[oronar]

Почему Альберт Эйнштейн не изобрел лазер

Доктор физико-математических наук Ю. Р. Носов

«Химия и жизнь» №6, 2005



Некоторые изобретения Эйнштейна

Говорят, что история не терпит сослагательного наклонения — что было, то было, — и все же трудно удержаться от соблазна порассуждать о том, что могло быть и иначе. Особенно когда речь идет о начале ХХ века — времени рождения новой физики, радио, электроники, авиации, времени, в котором бок о бок творили мудрые титаны уходящего прошлого и молодые напористые ниспровергатели основ, которые приближали будущее. А первым среди тех и других был Альберт Эйнштейн.



Этот чудо-человек вошел в представление околонаучного обывателя как типичный физик-теоретик, постоянно погруженный в раздумья о сложнейших уравнениях, гений не от мира сего. Действительно, он предпочитал уединенное и обособленное существование вне научных школ и течений, у него фактически не было ни учителей, ни учеников, его основные работы появлялись без соавторов и почти без ссылок на предшественников. На имидж творца-олимпийца и философа-отшельника работали и его мечты о должности смотрителя маяка, и обращения — запросто — к предшественнику—классику («Простите меня, Ньютон, но ...»), и заношенный свитер, и скрипка в часы досуга.



Все это так, однако... В двадцать три года, имея жену и дочь (потом у него будут еще и два сына), он после нескольких лет безработицы получил должность эксперта швейцарского патентного ведомства. Об этом эпизоде его жизни наслышаны все, однако на самом деле это был не эпизод — долгих семь лет самой творческой поры своей молодости (до 1909 года) он отдал рассмотрению изобретательских заявок на холодильники и электроизмерительные приборы, рутинной переписке со склочными авторами, а на судебные разбирательства его как эксперта приглашали вплоть до 1915 года, хотя он уже был тогда профессором Цюрихского университета. Работая патентоведом, он и сам сделал несколько изобретений (в основном это были измерительные приборы), а в занятиях физикой проявлял очевидную склонность к эксперименту. В 1915 году проделал изящный эксперимент по обнаружению вращения намагничиваемого железного стержня — «эффект Эйнштейна—де Гааза» вошел в учебники физики. Те, кто испытал нечто подобное на себе, знают, какой ни с чем не сравнимый восторг охватывает человека, который успешно завершил изощренный эксперимент или изготовил действующий образец изобретенного им устройства. Это вам не новая, пусть даже очень красивая теория — иногда годами и десятилетиями приходится дожидаться, что кто-нибудь соблаговолит ее подтвердить опытом, а пока остается довольствоваться дежурными похвалами равнодушных коллег и язвительными уколами критиков. Несомненно, все это пережил и Эйнштейн и, судя по его письмам, сладостный вкус экспериментаторского первооткрывательства запомнил навсегда. Он ведь и образование получил — инженерно-техническое.



И вовсе он не был отшельником. Когда в 1925 году в Иерусалиме на горе Скопус открылся Еврейский университет, то одним из его шести профессоров (на первых девять студентов) стал Эйнштейн — отшельник вряд ли принял бы участие в этой чисто политической акции. А знаменитое письмо об атомной бомбе? Много лет спустя, уже после образования Государства Израиль, когда в ноябре 1952 года скончался его первый президент Хаим Вейцман, через девять дней в качестве вероятного преемника пресса назвала семидесятитрехлетнего Эйнштейна. Вейцман был профессором химии, так почему бы не избрать на его место профессора физики, да еще и Нобелевского лауреата? Однако официального сигнала от властей не последовало, и он отказался от баллотирования.



Не вяжутся с образом затворника романтические истории великого физика, в которых фигурируют и весьма известные женские имена; его афоризмы и парадоксы свидетельствуют, по мнению психологов, о стремлении их автора «быть на слуху». Точнее, о подсознательном стремлении — о скромности, отсутствии тщеславия, несуетности Эйнштейна написано много и вполне оправданно. Фактически всю жизнь Эйнштейн был эмигрантом, лишь в 61 год он получил американское гражданство и навсегда осел в спокойном университетском Принстоне. А кому, как не эмигрантам, лучше всех известны реалии жизни, ее изнанка — неустроенность, неуверенность в завтрашнем дне, чиновный произвол и недоброжелательство обывателя.



