Дети относительности

Альберт Эйнштейн - символическая фигура в физике XX в. Его работы навсегда изменили наши представления о природе мира. "Ньютон, простите меня, пожалуйста", - говорил Эйнштейн, поскольку его теория относительности перечеркивала абсолютность времени и пространства, которую верховный судья всех физических явлений принял больше двух столетий назад.


"Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно. Но всегда находится невежда, который этого не знает.
Он-то и делает открытие".

Альберт Эйнштейн


Имея за плечами отвергнутую докторскую диссертацию, этот 26-летний эксперт патентного бюро, занимавшийся в свободное время исследованиями, осмелился утверждать, что физики тех дней "мыслили поверхностно". Кроме частной и общей теорий относительности его работы помогли рождению квантовой механики и современной статистической физики. Современная революция в биотехнологии тоже во многом обязана работе Эйнштейна, представившей свидетельства существования молекул и их поведения.

ДЕТИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИУдивительно, но большую часть своих теоретических работ он опубликовал в течение одного 1905 г. История не знает других столь плодотворных периодов деятельности ученого. Известно лишь, что в 1665-1666 гг. Исаак Ньютон, запершись от чумы в загородном доме, начал излагать основы дифференциального и интегрального исчислений, закона тяготения и теории цветов.

В ознаменование столетия с момента появления теории Эйнштейна международное сообщество физиков объявило 2005 г. Всемирным годом физики.

В течение всего XX в. ученые проверяли, претворяли в жизнь и внедряли в практику идеи, вытекающие из работ Эйнштейна. Всем известно, что его формула E = mc2 послужила ключом к созданию атомной бомбы и стала основой всего последующего развития физики. Предложенное Эйнштейном объяснение внешнего фотоэффекта легло в основу ряда технологий - от фотодиодов до передающих трубок телевизионных камер.

Прошло немало лет, прежде чем были полностью экспериментально подтверждены его теории, что свидетельствует о гениальности ученого. Многие из самых интересных современных работ в области физики ставят еще более грандиозные цели - пойти дальше Эйнштейна и решить задачи, подобные тем, над которыми он безуспешно бился последние 30 лет своей жизни, буквально до смертного часа.

Ясно, что общая теория относительности и физика частиц не дают полного описания мира, поскольку последняя в принципе является квантовой, а кванты и общая теория относительности, как вода и масло, не смешиваются. Десятки лет Эйнштейн пытался найти теоретические основы объединения относительности с электромагнетизмом. Современное поколение ученых разрабатывает теории, вооружившись более полным, чем располагал Эйнштейн, описанием фундаментальных физических сил, и подходит к решению задач без его предубеждений против квантовой механики. Для физиков, добившихся успеха, это может означать бессмертие, подобное бессмертию Эйнштейна и Ньютона, или новое представление о природе и новые технологии, столь же нереальные сегодня, как черные дыры и квантовые компьютеры 100 лет назад.

Весной 1905 г. молодой "раб патентов", как называл себя сам Эйнштейн, отправил своему другу Конраду Хабихту (Conrad Habicht) письмо, где сообщал, что собирается послать ему "несуразный лепет", представленный в виде статей. (Одна из работ в этой серии, которую Эйнштейн назвал революционной, не касалась относительности, но принесла ему в 1922 г. Нобелевскую премию.) В исследовании "Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света" ("U..ber einen die Erzengung und Verwandlung des Lichtes betreftenden heuristischen Gesichtpunkt"), законченном в марте, Эйнштейн заимствовал и развил идею Макса Планка о квантах - о том, что энергия горячего тела может испускаться и поглощаться только некоторыми дискретными порциями.

Статью ученый закончил в марте 1905 г., и она стала одной из трех опубликованных в журнале Annalen der Physik от 7 июня, где Эйнштейн применил концепцию квантов для объяснения внешнего фотоэффекта - испускания электронов заряженным металлом под действием света. Объяснение состояло в том, что пучок света состоит из частиц, названных фотонами, тогда как в это время преобладало мнение, что свет имеет только волновую природу. Статья помогла признать двойственную природу света - как потока волн и частиц - и тем самым заложила основы квантовой механики.


