Эйнштейн ясно осознал, что его взгляд на кванты энергии «несовместим с экспериментально доказанными следствиями волновой теории», как он сформулировал это в 1911 году. Однако нельзя было отрицать волновые свойства света – дифракцию, преломление, интерференцию. Поэтому еще в 1909 году Эйнштейну пришла в голову смелая мысль:

«Мое мнение таково, что следующий этап развития теоретической физики принесет нам теорию света, представляющую собой своего рода слияние волновой теории и корпускулярной теории».

Под первым Эйнштейн подразумевал волновую концепцию, под вторым – квантовую концепцию. В 1927 году Нильс Бор придумал для этой своеобразной ситуации, которая больше похожа не на «или – или», а скорее на «и – и», понятие комплементарности. Правда, до сих пор оно по-настоящему не ясно. Также говорят о «корпускулярно-волновом дуализме»[136]. Он был подтвержден в 1922 году измерениями рассеяния излучения (фотонов) на веществе, в частности рентгеновского излучения на электронах, за что Артур Комптон[137] был удостоен Нобелевской премии в 1927 году.

В зависимости от эксперимента свет ведет себя как волна или частица. То же самое и с электронами или молекулами. Поэтому трудно сказать, чем они «на самом деле» являются: волной, частицей или чем-то третьим. Этот зловещий корпускулярно-волновой дуализм не только является странностью квантовой физики, но и поднимает тревожные вопросы о реальности и ее познаваемости.

Однако комплементарность касается не только излучения, но и вещества! На самом деле Эйнштейн мог бы прийти к этому раньше, но именно Луи де Бройль[138]впервые опубликовал эту идею в сентябре 1923 года, а затем написал по ней докторскую диссертацию. Она была принята в ноябре 1924 года, но предварительно отправлена Эйнштейну скептически настроенным наставником де Бройля Полем Ланжевеном. Эйнштейн был в восторге и быстро помог де Бройлю в дальнейшей работе. И это привело к очень странным выводам: не только излучение, но и материя имеет длину волны!

Аргумент Де Бройля можно понять даже с помощью простой школьной математики. Поскольку для импульса p, массы m, энергии E, длины волны λ и частоты ν (h —постоянная Планка, c —скорость света) применимы следующие соотношения: E = h × ν = m × c2, λ = c / ν и p = m × v (где скорость v фотона равна c), то из этого следует уравнение де Бройля: λ = h/p. Для массивных тел, таких как кошки и морковки, λ очень мало, потому что p очень велико. Но в случае отдельных частиц их волновая природа будет иметь значение. И действительно, уже в 1927 году эксперименты показали, что электроны (и даже большие молекулы) действительно обладают волновыми свой ствами! А именно: можно наблюдать их интерференцию.

Де Бройль получил Нобелевскую премию по физике в 1929 году; и с тех пор Эйнштейн был не только одним из отцов квантовой физики, но и единственным крестным отцом волновой механики. Затем в 1926 году Эрвин Шрёдингер[139] разработал на основе работы де Бройля волновые уравнения. Воодушевленный Эйнштейн написал в том же году Хендрику Лоренцу:

«Я считаю, что это первый слабый луч, осветивший эту труднейшую из физических загадок».

Фактически только волновое уравнение Шрёдингера сделало понятным строение атомов (см. рисунок ниже). То, что они состоят из атомного ядра и электронной оболочки, было открыто Эрнестом Резерфордом[140]в 1911 году. Следовательно, электроны должны вращаться вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Однако было непонятно, почему они сразу не упали на ядро – ведь электрически заряженные частицы, движущиеся ускоренно, испускают излучение и, следовательно, теряют энергию.

Волновая механика может объяснить постоянство орбит электронов, расположенных вокруг атомного ядра. Из-за необходимости конструктивной интерференции для орбит возможны только определенные длины волн – т.н. стоячие волны. Таким образом, что-то непрерывное (волна) порождает что-то дискретное (орбиту электрона).

В 1913 году Нильс Бор из Копенгагена проводил исследования у Резерфорда в Манчестере и обнаружил, как можно объяснить спектры атомов и стабильность электронных орбит: используя постоянную Планка, Бор доказал, что электроны локализованы строго по определенным (квантованным) орбитам и перемещаются между ними «вверх и вниз» – в зависимости от поглощения или испускания квантов энергии. Эйнштейн восхищался открытиями Бора как «высшей музыкальностью в области мысли» и сам продолжал исследовать эти проблемы. В ноябре 1905 года он в общих чертах завершил первую работу по квантовой теории твердого тела; его расчеты были экспериментально подтверждены несколькими годами позже. В 1916 году Эйнштейн писал о квантовых эффектах излучения. Его работа стала основой теории лазера. Это название (сокращение: «light amplification by stimulated emission of radiation» – «усиление света посредством вынужденного (индуцированного) излучения») было придумано только в 1950-х годах, когда началось производство первых «лучевых ножей».

В 1924 году Эйнштейн разработал статистический подход для описания определенных частиц, таких как фотоны; в этом ему помогала присланная из Бангладеш работа молодого физика Шатьендраната Бозе[141]. Удивительный вывод: «При сверхнизкой температуре молекулы „конденсируются“[142]без сил притяжения, то есть они накапливаются при снижении скорости до нуля». Эйнштейн рассказал об этом своему другу Паулю Эренфесту и сказал: «Теория симпатичная, но есть ли в ней хоть слово правды?» Теперь в этом можно быть уверенным: в 1995 году физикам впервые удалось создать такую «сверххолодную» материю, в которой частицы теряют свою индивидуальность. Это странное состояние теперь называется «конденсатом Бозе – Эйнштейна», а все частицы, подчиняющиеся статистике Бозе – Эйнштейна, называются «бозонами».

Эйнштейн не только был одним из основателей квантовой физики, но и обогатил ее многочисленными идеями, которые остаются важными и по сей день и дают возможность для все более широкого практического применения.

С другой стороны, хотя поначалу Эйнштейн значительно опережал свое время в понимании квантового мира, с 1925 года он все более критически относился к дальнейшему развитию квантовой теории; хотя он и не выступал против нее, но все же больше ею не занимался, в чем многие его обвиняли. Некоторые достижения, особенно в области квантовой теории поля и электродинамики, он не мог изучать подробно; но об основах квантовой теории он размышлял до конца своей жизни – даже чаще, чем о теории относительности в целом.