Скотт Бембенек - Механизм Вселенной - как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

S — S 0= k ln ( V / V 0) E / h ν,

где E — полная энергия света в ящике [182], а h ν, как в уравнении Планка, — квант энергии.

Теперь, если мы определим W из уравнения Больцмана [183]выражением

W = ( V / V 0) E / h ν,

в которое входят величины из уравнения Эйнштейна, тогда мы получим:

S = k ln W + S 0.

Дополнительный член S 0возникает, потому что мы представляем систему находившейся в другом макросостоянии до того, которое рассматривается сейчас и имеет энтропию S . Это более общая форма уравнения Больцмана, которая впервые появилась в статье Планка.

Итак, Эйнштейн рассматривал то же самое изменение энтропии для системы, содержащей N атомов идеального газа [184]. Атомы идеального газа не взаимодействуют, а точнее, ведут себя независимо друг от друга. Более того, здесь мы говорим о классическом идеальном газе, тогда как позже мы обсудим его квантовый аналог. Опять же, Эйнштейн рассматривал систему, сначала находящуюся в ящике с объемом V 0, которую внезапно ограничили до под-объема V .

S — S 0= k ln ( V / V 0) N ,

где, в данном случае

W = ( V / V 0) N .

С физической точки зрения, когда энтропия меняется (из-за изменения объема), эти уравнения говорят нам, что две системы ведут себя одинаковым образом. Когда мы их сравниваем (или, что проще, их выражения для W ), то видно единственное отличие — там, где в варианте идеального газа стоит N , в случае света стоит E / h ν.

Другими словами, в одном случае имеется N атомов идеального газа, а в другом — полная энергия света E , разделенная на «порции», каждая по h ν. Эйнштейн поставил перед собой задачу рассмотреть только излучение с низкой плотностью энергии (или низкой интенсивностью) согласно закону излучения Вина, совсем не используя вариант Планка [185]. Более того, реальный газ при низких плотностях хорошо описывается моделью идеального газа.

С этими соображениями и уравнениями Эйнштейн построил оригинальную аналогию между этими двумя системами. Но что это за порции, рассеянные по ящику, полному света? Эйнштейн говорит:

«Монохроматическое излучение низкой плотности энергии (в рамках диапазона применимости формулы излучения Вина) в термодинамическом смысле ведет себя так, как если бы оно состояло из независимых друг от друга квантов энергии, каждый со своей величиной ( h ν)».

Другими словами, согласно Эйнштейну, свет на данной частоте ν (с низкой плотностью энергии) ведет себя как состоящий из порций h ν — свет состоит из световых квантов . То есть энергия светового кванта такова:

E светового кванта= h ν.

Вспомним, что для Планка эти порции представляли собой части, или кванты энергии, которые были распределены между N резонаторами. Но системой Планка был свет, находящийся в равновесии с N резонаторами, где резонаторы выполняли роль материи, тогда как системой Эйнштейна был свет, находящийся в равновесии с самим собой. Для Планка эти порции не имели ничего общего со светом и были исключительно прерогативой резонаторов. Другими словами, если Планк требовал от резонаторов обмениваться порциями энергии, на свет, который вообще-то переносил эту энергию туда и обратно, это требование не налагалось — это немного загадочно. Тогда Эйнштейн продолжает:

«Если с учетом зависимости его энтропии от объема монохроматическое излучение (со значительно низкой плотностью) ведет себя как прерывистая среда, состоящая из квантов энергии со своей величиной ( h ν), тогда кажется разумным проверить, являются ли законы генерации и превращения света такими, что они соответствуют свету, состоящему из такого рода квантов энергии».

Эйнштейн говорит, что если сам свет ведет себя как набор световых квантов, то, возможно, он также ведет себя при взаимодействии с веществом. В этой связи он рассмотрел известные экспериментальные наблюдения и показал, как их можно интерпретировать с позиции его вновь созданной гипотезы световых квантов. Наиболее заметным из этих явлений, которые он рассматривал, был фотоэлектрический эффект .

До того, как Эйнштейн в 1905 году вернулся к этой теме, природу света обсуждали много раз. Как и с материей, первые теории света пришли от древних греков. Демокрит, основоположник атомизма, считал, что свет состоит из частиц, мало чем отличающихся от атомов, из которых, как он представлял, состоит вся материя. Аристотель думал, что свет — это «возмущение» того, что он рассматривал как один из четырех элементов — воздуха. Декарт в его «Диоптрике», опубликованной в 1637 году, описал свет как «живое действие», которое проходит через воздух и другие прозрачные тела [186]. По большей части «возмущение» Аристотеля и «живое действие» Декарта были очень ранними описаниями света как своего рода волны , не то чтобы не похожей на волны в океане.