Набегающие морские волны размывают берега. Порывы налетающего ветра заставляют осыпаться колосья. Световые (волны должны были бы «размывать» вещество.

Это действительно происходит. Падающий свет расшатывает электронные оболочки атомов — он заставляет их «осыпаться», как зерна в колосе. Иначе и быть не могло бы: куда же девалась бы энергия световых волн, если бы при поглощении света веществом ее не перехватывали легкие атомные частицы?

Семьдесят лет назад тонкие опыты блестящего московского физика А. Столетова всех убедили в существовании необычного электрического тока — фототока. Позднее стало ясно, что это текут ручейки электронов, осыпающихся с поверхности металла под действием света. На принципе возбуждения светом такого тока будут когда-нибудь работать на Земле мощные солнечные электростанции — бесплатная энергия солнечного света будет прямо превращаться в энергию движения электронов по проводам. В Новой Зеландии, кажется, уже работает первая небольшая станция этого типа.

Но как обманчивы простые сравнения! Волны света, набегающие на вещество, подобны морским волнам или волнам налетающего ветра… Что может быть яснее и понятней? Лучше не придумаешь. Однако вот другое сравнение: свет падает подобно граду, что сечет колосья и заставляет зерна осыпаться, как и под порывами ветра. Разве такое сравнение хуже? Нисколько.

А различие между этими двумя картинами громадно. Порывы ветра — воздушные волны — приносят непрерывный поток энергии. Он то гуще, то разреженней, но он непрерывен и «размазан» по всему пространству, захваченному волной. Поток энергии в падающем граде прерывист, разбит на отдельные порции, собран в «кулачки», а не «размазан». Каждая градинка приносит свою долю — свой целый квант. Если все градинки падают с одинаковой скоростью, энергия каждой зависит только от ее массы: чем массивней градина, тем энергичней она, тем с большей легкостью отлетает зернышко от колоса под ее ударом.

Вот пронесся над полем ветерок и затих. Он сумел повернуть крылья мельницы на пол-оборота. Вот пронесся слабенький град и перестал. Под его ударами крылья мельницы повернулись тоже на пол-оборота. Поток энергии ветерка и поток энергии града были одинаковыми. Однако посмотрите на поле: там, где пронесся ветерок, все колосья шевельнулись, но ни один не осыпался — у слабой «размазанной» воздушной волны не хватило сил оторвать зерна. А там, где выпал град, хоть и был он тоже слабенький, зерна в разных местах усеяли землю — это зависело от меткости градинок. Зато в других местах, куда крупицы небесного льда вовсе не попали, колосья остались совершенно неподвижными.

Как не схожи между собой эти две картины! А ведь общая энергия ветерка и града была одной и той же. Стало быть, результат зависел как бы от «внутреннего строения» потока энергии, а не только от его общей величины.

Так вот, если атомы вещества — колосья, а электроны в атомах — зерна в колосьях, то с чем сравнить падающий и поглощаемый при этом свет — с налетевшими волнами ветра или с выпавшим градом? Какое сравнение справедливей? Очевидно, надо присмотреться к судьбе, постигшей зерна — электроны.

Факты накапливаются в науке непрерывно. Задолго до Эйнштейна перед беспристрастными экспериментаторами открылась картина, которую никак нельзя было объяснить набеганием непрерывных волн энергии. Один из необъяснимых фактов выглядел особенно странно: даже самый слабый свет выбивал электроны с поверхности металла. Правда, освобожденных электронов появлялось при этом мало, но все-таки они появлялись: вызванный светом фототок едва-едва отклонял стрелки приборов, но все-таки отклонял… А ведь для ионизации любого атома — для полного разрыва связи электрона с ядром — нужна, как мы уже знаем, определенная конечная энергия, другими словами — нужен минимум энергии, ниже которого дело не пойдет! Так у волн ветерка, если он уж очень слаб, может и не хватить силенок осыпать колос. Между тем даже у самого слабого, самого неяркого потока света силенок на это всегда хватало. В чем же тут было дело?