Историки науки называют началом новой эры в физике (а вслед за ней — в естествознании вообще) 14 декабря 1900 года, когда в Берлине на заседании Немецкого научного общества Планк доложил о получении формулы теплового излучения, опирающейся на квантовую гипотезу. Постфактум такая оценка несомненно верна, но в то время научная общественность не очень-то заметила выступление Планка — мало ли какие математические ухищрения используют теоретики при решении сложных задач. Кроме того, усилиями таких титанов, как Кирхгоф, Больцман и Рэлей, теория теплового излучения уже была создана, хотя и не безгрешная (но ведь каждая теория ограниченна), и в 1911 году одному из продолжателей дела классиков Вину была присуждена Нобелевская премия «за открытия в области законов, управляющих тепловым излучением». В этом решении отразились предпочтения тогдашней научной общественности; похоже, что сам Планк долгое время не в полной мере осознавал, что именно совершил. Потребовалось не только открытие Эйнштейна (об этом ниже), но его решительность и осознанная убежденность в революционности и универсальности квантовой гипотезы, чтобы и Планк в это поверил. И в своей нобелевской лекции (а очередь дошла лишь в 1918 году) он уже уверенно говорил о фундаментальной роли кванта действия в физике и о том, что «появление его возвещало нечто совершенно новое, что требовало преобразования самых основ нашего физического мышления». Правда, потом он снова начинает сомневаться: ведь пришлось замахнуться на электродинамику Максвелла! Планку принадлежит проницательное замечание: «Великая научная идея редко внедряется путем постепенного убеждения и обращения своих противников, редко бывает, что Савл становится Павлом. В действительности происходит так, что оппоненты постепенно вымирают, а растущее поколение с самого начала осваивается с новой идеей». Своей жизнью он дважды подтвердил справедливость этих слов: во-первых, тем, что 18 лет дожидался признания научного сообщества — Нобелевской премии, и во-вторых, тем, что, будучи творцом квантовой теории, он до конца жизни (1947) так и не принял квантовую механику.



Не таков был Эйнштейн. Частенько говорят о том, что он развил квантовую идею Планка, распространив ее не только на испускание света, но и на его поглощение. Это так, но все же это полуправда, а она, как известно, нередко становится неправдой. Эйнштейн, по мнению знавших его близко, обладал удивительной способностью визуализировать основные этапы и результаты своих расчетов. Вероятно, в какой-то момент он внутренним зрением «увидел» квант света как некую частицу, пусть и не совсем привычную, вроде атомов, молекул или недавно открытых электронов, но все же вполне реальную частицу. И величина h, которая у Планка была лишь абстрактно-постулированной минимально возможной порцией энергии, для Эйнштейна однозначно соотнеслась с энергией открытой им (пока теоретически) новой частицы.



Правда, для окончательного утверждения новой частицы в сознании научного сообщества потребовалось четверть века: решающим стал эксперимент Комптона (1922) по рассеянию квантов излучения на электронах. Потом еще немало помучились: признавать или не признавать частицей нечто, имеющее энергию и импульс, но не обладающее массой покоя, легко возникающее и исчезающее в квантовом микромире. Лишь в 1929 году появилось слово «фотон» — легализация световых квантов завершилась. После того как новые частицы — кванты света — стали для Эйнштейна реальностью, создание теории фотоэффекта не вызвало у него затруднений, и соответствующая публикация появилась в «Annalen der Physik» 7 июня 1905 года.



В случае с фотоэффектом Эйнштейн не занимался исключительно теоретизированием, но неизменно держал в уме известные экспериментальные результаты. Среди них наиболее существенным был парадокс, обнаруженный Ленардом: скорость вылета электронов из металла при освещении не зависит от интенсивности падающего света, но однозначно определяется его цветом, возрастая в направлении от красного к синему. Это совершенно не вязалось с классическим представлением о свете как о волне. Квантовая теория Эйнштейна блистательно объяснила парадокс, это стало ее триумфом. Именно за открытие закона фотоэлектрического эффекта ему в 1921 году была присуждена Нобелевская премия. А вовсе не за теорию относительности, которая была заявлена в том же 1905 году и с которой в первую очередь связано в представлении широкой публики его имя (о ней в решении Нобелевского комитета упомянуто намеком: «За его заслуги перед теоретической физикой»).