Докторская диссертация Эйнштейна была расценена Цюрихским университетом как посредственная.


В 1902 г. Цюрихский университет отверг докторскую диссертацию Эйнштейна, расценив ее как посредственную работу о силах притяжения между молекулами газа. Ученый, однако, не отказался от идеи получить докторскую степень и летом 1905 г. предпринял вторую попытку. По словам его сестры Майи, сначала он представил свой труд по частной теории относительности, но университет отклонил и ее. Тогда Эйнштейн предложил исследование "Новое определение размеров молекул", которое он закончил 30 апреля и опубликовал в журнале Annalen der Physyk от 7 июня. Рассказывали, что идея статьи возникла, когда Эйнштейн беседовал с лучшим другом Мишелем Бессо (Michele Besso) за чашкой чая. Рассуждая о связи вязкости жидкости с размерами растворенных молекул сахара и рассматривая их совокупность, ученый вывел математическое выражение, определяющее скорость диффузии. Сопоставив коэффициент диффузии с вязкостью раствора, ученый определил размеры молекул сахара.

К тому времени Эйнштейн закончил статью, которую он также посвятил "точному определению размера атома", существование которого некоторыми еще ставилось под сомнение. Исследование называлось "О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты" ("U..ber die von molekularkineti­schen Theorie der Wa..rme geforderte Bewegung von in ruhenden Flu..ssigkeiten suspendierten Teilchen") и было опубликовано в том же номере Annalen der Physik от 7 июня. В нем предсказывались число и масса молекул в данном объеме жидкости и характер их перемещения. Беспорядочное движение было известно под названием броуновского, по имени Роберта Броуна (Robert Brown), еще в начале XIX в. впервые наблюдавшего движение частиц пыльцы растений в воде. Эйнштейн предположил, что движение молекул воды столь интенсивно, что они непрерывно подталкивают взвешенные частицы, блуждания которых и наблюдаются под микроскопом. Работа положила начало современной статистической механике и позволила разработать методы, нашедшие применение в самом широком круге дисциплин.

Следующая статья, завершенная в конце июня, называлась "К электродинамике движущихся тел" ("Zur Elektrodynamik der bewegter Ko..rper"). Идея относительности зародилась за столетия до Эйнштейна. В 1632 г. Галилео Галилей предположил, что все физические законы одинаковы независимо от движения наблюдателя, если скорость этого движения не меняется: для человека на палубе корабля, идущего с постоянной скоростью, камень, выпущенный с верхушки мачты, должен лететь прямо вниз, так же, как он падал бы на неподвижном корабле. Такой принцип относительности был справедлив для всех законов механики, сформулированных Ньютоном в середине XVII в. Однако это благолепие было нарушено в конце XIX в., когда был открыт электромагнетизм. Уравнения Максвелла показали, что электромагнитное излучение распространяется в виде волн, и физики предположили, что оно происходит в некой среде, названной эфиром, подобно тому, как звуковые волны распространяются в воздухе. Максвелл показал, что в вакууме свет и другие электромагнитные колебания должны распространяться со скоростью 300 тыс. км/с относительно наблюдателя в системе отсчета, неподвижной относительно эфира. Однако в мире эфира принцип относительности для света не выполнялся. Для движущегося наблюдателя скорость света уже не должна быть равна 300 тыс. км/с. Однако эксперименты не выявили такого отличия для движущихся объектов. Скорость света оставалась одной и той же во всех случаях.

Именно к данному противоречию между электромагнетизмом и остальной физикой и обратился Эйнштейн, которого не устраивало, что принцип относительности не может объяснить электромагнитные явления, как он объясняет механику. В статье о частной теории относительности, опубликованной в августе 1905 г., Эйнштейн подтвердил применимость этого принципа ко всей физике, показав его приложение к электромагнетизму, и доказал постоянство скорости света. Однако, разрешив один парадокс, статья поставила ученых перед новым, опрокидывающим интуитивные представления о природе вещей. Скорость света оказывалась одной и той же, как для того наблюдателя, который сидит в кресле на веранде, так и для другого, несущегося на фантастическом космическом корабле с постоянной скоростью, близкой к световой.

