Для того чтобы отличать кванты световой энергии от прочих квантов, их назвали фотонами. Энергия фотонов (или величина квантов излучаемой энергии) меняется в зависимости от длины волны излучаемого света. В то же время она строго неизменна для данной длины волны. Мы помним также, что исследования фотоэффекта показали, что скорость выбитого из фотокатода электрона зависит только от длины волны падающего света, но не зависит от его интенсивности. Этот факт полностью противоречил волновой теории и, в частности, математическому определению энергии света, вытекающему из этой теории.
Эйнштейн, объясняя явление фотоэффекта, отказался от волновой теории — он понимал, что никакие искусственные построения не смогут спасти ее. Он пошел по другому пути, который, возможно, подсказала удивительная общность между фактами излучения энергии черным телом и фактами, обнаруженными при исследовании фотоэффекта.
Вот эти уже известные нам факты:
1. Энергия (или скорость) электрона, выбитого светом из фотокатода, при освещении монохроматическим светом неизменной длины волны всегда одна и та же. Чем короче длина волны падающего света, тем больше энергия (или скорость) электрона.
2. Энергия излученного фотона при неизменной длине волны всегда одна и та же. Энергия фотона тем выше, чем короче длина волны излучаемого света.
Вот выводы, к которым пришел Эйнштейн, проанализировав эти факты:
1. Энергия фотона, проникшего в вещество фотокатода, целиком и полностью отдается только одному из электронов, находящемуся в веществе фотокатода.
2. Повышение энергии электрона, выражающееся в повышении его скорости, приводит при достаточной величине энергии фотона к вылету электрона из фотокатода. Чем выше энергия фотона, тем больше энергия (скорость) вылетевшего электрона. Последнее на языке волновой теории выражается так: чем короче волна падающего света, тем выше энергия (скорость) выбитого из фотокатода электрона.
3. Чем выше интенсивность света, тем, следовательно, больше фотонов в единицу времени падает на фотокатод, тем больше выбивается из него электронов, то есть тем больше ток.
Именно эти выводы и положены в основу объяснения явления фотоэффекта. Они позволяют создать не только качественную, но и количественную теорию этого явления.
Однако это далеко не все. Определение светового кванта — фотона, данное Планком чисто математически, ничего не говорило о физической сущности фотона; оно описывало только его энергию. Но о том, как ведет себя фотон в пространстве, каким, хотя бы очень приближенно, следует представлять его, никто до Эйнштейна не говорил. Пояснить понятие фотона Эйнштейну помогла созданная им теория относительности.
Один из важных выводов этой теории говорит, что фотон обладает массой. Правда, в отличие от обычных тел, фотон не имеет массы покоя. Его вообще нельзя мыслить неподвижным — он может перемещаться в пространстве только со скоростью света, ибо он и есть свет, вернее, частица его. Но не та ньютоновская корпускула, которая представлялась как некое мельчайшее зернышко, как некое абсолютно упругое тельце и которую вполне можно представить себе неподвижной в пространстве и неизменной во времени. Нет, фотон совсем не таков: он весь в движении, он не может существовать вне его.
И все же, несмотря на такие необычайные свойства фотона, многие признаки дали ученым право отнести его к разряду частиц и, следовательно, вновь пересмотреть свои воззрения на природу света.
В наши дни свет уже не считается волновым явлением в классическом смысле этого слова.
Как же быть в таком случае с волновыми представлениями? Неужели волновая теория неверна и от нее следует отказаться? К счастью, нет. Не только не следует, но и невозможно перечеркнуть волновую теорию. Ибо она по-прежнему верно отражает и объясняет огромное количество фактов, широкое многообразие проявлений света. Но не все. Теперь мы знаем, что волновая теория хоть и верна, но не всеобъемлюща. Иными словами, она не является универсальной теорией, так как не в состоянии объяснить, например, такое явление, как фотоэффект. Точно так же не была универсальной и теория света, в создании которой участвовал Эйнштейн. Новая корпускулярная, или квантовая, теория, дав объяснение фотоэффекта и других явлений и даже предсказав новые важные факты, столкнулась с непреодолимыми трудностями при попытке объяснить с помощью новых понятий явления интерференции и дифракции.