Теперь-то мы понимаем, что все немедленно объяснилось бы, если б слабенький луч света был не тихой волной, а потоком градинок — пусть редким потоком, но все-таки потоком частиц. Тогда стало бы ясно, что отдельные его крупинки, как бы мало их ни было, умудряются попасть в электроны и передают при этом энергию, достаточную для отрыва от ядра. А чем сильнее поток света, тем больше градинок совершат такой же акт, потому что вероятность попаданий возрастет.

Надо было только по-новому взглянуть на световой поток. Только! Однако это значило посягнуть на волновую теорию света. От такого-то посягательства и предостерегал Макс Планк молодого Иоффе, когда тот взялся за развитие взглядов Эйнштейна. «Напечатаете ли вы мою статью в «Анналах»?» — спросил Иоффе у Планка. С широтою большого ученого Планк ответил, что, конечно, не будет возражать против ее опубликования, но с честностью человека, не умеющего идти против своих убеждений, заметил, что ему было бы больше по душе, если б статью принял к печати второй редактор «Анналов физики», Вин. «Я буду огорчен, — примерно так сказал Планк, — что опубликована статья, в которой сделан еще один шаг в сторону от классической теории света».

Взглянуть по-новому на световой поток означало увидеть прерывность там, где прежде, по убеждению исследователей, господствовала лишь непрерывность. А такие крутые повороты во взглядах всего труднее даются людям. Это как раз и есть то самое, что в жизни мы часто называем «ломкой сознания».

Рабочая гипотеза Планка, вопреки его глубокой приверженности к классическим представлениям, подготовила эту ломку: возникло неклассическое представление о квантах как о порциях испускаемой и поглощаемой энергии.

В физике, словно бы в магазине, появилось объявление: «Отныне энергия излучения отпускается только квантами!» Совсем как в отделе штучных товаров. Но еще думалось, что это только способ отмеривать энергию, который природа придумала по непонятному капризу, а на самом-то деле излучение непрерывно.

В поисках объяснения неклассических странностей фотоэлектрического эффекта, или проще — фотоэффекта, Эйнштейн решительно пошел на «ломку сознания». Он увидел в квантах физическую реальность. Он увидел, что свет и вправду оборачивается градом.

Так появились фотоны — частицы света.

Физически кванты и фотоны — это одно и то же, а исторически разница между ними та же, что между призывником и солдатом, замыслом и воплощением.

Но вот что интересно: сделав решительный шаг вперед, Эйнштейн вместе с тем как бы отступил назад — во вчерашний день физики.

Биография фотона неожиданно связала вчера и сегодня в истории открытия элементарных частиц материи. Это двухвековая биография. Некоторые ее эпизоды только что и разворачивались перед нами. Теперь нужно вставить в их цепь начальное звено, чтобы цепь замкнулась, как в рассказе о всяком стоящем приключении, даже если это лишь приключение ищущей человеческой мысли.

Дело в том, что за двести лет до Эйнштейна частицы света уже существовали в науке. Они появились почти одновременно с волнами Гюйгенса. Их придумал Ньютон. Этим-то он и обогатил будущих «алхимиков», не сумев ничем помочь современникам. В отличие от волновой его теория света называлась «теорией истечения». Световым частицам он дал имя — корпускулы, что значило по-латыни «маленькие тела». Оттого и теория его получила второе название — корпускулярная. Так называют и сегодня фотонную теорию Эйнштейна.

Так что же — снова подтверждается старая поговорка: «Ничего нет нового под луной»? Тем наглядней подтверждается, что и мысль-то об излучении света как об истечении особого вещества была и во времена Ньютона вовсе не нова. Мы же застали Кеплера у дверей пражского казначейства как раз за размышлением на эту тему, а он ведь умер, когда Ньютон еще не родился!

Нет, не стоит все же безоговорочно полагаться на старую мудрость. Ньютон не повторял Кеплера, а Эйнштейн — Ньютона. Верно лишь одно: спор между идеями прерывности и непрерывности — очень старый спор в физической науке.