Маленькое отступление. Ленард — колоритнейший персонаж той поры: всю жизнь он считал себя недооцененным и испытывал нескрываемую неприязнь ко многим физикам. К Рентгену, открывшему знаменитые лучи на разрядной трубке его, Ленарда, конструкции; к Томсону за открытие им в 1897 году электрона, которое сам Ленард планировал еще в 1896 году, да помешала, по его утверждению, «загруженность лекциями»; к Эйнштейну за успех его теории фотоэффекта; к Ли де Форесту за изобретение вакуумного триода, который Ленард сделал намного раньше, только не с термо-, а с фотокатодом, и которому не нашел никакого применения. Он никогда не говорил «рентгеновские», а только «Х-лучи»; законы фотоэффекта неизменно называл своим именем. Даже Нобелевская премия 1905 года (раньше томсоновской и эйнштейновской) не утихомирила его — слишком скромной казалась ее формулировка «за исследование катодных лучей». Не этот ли комплекс обделенности позднее привел Ленарда в лагерь нацистов и сделал «лидером арийских физиков»? Занятие высокой наукой — не гарантия высокой нравственности.



Итак, в 1905 году Эйнштейн оказался первым человеком в мире, который знал о существовании двух частиц: электрона (открытого еще в 1897 году Томсоном) и фотона, образующих физическую основу всей современной информатики. Более того, он уже знал о том, что при поглощении фотона из металла вылетает электрон, то есть происходит кажущееся превращение фотона в электрон (электрон при этом не возникает, но переходит из связанного состояния в свободное). Что-то похожее на предощущение обратного превращения электрона в фотон появилось у него тогда же или несколько позже. Об этом свидетельствует его статья о квантовой теории излучения и поглощения, опубликованная в 1916 году. Это совпало со временем его напряженной работы над теорией относительности, ее пропагандированием и отстаиванием — значит электрон-фотонные «превращения» его интересовали не мимолетно, а всерьез.



Теперь ему все стало ясно: фотоны рождаются при скачкообразных квантовых переходах электронов из одного состояния в другое, а иногда из свободного состояния в связанное, то есть происходит кажущееся превращение электрона в фотон. При этом испускание фотонов может быть как самопроизвольным, так и вынужденным, стимулированным. В первом случае возбужденная система возвращается к исходному состоянию — термодинамически равновесному (в ситуации крушения классической физики под напором квантовой добрая старая термодинамика оставалась единственным «островком стабильности», в который верили все). Во втором случае необходимо было особым образом возбудить вещество перед испусканием им фотонов, на языке той теории — охладить его ниже абсолютного нуля (создать инверсную населенность, говорим мы теперь), что невозможно, и потому это не было воспринято современниками. Многими, но не Эйнштейном — срабатывала первая часть его знаменитого афоризма «никто не верит в теорию, кроме создавшего ее теоретика; все доверяют эксперименту, кроме самого экспериментатора».



Стимулированное излучение предсказывало механизм лавинного нарастания количества испускаемых фотонов, то есть возможность получения суперярких световых вспышек. Знал ли Эйнштейн о когерентности возможного стимулированного излучения? По-видимому, да: идентичность всех испускаемых фотонов подразумевалась сама собой, но в практической плоскости этот вопрос не ставили ни окружающие, ни он сам, и ответ на него не был сколько-нибудь важным. Предвидел ли Эйнштейн лазер? Нет — ибо иначе он бы развил эту тематику. Сегодня это кажется странным, и недаром создатель первого мазера нобелевский лауреат Таунс находил более всего удивительным тот факт, что лазер не был создан лет на 30 раньше.



Вернемся в 1905 год, когда Эйнштейн открыл фотон и увидел (отчасти предугадал) возможность взаимных «превращений» фотонов и электронов. Почему же он не сделал в этом направлении ни одного шага? Посмотрим, какая «электроника» окружала его, уже осознавшего свое нетривиальное предназначение физика.



