Владимир Львов - Альберт Эйнштейн

Милева Марич почти не принимала участия в этих семейных радостях. Милева, по мнению одного из близко наблюдавших за нею биографов, «считала, что она загубила свои способности к науке, превратившись в домашнюю хозяйку, жену полунищего мечтателя». «Весь день, — говорила она, — я стираю и стряпаю, и так устаю к вечеру, что не могу даже прочесть научный журнал!»

Возможно, что в этих сетованиях была доля горькой правды, и это не могло улучшить настроения Альберта Эйнштейна. Во всяком случае, его опасения насчет приближения «застойного и бесплодного возраста» были явно преждевременными.

Работа о теплоемкости была напечатана зимой 1907 года и открыла новый этап в развитии теории квантов.

Теплоемкостью — речь идет в данном случае об «атомной теплоемкости» — называется количество тепловой энергии, необходимое для того, чтобы повысить температуру одного грамма-атома [24] [24] Грамм-атом — весовое количество, исчисляемое столькими граммами, сколько единиц в атомном весе. вещества на градус Цельсия. На опыте было установлено далее, что для всех металлов атомная теплоемкость равна приблизительно шести малым калориям, для всех газов, имеющих по одному атому в молекуле, — трем, и для «двуатомных» газов — пяти.

Эти закономерности удалось объяснить еще в рамках классических работ Максвелла и Больцманна по атомно-кинетической теории вещества.

Оставалось, однако, совершенно необъяснимым и загадочным одно обстоятельство — зависимость теплоемкости от температуры. Дело в том, что постоянная величина, «6», скажем, у металлов остается равной шести лишь в диапазоне температур, достаточно удаленных от абсолютного нуля (то есть от минус 273 °C). При охлаждении ниже — 50—100° Цельсия теплоемкость начинает идти на убыль, а вблизи — 273° резко падает до нуля.

Идея о квантах, или наименьших порциях энергии, в руках у Эйнштейна оказалась ключом, отомкнувшим и эту не поддававшуюся никаким усилиям загадку.

Тот факт, что притекающая к веществу тепловая энергия распределяется равномерно по всем мельчайшим атомным «волчкам» и «маятничкам», был ясен уже давно, и именно этот факт лег в основу всех предыдущих теорий теплоемкости. В металлах, например, движение каждого атома можно разложить на три прямолинейных качания по трем «осям» в пространстве и три вращательных движения также по трем осям. Каждый атом металла, стало быть, объединяет в себе как бы три миниатюрных «маятничка» и три таких же «волчка». Теоретический анализ показывает далее, что теплоемкость любого вещества, измеренная в малых калориях, почти не отличается от суммы количества атомных «волчков» и «маятничков». Для металлов как раз выходит шесть.

Идея о квантах сразу же внесла сюда, однако, существенное дополнение: если при дележе энергии по «волчкам» и «маятничкам» выходит так, что на каждый из них приходится порция энергии меньшая, чем один квант, тогда волчок либо маятничек не получает ничего! Поступающая энергия распределяется тогда не между всеми атомами, а среди части атомов. (Существенно при этом, что обмен энергией между атомами происходит тут не через испускание и поглощение света, а путем прямого межатомного взаимодействия. Новая работа Эйнштейна подчеркнула таким образом дробный, квантовый характер не только лучистой, но и всякой энергии, и в этом состояло ее необозримое принципиальное значение.)

Именно отсюда и получалась зависимость теплоемкости от температуры. Выведенные Эйнштейном формулы позволили охватить всю сложную и запутанную картину опытных данных по теплоемкости. Для самых низких — близких к абсолютному нулю — температур данных не хватало, и эйнштейновские формулы помогли поставить прогнозы, которые тотчас же были проверены и подтверждены в знаменитой «Лаборатории холода» в Лейдене. Следующим логическим шагом явилось приложение квантовых идей к упругим колебаниям твердых кристаллических решеток, что позволило вскрыть совершенно новые и неожиданные связи между звуковыми и тепловыми явлениями. Это было сделано Эйнштейном (а также Дебаем и Борном) в 1911 году.

Еще через год кванты легли в основу новой науки — фотохимии, изучающей химические явления, идущие под действием света. Сформулированное Эйнштейном простое правило («количество прореагировавших молекул равно количеству воздействовавших световых квантов») кажется сегодня чем-то само собою разумеющимся, и этот закон помог распутать немало сложных явлений, происходящих, например, в фотографических пластинках или в зеленом листе растений. Но в те годы впечатление от закона Эйнштейна в среде химиков могло быть сравнено с лучом света во тьме…