„După această imagine, energia unei unde de lumină emise dintr-o sursă punctuală nu se împrăștie continuu în volume tot mai mari, ci constă dintr-un număr finit de cuante de energie, localizate în puncte ale spațiului, care se mișcă fără să se împartă și sunt absorbite sau generate doar ca întreg.”Albert Einstein · Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt · 1905 · Albert Einstein, «Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt», Annalen der Physik 17 (1905), pp. 132–148; traducerea engleză de pe Wikisource
Lumina lovește în pachete: culoarea decide cât de tare e fiecare lovitură, strălucirea decide doar câte lovituri sunt.
Dacă luminezi o placă de metal, uneori din ea sar electroni. Fenomenul se numește efect fotoelectric. Ciudățenia a fost măsurată de Philipp Lenard în 1902. Cu lumină roșie, oricât de puternică, nu sare niciun electron. Cu lumină ultravioletă, chiar foarte slabă, electronii sar imediat. Iar când crești strălucirea, sar mai mulți electroni, dar fiecare nu iese mai rapid. Dacă lumina ar fi doar o undă, asta n-ar avea sens. Un val mai mare ar trebui să lovească mai tare. În 1905, Albert Einstein, pe atunci funcționar la oficiul de brevete din Berna, a dat explicația: lumina chiar vine în pachete, cum bănuise Planck, iar fiecare pachet lovește un singur electron. Pachetele de lumină au primit mai târziu numele de fotoni. O analogie: un electron prins în metal e ca o minge căzută într-o groapă. Ca s-o scoți, trebuie s-o lovești o dată suficient de tare. Mii de bobârnace slabe nu ajută, pentru că mingea cade la loc după fiecare. Un singur șut puternic o scoate. Fotonul roșu e bobârnacul slab, fotonul ultraviolet e șutul. Lumina mai puternică înseamnă doar mai multe lovituri, nu lovituri mai tari. Analogia are o limită: electronul nu e o minge mică, ci un obiect cuantic, cum vom vedea în lecțiile despre fante. Pentru această explicație, nu pentru relativitate, a primit Einstein Premiul Nobel pentru fizică pe anul 1921. Azi, aceeași idee face să funcționeze panourile solare, senzorii de la ușile automate și camerele din telefon.
Pe înțeles: un exemplu cu numere prietenoase. Ca să scoți un electron din sodiu, trebuie să-i dai dintr-o dată cam 2,3 unități de energie (fizicienii le numesc electronvolți). E „prețul de ieșire” al sodiului. Fiecare culoare aduce o lovitură de altă mărime:
CULOARE ENERGIA UNUI FOTON SODIUL (preț 2,3)
roșu 700 nm 1,8 nu sare nimic
verde 530 nm 2,3 abia, la limită
albastru 450 2,8 sare, cu 0,5 rămas ca viteză
ultraviolet 5,0 sare, cu 2,7 rămas ca vitezăAcum aprinde de zece ori mai multă lumină roșie. Fiecare foton tot 1,8 aduce. Tot nu sare nimic. Energiile nu se adună pe același electron, pentru că după fiecare lovitură ratată electronul își pierde surplusul aproape imediat, ca mingea care cade înapoi în groapă.
Aprinde de zece ori mai multă lumină albastră. Acum sar de zece ori mai mulți electroni, dar fiecare iese tot cu 0,5 rămas ca viteză. Asta e semnătura pachetelor: strălucirea schimbă câți, culoarea schimbă cât de repede.
Unde se vede în viața de zi cu zi: un panou solar din siliciu are un „preț” mic, cam 1,1 unități, deci îl pun la lucru aproape toate culorile vizibile și chiar puțin infraroșu. Senzorul unei uși automate folosește aceeași idee: un fascicul de lumină pe un senzor; când treci prin fața lui, fotonii nu mai ajung, curentul scade, ușa se deschide.
Ce s-a măsurat de fapt: Heinrich Hertz a observat în 1887 că o scânteie sare mai ușor între două bile de metal când sunt luminate cu ultraviolet. În 1902, Philipp Lenard a măsurat cu grijă electronii scoși din metal și a găsit cele două ciudățenii: viteza lor maximă nu depinde de strălucire, ci de culoare, iar sub o anumită frecvență nu iese nimic.
În martie 1905, Einstein a trimis la revista Annalen der Physik articolul despre un «punct de vedere euristic» asupra luminii. Regula lui e simplă: energia de mișcare a celui mai rapid electron este energia fotonului minus prețul de ieșire al metalului. Scris scurt: E_max = h · f − W. În cuvinte: din lovitura primită, electronul plătește ieșirea, iar ce rămâne devine viteză. Dacă lovitura e mai mică decât prețul, nu rămâne nimic și nu iese nimic.
Mulți fizicieni nu au crezut-o. Robert Millikan, la Chicago, a petrecut aproape zece ani încercând să arate că e greșită. A curățat suprafețe de sodiu, litiu și potasiu în vid, ca să nu se oxideze, și a măsurat cu precizie. Rezultatele, publicate în 1916, au confirmat exact dreapta prezisă de Einstein. Din panta ei, Millikan a obținut chiar constanta lui Planck, cu o eroare de sub un procent. A primit și el Premiul Nobel, în 1923.
Einstein a primit Premiul Nobel pentru fizică pe anul 1921 (anunțat în 1922) «pentru serviciile aduse fizicii teoretice și mai ales pentru descoperirea legii efectului fotoelectric». Ciudat, dar adevărat: comitetul a evitat intenționat relativitatea, care încă era considerată controversată.
Ce rămâne nerezolvat aici, și e firesc să te deranjeze: dacă lumina e făcută din pachete, de ce face și interferență, ca undele? Răspunsul ia patru lecții și trece prin experimentul cu două fante.
De ce contează Panoul solar de pe acoperiș și senzorul camerei din telefon transformă fiecare foton într-un electron; fără ideea lui Einstein n-am ști de ce lumina infraroșie foarte îndepărtată nu le pune în mișcare, oricât ar fi de puternică.