За что Эйнштейн на самом деле получил Нобелевскую премию

Чудесный год

В 1905 году Эйнштейну было 26 лет. Он работал экспертом третьего класса в патентном бюро швейцарского Берна, проверял чужие изобретения, а физикой занимался в свободное время. За этот год он опубликовал четыре статьи, каждая из которых изменила физику:

• о фотоэффекте: свет состоит из порций, квантов;
• о броуновском движении: как увидеть, что атомы существуют, по беспорядочному движению пылинок в жидкости;
• о специальной теории относительности: время и расстояния зависят от скорости наблюдателя;
• о связи массы и энергии: та самая формула E = mc².

Историки называют 1905 год «годом чудес» Эйнштейна. Но признание пришло не сразу: несколько лет он всё ещё работал в патентном бюро.

Почему не за относительность

Эйнштейна номинировали на премию с 1910 года почти каждый год. Но Нобелевский комитет по физике был осторожен. В завещании Нобеля говорилось об «открытии», а теория относительности казалась слишком смелой и плохо проверенной. В 1919 году британские астрономы во время солнечного затмения увидели, что свет звёзд изгибается возле Солнца, как предсказывала общая теория относительности. Но и после этого часть комитета сомневалась в измерениях.

В 1921 году комитет так и не смог выбрать лауреата, и премию по физике отложили. В 1922 году физик Карл Озеен предложил выход: дать Эйнштейну премию за 1921 год за фотоэффект. Этот закон уже был блестяще проверен опытами американца Роберта Милликена. Одновременно премию за 1922 год получил Нильс Бор за модель атома.

Эйнштейн узнал о премии на пароходе по пути в Японию и на церемонию не попал. Свою Нобелевскую лекцию он прочитал в Гётеборге в июле 1923 года и рассказывал в ней о теории относительности.

Что такое фотоэффект

Если посветить на металлическую пластинку, из неё могут вылетать электроны. Это заметили ещё в XIX веке. Странным было вот что: яркий красный свет электронов не выбивает, а слабый ультрафиолет выбивает. Если свет волна, то чем ярче, тем больше энергии, и красный должен справляться. Но не справлялся.

Эйнштейн предположил, что свет состоит из порций энергии, квантов, позже их назвали фотонами. Энергия одного фотона зависит не от яркости, а от цвета, точнее от частоты: у фиолетового и ультрафиолетового она больше, у красного меньше. Электрон получает энергию от одного фотона. Если её не хватает, чтобы вырваться из металла, хоть миллион красных фотонов, ни один электрон не вылетит.

hν = A + mv²/2

Это уравнение Эйнштейна для фотоэффекта из учебника 11 класса. Слева энергия фотона (h постоянная Планка, ν частота), справа работа выхода A, которую нужно затратить, чтобы электрон покинул металл, плюс кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Где фотоэффект работает сегодня

• Солнечные батареи превращают свет в электрический ток.
• Матрица камеры в телефоне: каждый пиксель считает, сколько фотонов на него попало.
• Датчики автоматических дверей и турникетов в метро.
• Датчик освещённости, который включает фонари на улице вечером.

Идея квантов света стала одним из начал квантовой физики, на которой работают лазеры, светодиоды и квантовые компьютеры. Забавно, что сам Эйнштейн потом всю жизнь спорил с квантовой физикой и говорил, что «Бог не играет в кости».

Куда ушли деньги

Ещё в 1919 году, разводясь с первой женой Милевой Марич, Эйнштейн пообещал отдать ей деньги будущей Нобелевской премии. Он был так уверен, что получит её, что это записали в соглашение. Через три года обещание пришлось выполнить: деньги пошли на содержание сыновей и покупку домов в Цюрихе.

Частые вопросы