Еще в 1888 году Риги в Италии и Столетов в России изготовили вакуумные фотоэлементы, но их чувствительность была столь низка, что реального применения, кроме как в научных экспериментах, они не получили. Изобретатели радио, Попов и Маркони, использовали для улавливания передаваемых сигналов когеррер — стеклянную трубку с металлическими опилками, которые под воздействием электромагнитных волн выстраивались в токопроводящие цепочки. Какие проблемы в таком «чуде электроники» мог найти для себя физик? В родной Германии — ведущей электротехнической державе мира — Браун модифицировал катодную трубку Ленарда, введя в нее пластины, отклоняющие электронный луч, и получил таким образом устройство для визуализации процессов, протекающих в электрических цепях (трубка Брауна, 1897, прообраз осциллографа). Он же обнаружил выпрямляющие свойства диода, который состоял из заостренной металлической иглы, прижатой к кусочку карборунда, — эти свойства могли быть использованы для детектирования радиоволн. Перспективность обоих устройств была несомненна, но потребовались годы и годы, чтобы они технически реализовались. На базе трубки Брауна был создан кинескоп — основа современного телевидения (Зворыкин, 1929), а карборундовые детекторы получили применение в радиоприемниках 20-х годов. Все это было интересно, но не для физика, а для изобретательного электротехника.



В 1901 году мир облетела сенсация: Маркони передал радиосообщение через Атлантику. Как это выглядело в реальности? Искровой генератор Герца соединялся с длинным металлическим проводом, который с помощью обычного детского воздушного змея поднимался вертикально вверх, — этим достигалось сильное увеличение дальности распространения радиоволн, и это стало главной находкой Маркони. Три точки (буква S в азбуке Морзе), переданные из английского Корнуэлла, были «услышаны» на Ньюфаундленде — так началась эра всемирной радиосвязи. Через месяц, 18 января 1902 года, в нью-йоркской «Уолдорф-Астории» был организован обед на 300 персон — для авторитетов мира телеграфа и телефонии, на котором обозначились нобелевские претензии Г. Маркони. Этой награды он, совместно с К. Ф. Брауном, был удостоен в 1909 году.



В 1906 году в Америке, изобретательно-предприимчивой, но провинциальной по части новейших физических идей, Ли де Форест создал вакуумный триод, которому суждено было совершить переворот в электронике. Однако переворот произошел лишь лет через 10–15, а в ту пору триод из-за низкого вакуума был скорее ионным прибором, нежели электронным, кроме того, Ли де Форест всячески оберегал свое изобретение от копирования (поставлял лампы в опечатанных ящичках, из которых наружу выходили лишь три провода), и вряд ли Эйнштейн был знаком с этим первенцем электроники.



Теперь, в XXI веке, мы знаем, что электроника — это физические основы плюс высокая технология, и понимаем, что «электроника Эйнштейна» — лазеры, фотопреобразователи и другие оптоэлектронные приборы — могли стать реальностью лишь в сочетании с намного более совершенной технологией второй половины ХХ века. Так долго он ждать не мог, не мог и погрузиться в ту примитивную (с точки зрения физика-теоретика) кустарщину, которая его окружала. А изощренный мозг ежедневно требовал пищи, и «реальный Эйнштейн» вынужден был уступить дорогу другому, тому, который погрузился в раздумья об отвлеченностях типа «пространство—время» (традиционный выбор тех, кто почему-либо лишен возможности практической деятельности). Сразу же преуспев на этом поприще, в дальнейшем он уже не смог изменить свою судьбу.



В наш век рейтингов и опросов было бы занятно обратиться к человечеству с вопросом: что важнее — обрести наконец-то единую картину мира от атомных ядер до всей Вселенной (над этим Эйнштейн и трудился большую часть жизни, но так и не преуспел) или лет на тридцать раньше получить в пользование CD и DVD, интернет, мобильные телефоны, видеокамеры? Разумеется, истина не определяется большинством голосов (а мнение большинства очевидно), но все же, все же...