Основная идея несложна. Эйнштейн рассматривал газ, состоящий из одинаковых атомов. Для простоты представим себе, что эти атомы обладают всего двумя энергетическими уровнями, и будем с самого начала говорить о частицах света — фотонах, — хотя у Эйнштейна не было в этом нужды. Представим себе далее, что все фотоны обладают энергией, величина которой в точности соответствует разности этих уровней. Назовем атом, находящийся на нижнем уровне, «пустым», а атом на верхнем уровне — «заполненным». Таким образом, когда пустой атом поглощает фотон, он становится заполненным, а когда заполненный атом испускает фотон, он становится пустым.
А теперь вместе с Эйнштейном сформулируем три простых правила, вернее, сначала два, а через некоторое время третье. Все три правила представляют собой квантовые аналоги соответствующих процессов, описанных Максвеллом. Пустой атом останется пустым до тех пор, пока на его пути не встретится фотон. Заполненный атом рано или поздно самопроизвольно, без какого-либо возбуждения извне испустит фотон. Не имея адекватных данных о внутренних процессах в заполненном атоме, мы не можем прогнозировать, когда именно он испустит фотон. А потому мы допускаем, что при большом числе атомов и фотонов эмиссия квантов света происходит в случайные моменты, так что можно описать эту случайность вероятностной формулой. Статистическими формулами такого рода пользовались Резерфорд и другие ученые при исследовании радиоактивного распада атомных ядер.
Итак, пока что мы имеем два процесса. Во-первых, пустые атомы поглощают оказавшиеся в непосредственной близости фотоны. А, во-вторых, заполненные атомы самопроизвольно испускают в непредсказуемые моменты времени фотоны. (Этот процесс известен под названием спонтанная эмиссия.) Мы хотим, чтобы поглощение и эмиссия фотонов находились в равновесии. Но с помощью лишь двух вышеизложенных правил мы не придем к формуле Планка для излучения абсолютно черного тела. Эйнштейн понял, что для получения этой формулы нужен некий третий процесс. Представим себе, что заполненный атом сталкивается с фотоном. Он уже заполнен и не может поглотить еще один фотон. Тут мы, вероятно, сделали бы вполне закономерный вывод, что в этом случае ничего не произойдет. Однако Эйнштейн предположил, что заполненный атом попытается, так сказать, поглотить дополнительный фотон, а в результате ему не только не удастся это, но он еще и потеряет собственный фотон и превратится, таким образом, в пустой атом. Все это напоминает басню Эзопа с неизбежной моралью в конце, и тем не менее третий процесс имеет первостепенное научное значение. Он получил название индуцированной, или вынужденной, эмиссии. Здесь уместно отметить, что через три с половиной десятилетия индуцированная эмиссия стала находить практическое применение. Именно она лежит в основе действия лазера, который уже на сегодняшний день достаточно широко применяется в медицине и промышленности. Индуцированная эмиссия делает возможным и изобретение в военных целях смертоносного луча, способного уничтожить все, на что он будет направлен: людей, танки, самолеты и даже атомную бомбу. Нечто в этом роде вполне может стать оружием третьей мировой войны, если она разразится, и будет в таком случае создано на основе исследований в области квантов, проводя которые (в Берлине в годы первой мировой войны) Эйнштейн преследовал лишь чисто научные, эстетические цели.
Эта необычная история имеет еще много других скрытых сторон. Об одной из них нам хотелось бы коротко сказать. Вскоре была опубликована еще одна статья, в которой Эйнштейн продолжил исследования квантовых процессов в более широком масштабе. Он выдвинул неопровержимые доводы в пользу того, что кванты света следует рассматривать как частицы, обладающие энергией и импульсом, — что-то наподобие пуль. Доводы эти действительно были столь неотразимы, что он смело заявил в своей статье: «…излучения в форме… волн не существует». В самом деле, схожесть поведения квантов света с пулями была в 1923 г. эффектно подтверждена экспериментально. Но и свидетельства в пользу световых волн оставались убедительными, так что в 1922 г. и Бор (как раз в том году он получил Нобелевскую премию), и другие ученые все еще с большим недоверием относились к эйнштейновской идее о частицах света. В каком-то смысле Бор так никогда и не принял ее.