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.