«Я не буду доктором философии… Вся эта комедия наскучила мне», — эти слова Эйнштейна, обращенные к Бессо в 1903 г., все еще звучат в 1905 г.

Из четырех статей, упомянутых Эйнштейном в письме к Габихту, вторая наименее значительна. По-видимому, Эйнштейн закончил ее примерно через месяц после первой и послал в Цюрихский университет в качестве докторской диссертации. Профессор Клейнер, отклонивший первую диссертацию Эйнштейна в 1901 г., отклонил и эту, как слишком краткую. Эйнштейн быстро добавил к ней одну-единственную фразу и вновь представил свою работу. На этот раз она была принята. Вот так в 1905 г. Эйнштейн стал доктором философии. При этом все складывалось как бы в полном соответствии с настроением его письма к Бессо. Есть основания предполагать, что он даже подумывал одолжить деньги у Бессо, чтобы оплатить печатание своей диссертации. На отдельном листе диссертации появились слова «Посвящается моему другу д-ру Марселю Гроссману». К сожалению, это выражение признательности пришлось вычеркнуть, когда работа была опубликована в «Annalen der Physik» в 1906 г.

Идея этой работы вполне могла бы прийти Эйнштейну в голову за чаем. Все знают, что, если положить кусок сахара в чай, он растворяется в воде, образуя несколько более вязкую жидкость. Не сразу, однако, догадаешься, на что это натолкнуло Эйнштейна. Давайте же посмотрим, что именно смогло извлечь хитроумие Эйнштейна из подслащенной воды.

Как обычно, он дошел до самой сути, рассматривая воду как бесструктурную жидкость, а молекулы сахара — как маленькие твердые сферы. После этого оказалось возможным произвести такие вычисления, которые без построения упрощенной модели были бы невозможны. Проделав большую работу, Эйнштейн вывел уравнения, описывающие процесс диффузии сфер в жидкости и увеличение ее вязкости.

А теперь настал черед удивиться. Разработав эту теорию, Эйнштейн воспользовался величинами скорости диффузии и вязкости растворов настоящего сахара в настоящей воде, ввел эти данные в свои уравнения и обнаружил — что бы вы подумали?.. Прежде всего то, что предлагалось в названии работы, а именно: «Новое определение размеров молекул». Оказалось, что размер молекул сахара был приблизительно равен 6,2х10-8 см. С учетом всех упрощений, которые ввел Эйнштейн, это значение было достаточно близко к реальному.

Но это не все. Эйнштейн также обосновал некоторую величину (порядка нескольких сотен тысяч триллионов триллионов) — так называемое число Авогадро. Оно определяет число молекул, содержащихся в некотором стандартном объеме идеального газа при определенных стандартных условиях.

Не следует представлять дело так, будто именно Эйнштейн первым определил размеры молекул и величину числа Авогадро. Изобретательные предшественники уже проделали эту работу. Правда, опирались они на свойства газов, а не на свойства растворов.

Особое значение приобрело число Авогадро. Зная это число, можно сразу же вычислить, например, массу любого атома. Кто же первый с достаточной точностью определил это число? Этим человеком был Планк. Причем контекст был самым, казалось бы, неподходящим: значение числа Авогадро было определено Планком при измерении излучения черного тела. Более того, Планк даже сделал это в 1900 г. в той самой статье, где была предложена квантовая гипотеза. И Планк, и Эйнштейн интуитивно считали этот факт фундаментальным достижением.

Но как вообще можно было вывести число Авогадро, занимаясь свечением черного тела? Кажется, между ними нет ничего общего.

Те принципы, на которые опирались физики в своей работе, теснейшим образом между собой связаны и применяются в самых отдаленных разделах физики. Передать это популярным образом непросто. Возьмем, к примеру, вероятностную формулу Больцмана для энтропии. Она исходит из молекулярной теории газов и содержит ключевую величину — так называемую газовую постоянную. При вычислении энтропии с позиций теории вероятностей эта постоянная должна была учитываться, даже если речь вовсе не шла о газах.

Наша задача — поспевать за все новыми открытиями Эйнштейна, так что придется ограничиться этим кратким примером. Не прошло и месяца после представления второй — «сахарной» — статьи, как Эйнштейн отослал в «Annalen der Physik» третью из четырех статей, упомянутых в письме к Габихту. И эта статья по праву знаменита.

Сестра Эйнштейна, Майя, описывая дни своей юности, рассказывала о том удовольствии, с каким молодой Эйнштейн курил длинную трубку, подаренную ему отцом. В своих воспоминаниях она писала, что «он любил наблюдать, как образовывались причудливые клубы дыма, изучать движения отдельных частиц дыма и их взаимодействие».

