3. Второй «решающий эксперимент»

Мы исходим из того, что свет излучается источником, находящимся в точке Р, и поглощается плоским экраном, поставленным перпендикулярно к лучам на расстоянии г от источника и имеющим небольшую площадь а. Если энергия, испускаемая источником в точке Р в единицу времени, есть L (яркость света), то энергия, которая попадает на а в единицу времени, есть La/far2 (поскольку на расстоянии г лучистая энергия распределена на сфере площадью Фи:/*2). Примем далее, что можно измерить лучистую энергию, которая попадает на экран в единицу времени. Если мы предположим, что волновая теория правильна, то L есть постоянная, и LajA%r2 бесконечно уменьшается при увеличении г. Если мы будем отодвигать экран все дальше и дальше, то световая энергия, попадающая на экран в единицу времени, будет стремиться даже к нулю. Если же мы предположим, что из точки Р испускаются «частицы», например л частиц в единицу времени, каждая из которых обладает энергией /, то результат будет другой; тогда энергия, попадающая на экран в единицу времени, будет nla/4ur2, однако энергия, поглощаемая экраном, никогда не может быть меньше, чем энергия одной частицы {п — 1). Она может быть нулем только в том случае, если все частицы пройдут мимо экрана (п — 0).

Мы можем, следовательно, поставить следующий эксперимент: если мы будем отодвигать экран площадью а все дальше и дальше от точки Р, то в этом случае поглощаемая световая энергия будет неогра- ничейно уменьшаться или она достигнет минимума, а затем резко упадет до нуля. Для того чтобы осуществить этот эксперимент, мы должны быть в состоянии измерять очень малые количества энергии, что может быть сделано с помощью фотоэлектрического эффекта. Если свет падает на поверхность какого-либо металла, то с этой поверхности испускаются электроны и энергия этих «фотоэлектронов» служит мерой световой энергии, поглощаемой этой поверхностью. Как мы уже упоминали, Филипп Ленард обнаружил, что энергия, поглощаемая металлом, всегда бывает выше определенного уровня, то есть энергии, попадающей на поверхность «частицы света». Волновая теория Требует, чтобы эта поглощаемая энергия стремилась к нулю по мере увеличения расстояния от источника света. Эксперимент же Ленарда окончательно доказал, что нижний предел излучения, поглощаемого экраном по мере увеличения расстояния до источника, не зависит,от этого расстояния и определяется только цветом (частотой) света. Этот эксперимент «устранил» волновую теорию в ее классической форме, данной Френелем, и доказал, что корпускулярная теория возможна.

Корпускулярная теория, которая допускается в этом доказательстве, не содержит, в противоположность ньютоновской теории, никаких законов, согласно которым частицы притягиваются материей, а включает только допущение, что они прямолинейно движутся в пустом пространстве.

Когда Эйнштейн в 1905 году указал, что этот «второй решающий эксперимент» «устранил* волновую теорию, он пытался изменить ее как можно меньше. Однако он должен был внести такие изменения, которые привели бы «обновленную» волновую теорию к согласию с экспериментом Ленарда. На основании волновой теории в ее классической форме делали заключение, что энергия колебания для равных площадей сферической волновой поверхности имеет одно и то же значение, но это значение уменьшается по мере того, как увеличивается расстояние от источника. Этот результат экспериментом Ленарда опровергнут. Эйнштейн предположил, что энергия распределяется по фронту волн не равномерно, а концентрируется порциями, называемыми световыми квантами, или фотонами, которые являются частью электромагнитной радиации и движутся со скоростью света. Это, конечно, явно противоречит основным законам электромагнитного поля. Следовательно, на большом расстоянии от источника света на экран площадью а никогда не будет попадать энергии меньше энергии одного фотона. Сумма всей энергии, поглощаемой экраном, есть сумма энергий всех поглощенных фотонов; следовательно, на больших расстояниях в единицу времени поглощается или один фотон, или ни одного.

Эксперимент Ленарда показывает, что испускаемый источником свет, попадающий- на металл и производящий истечение фотоэлектронов, действительно следует этой схеме. Устраняя волновую теорию, он подтверждает корпускулярную теорию в том смысле, что свет испускается источником определенными порциями, получившими название световых квантов или фотонов. Конечно, эксперимент показывает только то, что можно допустить, что свет испускается в виде массы таких порций, но движение этих частиц невозможно объяснить, исходя из ньютоновских за- КОнов, чтобы не противоречить решающему эксперименту Араго. Для того чтобы изменять волновую теорию как можно меньше, Эйнштейн предположил, что свет есть действительно волновой процесс в виде электромагнитных волн, но что энергия не должна распределяться в волне равномерно. Должно иметь место сгущение энергии, которая будет распространяться в виде порции таким образом,, что на экран никогда не будет попадать меньше одной порции. Каждая порция имеет одно и то же количество энергии, если только частота света остается одной и той же. Эксперимент Ленарда показал, что энергия каждой Е порции пропорциональна частоте света: Е ~ hv, где v — частота света при предположении его монохроматичности и h — универсальная постоянная, называемая постоянной Планка.