Постоянство скорости света сокрушило наши представления об абсолютности и неизменности времени и пространства. Скорость - это отношение пройденного расстояния ко времени, за которое оно было пройдено. Чтобы скорость в левой части уравнения оставалась неизменной, время и расстояние для наблюдателя, находящегося в кресле и следящего за объектом в другой системе отсчета (в космическом корабле), должны изменяться. В частности, домоседу в качалке течение времени у пролетающего над ним астронавта будет представляться замедленным, а размер космического лайнера в направлении его движения - уменьшенным.

Если бы земной наблюдатель смог каким-то образом измерить массу тех людей, что находятся в космосе, он обнаружил бы, что она стала больше, чем была до старта корабля.

Пятая и последняя статья Эйн­штейна, вышедшая в 1905 г., в том же Annalen der Physik в ноябре, служила дополнением к работе о частной теории относительности. В ней Эйнштейн утверждал, что масса тела служит "мерой его энергетического содержания". Эту концепцию он сформулировал в 1907 г. в виде самого знаменитого уравнения всех времен: E = mc2, применимого к кинетической энергии, энергии движения. Чем быстрее перемещается космический корабль относительно человека в кресле, тем больше его кинетическая энергия, которая ведет себя как масса, затрудняя разгон. С приближением скорости корабля к скорости света дополнительная энергия, необходимая для его дальнейшего движения, становится такой большой, что разгон оказывается практически невозможным, и это одна из причин, по которым путешествия со скоростью, превышающей скорость света, остаются уделом научной фантастики.

Но самая значительная работа появилась после 1905 г. Общая теория относительности, опубликованная Эйнштейном в 1916 г., затмила все открытия, сделанные им как до этого (и достижения всех других физиков, за исключением, возможно, Ньютона), так и впоследствии. Математик Анри Пуанкаре (Henri Poincare') почти обошел Эйнштейна, однако не смог сделать последнего, но жизненно важного шага - отказаться от эфира. Частная теория относительности устранила противоречия между механикой Ньютона и электромагнетизмом Максвелла, но только для тел, движущихся с постоянной скоростью по прямой. Для реального мира, в котором тела меняют направления и скорости своего движения, нужна была общая теория относительности. Иными словами, требовалось учесть влияние ускорений, включая самое универсальное из них - гравитационное. Ньютон считал, что сила тяготения действует мгновенно на любых расстояниях, но Эйнштейн представил ее как свой­ство пространства и времени. Звезда или любое иное массивное тело искривляют пространство Эйнштейна и время вокруг него, и планеты движутся в пространственно-временном континууме по криволинейным траекториям.

Через три года после опубликования общей теории относительности наблюдение солнечного затмения выявило предсказанное ею гравитационное отклонение световых лучей от звезд Солнцем. Подтверждение теории мгновенно сделало Эйнштейна героем средств массовой информации, хотя большинство обывателей не могли осознать, что же он открыл. Лондонская Times заметила, что во всем мире только 12 человек поняли его теорию. Конечно, это было некоторым преувеличением. Сразу же возникла масса его горячих поклонников.

Журнал Scientific American даже профинансировал конкурс на самое понятное объяснение относительности с призом в $5 тыс., который привлек сотни участников. Эйнштейн пошутил, что он один в нем не участвовал. "Я боялся, что не справлюсь", - заметил он.

С 1916 по 1925 г. Эйнштейн внес вклад в квантовую теорию, написав работу о вынужденном излучении, ставшем впоследствии основой физики лазеров. Однако он разочаровался в квантовой механике, которая для объяснения явлений в субатомном мире использовала вероятностные категории, а не строгие причинно-следственные связи. Всю оставшуюся часть своей жизни он посвятил созданию теории единого поля, которая должна была не только представить электромагнитное и гравитационное поля двумя проявлениями единой сущности, но и объяснить существование элементарных частиц и таких констант, как единичный заряд и скорость света.