Возможно, это и послужило толчком для появления новой статьи Эйнштейна. Давайте, как и прежде, проследим за общей линией рассуждений и вновь поразимся выводам. Эйнштейн опять прибегнул к образу маленьких твердых сфер в жидкости, но на этот раз он допустил, что жидкость имеет молекулярную структуру, а сферы относительно огромны — размером с маленькую частицу дыма или подобную ей крупинку, которую можно разглядеть в микроскоп. Поскольку запас тепла есть энергия движения, то молекулы жидкости должны были бы постоянно сталкиваться и хаотично перемешиваться. Эйнштейн еще раньше пришел к такому же выводу, что и Больцман: энергия движения, в среднем одинаковая для всех молекул, составляющих эту смесь, независимо от массы, обусловлена столкновением частиц в смеси.

Но к чему ограничиваться молекулами? Эйнштейн понял, что в вопросе о распределении энергии молекулы и крупинки можно рассматривать единообразно. Конечно, различия есть. Кому же не известно, что, например, биллиардный шар не должен двигаться с такой же скоростью, как шарик для пинг- понга, чтобы приобрести энергию последнего. Крупинки должны были бы двигаться со значительно меньшей скоростью, чем молекулы жидкости. И действительно, скорость крупинки можно сравнить со скоростью пера авторучки при письме. Однако движение крупинок далеко не так просто. Возьмем, к примеру, единичную крупинку в состоянии покоя, окруженную со всех сторон молекулами. Так как в целом удары молекул с противоположных сторон более или менее уравновешивают друг друга, можно предположить, что крупинка остается в состоянии относительного покоя. Но такое предположение расходится с законами теории вероятностей. Эйнштейн показал, что статистические флуктуации — аналогичные выпадению счастливого числа при игре в кости — вызовут дисбаланс, и его будет достаточно для того, чтобы придать крупинке интенсивное зигзагообразное движение, которое можно увидеть в микроскоп.

Не имея конкретных количественных данных, Эйнштейн не мог с уверенностью утверждать, что предсказанное им движение представляет собой так называемое броуновское движение, которое впервые наблюдал шотландский ботаник Роберт Броун в 1828 г. Тем не менее Эйнштейн был убежден, что если молекулярная теория внутренней теплоты правильна, то должно иметь место аналогичное движение. В то время он не знал, что еще в 1888 г. французский физик М. Гу пришел к выводу, согласно которому броуновское движение — это форма теплоты. В 1906 г. к аналогичному заключению независимо от него пришел польский физик Мариан Смолуховски.　

Быстрое зигзагообразное движение крупинок затрудняет непосредственное измерение их скорости. Можно ли в таком случае проверить теоретические выводы количественными методами?

Эйнштейн нашел новый способ проверки. Он показал, что со временем хаотические зигзаги вызывают перемещения и что процесс перемещения — это, по существу, процесс диффузии, аналогичной изученной им диффузии сахара в воде. Эйнштейн воспользовался тем, что один и тот же процесс можно рассматривать и как хаотическое зигзагообразное перемещение, и как диффузию. Он провел соответствующие расчеты для обоих процессов, сопоставил полученные результаты, и затем была выведена долгожданная формула. С помощью этой формулы оказалось возможным соотнести среднее перемещение (которое можно измерить) с количественным выражением скорости диффузии. Все это имеет прямое отношение и к теории газов.

Но достаточно подробностей. Давайте перейдем к кульминационному моменту. Если теория правильна, то колебательное движение крупинок можно рассматривать как теплоту, и тем самым крупинки должны будут подчинятся законам теплового движения, управляющим хаотическим перемещением молекул. А потому рассмотренные Эйнштейном частицы как бы делают молекулярную теорию теплоты осязаемой и подтверждают правильность уравнения Эйнштейна; они показали глубокую внутреннюю связь броуновского движения и молекулярной теории газов.

Это имело чрезвычайное значение. Предоставим же слово самому Эйнштейну. В «Автобиографических набросках» он пишет: «Главной моей целью было найти такие факты, которые возможно надежнее устанавливали бы существование атомов определенной конечной величины… Согласие этих выводов [о статистическом законе броуновского движения] с опытом, а также определенная Планком из закона излучения истинная величина молекулы… убедили многочисленных тогда скептиков (Оствальд, Мах) в реальности атомов».

Вот, наконец, кульминация: наука признала существование атомов. Наша глава завершается.

Дальнейшее можно рассматривать как постскриптум. Эрнст Мах, о котором Эйнштейн упоминает в скобках, был австрийским физиком. Его глубокие идеи оказали огромное влияние на Эйнштейна. А что же можно сказать о еще большем, нежели Мах, скептике — Вильгельме Оствальде? Разве нам не знакомо это имя? Оствальд был физико-химиком. И отец Эйнштейна, и сам Эйнштейн безрезультатно обращались к нему в 1901 г. Приятно отметить, что Оствальд и Эйнштейн впоследствии стали добрыми друзьями и относились друг к другу с величайшим уважением.