процесс можно стимулировать. Упрощенно это можно себе представить так: предположим, что атом, поглотив фотон, уже оказался в состоянии с более высокой энергией. Если теперь его возбудить с помощью другого фотона определенной длины волны, это может привести к испусканию двух фотонов одной и той же длины волны и одинаковой поляризации.

Открытие Эйнштейна было несколько сложнее. Предположим, имеется газ атомов, в который накачивается энергия, скажем, с помощью электрических импульсов или света. Энергия будет поглощаться большим числом атомов, которые переходят в состояния с более высокой энергией и начинают испускать фотоны. Эйнштейн утверждал, что присутствие облака фотонов делает более вероятным испускание фотона той же длины волны и того же направления, что и другие фотоны облака³⁵. Прошло почти сорок лет, и на основе этого процесса, названного вынужденной эмиссией, были изобретены лазеры. Это название составлено из первых букв английских слов light amplification by the stimulated emission of radiation – “усиление света путем вынужденной эмиссии излучения”.

Один из выводов квантовой теории излучения Эйнштейна приводил к странному результату. “Можно убедительно показать, – рассказывал он Бессо, – что элементарные акты испускания и поглощения – это направленные процессы”³⁶. Иначе говоря, когда фотон вырывается из атома, он не может (как это должно было бы происходить в классической волновой теории) сделать это сразу во всех направлениях. Наоборот, фотон обладает импульсом. Другими словами, уравнения Эйнштейна работают, только если каждый квант излучения испускается в определенном направлении.