Однако его труд не увенчался успехом. Возможно, это объясняется тем, что Эйнштейн отверг новый поворот квантовой физики, и отчасти потому, что в то время природа двух фундаментальных ядерных сил - сильного и слабого взаимодействий - еще не была хорошо понята. "Даже самые преданные поклонники Эйнштейна не оспаривают того, что наука явно бы ничего не потеряла, если бы величайший физик последние 30 лет своей жизни (примерно после 1926 г.) просто путешествовал", - заметил Альбрехт Фёльзинг (Albrecht Fu..lsing) в биографии Эйнштейна, изданной в 1993 г. Другие биографы были более милосердны. "Самым значительным наследием Эйнштейна стал продолжающийся поиск теории великого единства", - сказал Зеев Розенкранц (Ze'Ev Rosenkranz), бывший хранитель работ Эйнштейна.

Сертификат о натурализации в США

Эта задача и по сей день остается главной для выдающихся представителей теоретической физики, которые продолжают применять сложнейшую математику, пытаясь объяснить силы природы. Они даже использовали труды Теодора Калузы (Theodor Kaluza) и Оскара Кляйна (Oscar Klein), рассматривавших пятимерную Вселенную, - предположение, заинтересовавшее Эйнштейна в его поисках единой теории. Возможно, в результате экспериментальных поисков нарушений теории относительности удастся понять, как соединить квантовую механику и гравитацию в единую стройную теорию. А возрождение космологической постоянной Эйнштейна, силы отталкивания, противодействующей тяготению, остается важнейшей проблемой космологии, пытающейся разгадать тайну темной энергии.

Эйнштейн удивлялся, почему весь мир был так восхищен теорией относительности, которая лишь описывает физический мир и не имеет никакого отношения к субъективным психологическим взглядам релятивистов в культуре на время и пространство. "Я никогда не мог понять, почему теория относительности, проблемы и концепции которой так далеки от практической жизни, столь долго встречает живой интерес у широкой общественности", - говорил Эйнштейн.

Ученый часто обращался к проблемам, связанным с пацифизмом, с мировым правительством, сионистским государством, призывал не допустить создания нацистами ядерной бомбы. "Эйнштейн жил стремлением к объеди­нению - в политике, в общественных взглядах и даже в повседневных делах", - говорит Джералд Холтон (Gerald Holton), выдающийся ученик Эйнштейна из Гарвардского университета.

Если бы Эйнштейн благодаря какому-то чудесному искривлению времени и пространства неожиданно оказался среди нас, его мало тронуло бы всемирное празднование столетия его открытий. Он бы уклонился от торжеств Года физики в Иерусалиме, Цюрихе, Берлине или Принстоне, чтобы дать консультации по гравитационным волнам, постулированным общей теорией относительности. А затем он направился бы в Стэнфордский университет, чтобы обсудить с учеными данные, полученные от "гравитационного зонда B" (Gravity Probe B) NASA, которые могут подтвердить предсказания теории относительности о том, что массивные вращающиеся тела, например Земля, увлекают за собой пространство и время.

Несомненно, Эйнштейн заинтересовался бы возрождением отвергнутой им космологической постоянной, которую теперь пытаются использовать для того, чтобы объяснить, почему расширение Вселенной ускоряется. Возможно, он выразил бы восхищение работами в области суперструн, мембран, М-теории и петлевой квантовой гравитации - всеми попытками объединить квантовую механику с гравитацией, входящей в общую теорию относительности. Его, конечно, порадовало бы, что физики стремятся вывести последовательную картину мира, которая позволила бы объяснить явления во всех масштабах от субатомного до общекосмического.

Автор: Гари Стикс

14 Марта 2011, 8:06    Oleg    4080    0

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.