На початку XX століття фізики були впевнені, що вони вже майже розгадали природу світла. Воно поводилося як хвиля і чудово пояснювало відбиття, заломлення, інтерференцію та дифракцію. Здавалося, питання закрите.
Але один простий експеримент із металом поставив учених у глухий кут.
Якщо освітити метал світлом, з його поверхні можуть вилітати електрони. Це явище назвали фотоефектом. Здавалося логічним: чим сильніше світло, тим більше енергії воно передає металу, а отже, тим легше має вибивати електрони.
Але експерименти показали щось абсолютно несподіване.
По-перше, електрони вилітали майже миттєво, ніби чекали на удар. По-друге, дуже яскраве червоне світло могло взагалі не вибити жодного електрона. А по-третє, навіть слабке синє або ультрафіолетове світло легко це робило.
За хвильовою теорією світла це не мало сенсу. Якщо світло — це просто хвиля, то більша яскравість має означати більше енергії. Тоді дуже сильне червоне світло рано чи пізно мало б вибити електрони. Але природа відмовлялася працювати за цими правилами.
У 1905 році Ейнштейн, використавши відкриття Макса Планка, яке полягало в тому, що енергія може передаватися не безперервно, а маленькими порціями — квантами, запропонував сміливе пояснення.
Він припустив, що світло не завжди поводиться як безперервна хвиля. Іноді воно передає енергію окремими порціями. Пізніше ці порції назвуть фотонами.
Уявіть собі не безперервний потік води, а град із маленьких крижинок. Кожна крижинка летить окремо й має власну енергію.
Головна особливість полягала в тому, що енергія кожного фотона залежить не від яскравості світла, а від його частоти — тобто від кольору. Чим вища частота, тим енергійніший окремий фотон.
Саме тому синє та ультрафіолетове світло може вибити електрони з металу, а червоне — ні. Кожному електрону потрібно отримати певний мінімум енергії. Якщо один фотон має її недостатньо, електрон не вилетить, хоч би скільки таких фотонів прилетіло.
Яскравість лише збільшує кількість фотонів. Тому вона змінює кількість вибитих електронів, але не може зробити слабкий фотон сильнішим.
Так Ейнштейн не просто пояснив дивний експеримент. Він зробив один із перших кроків до народження квантової фізики — науки, яка назавжди змінила наше розуміння природи.
За пояснення фотоефекту у 1921 році Ейнштейн отримав Нобелівську премію, а зовсім не за знамениту теорію відносності, як вважає багато людей. Чому його головна теорія залишилася без уваги комітету, поговоримо у наступному відео.