Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 52 страниц)

Цюрихский Политехникум

Университет Цюриха был основан в 1813 г. согласно желанию жителей города получать высшее образование не покидая его пределов. До этого времени единственным университетом в Швейцарии был университет в Базеле. В 1855 г. был основан Федеральный институт технологии и политехники, который должен был удовлетворить нужду в техническом образовании, и Рудольф Клаузиус (1822-1888) был назначен туда профессором физики (1857). Клаузиус был одним из великих физиков 19 столетия. Он сформулировал второе начало термодинамики и определил концепцию энтропии; также он внес существенный вклад в кинетическую теорию газов.

Р’ 1878 Рі. Альфред Кляйнер (1849-1916) был назначен профессором экспериментальной физики. Его главным достижением, как РѕРЅ часто признавался, было принятие РІ 1905 Рі. диссертации Альберта Рйнштейна, Рё лоббирование дать ему РІ 1909 Рі. кафедру теоретической физики, впервые учреждаемой РІ университете.

Р’ октябре 1895 Рі. Рйнштейну было отказано РІ приеме РІ Политехникум. Поскольку РѕРЅ РЅРµ имел стандартного школьного аттестата, ему отказали даже РІ праве сдать вступительные экзамены, несмотря РЅР° его превосходные результаты РїРѕ математике Рё физике. Чтобы получить нужный аттестат, РѕРЅ поступил РІ школу немецко-говорящего кантона. Там РѕРЅ чувствовал себя более счастливым, чем РІ немецкой гимназии. РќР° следующий РіРѕРґ РѕРЅ СЃРјРѕРі поступить РЅР° физико-математический факультет Политехникума. Р’ 1901 Рі. РѕРЅ РїСЂРёРЅСЏР» швейцарское гражданство.

Р’ течение РіРѕРґР°, который РѕРЅ провел РІ школе, озадачился проблемой: если некто движется Р·Р° световой волной СЃРѕ скоростью, равной скорости света, то РѕРЅ будет сталкиваться СЃ полем РІ волне, РЅРµ зависящим РѕС‚ времени. Однако, это невозможно! Рто был первый мысленный эксперимент, который РѕРЅ рассмотрел, Рё этот парадокс, вставший перед РЅРёРј, после десятилетий размышлений привел его Рє специальной теории относительности.

Короткие записи, сделанные им во время обучения в школе, дают нам некоторое представление относительно его планов:

Мои планы на будущее

Счастлив человек, который живет настоящим, чтобы много думать о своем будущем. Но, с другой стороны, молодые люди любят строить смелые планы. Более того, естественно для серьезного молодого человека добиваться по возможности желаемых целей.

Если мне повезет с моими экзаменами, и я смогу поступить в Политехникум. Я провел бы там четыре года, изучая математику и физику. Я мечтаю стать преподавателем в этих областях естественных наук, выбрав теоретическую часть.

Р’РѕС‚ причины, ведущие меня Рє этому плану. Прежде всего, это РјРѕСЏ склонность Рє абстрактному Рё математическому мышлению Рё отсутствие изобретательности Рё практических способностей. РњРѕРё желания живут РІРѕ РјРЅРµ РІ согласии СЃ этим. Рто вполне естественно; каждый предпочитает делать то, Рє чему Сѓ него имеются склонности. РљСЂРѕРјРµ того, РІ профессии ученого есть определенная независимость, которую СЏ так люблю.

Среди студентов в Политехникуме он встретил Милеву Марич (1875 1948), темноволосую сербку, которая была на четыре года старше его и которая в 1903 г. стала его женой и, позднее, матерью его трех детей. Также он познакомился со своим однокашником, швейцарцем Марселем Гроссманном (18781936), который, 18 лет спустя, стал его математическим сотрудником в написании общей теории относительности. Среди его учителей был знаменитый математик Герман Минковский (18641909), который в 1907 г. ввел концепцию пространства-времени, внеся, тем самым, существенный вклад в развитие теории относительности.

Р’ Политехникуме, РѕРЅ стал РґСЂСѓРіРѕРј Рњ.Рђ. Бессо (18731955), молодого инженера РёР· Триеста, который СЃ 1904 Рі. был его коллегой РїРѕ Патентному Р±СЋСЂРѕ Рё оставался его близким РґСЂСѓРіРѕРј Рё корреспондентом РІСЃСЋ жизнь. Рйнштейн РјРЅРѕРіРѕ времени РїСЂРѕРІРѕРґРёР» Р·Р° работой РІ физической лаборатории, увлекаясь непосредственным участием РІ экспериментах. Однако его учитель профессор Р“. Р¤. Вебер (18431912), лекции которого РЅРµ нравились Рйнштейну, РЅРµ был РІ восторге Рё однажды сказал ему: Р’С‹ симпатичный юноша, Рйнштейн, очень симпатичный. РќРѕ Сѓ вас есть большой недостаток: вам РЅРµ нравится, чтобы вам говорили что-РЅРёР±СѓРґСЊ.

Р’ течение последнего семестра, РІ результате лекций Германа РњРёРЅРєРѕРІСЃРєРѕРіРѕ РїРѕ капиллярности, Рйнштейн включился РІ работу РїРѕ этой проблеме. Капиллярность является специальной формой энергии, связанной СЃ формой Рё положением поверхности жидкости. Например, РѕРЅР° может определять уровень жидкости РІ тонкой трубке (капилляре). Р’ XIX РІ. РјРЅРѕРіРёРµ ученые, среди которых были Томас Юнг, Рџ.РЎ. Лаплас (1749-1827), Рљ.Р¤. Гаусс (1777-1855), Дж. Рљ. Максвелл, Р”.Р”. ван дер Ваальс (1837-1923) (нобелевский лауреат РїРѕ физике 1910 Рі. Р·Р° СЃРІРѕСЋ работу РїРѕ уравнению состояния газов Рё жидкостей) Рё Рђ. Пуанкаре, занимались этой проблемой. Лаплас считал, что причина капиллярности РІ существовании СЃРёР» сцепления молекул жидкости. Как следствие, можно получить РёР· экспериментального изучения капиллярности жидкости информацию РѕР± этих внутримолекулярных СЃРёР». Рта возможность интересовала Рйнштейна РІ его первом исследовании РІ 1901 Рі. Рё, как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј, продолжала интересовать его Рё позднее.

Патентное бюро

После окончания Политехникума Рё получения степени РІ 1900 Рі. Рйнштейну РЅРµ удалось получить место РІ Политехникуме, РіРґРµ РѕРЅ РЅРµ собирался заниматься интересующими его темами, Рё РіРґРµ его РЅРµ любили его учителя. После безуспешных попыток найти работу РѕРЅ СЃ помощью своего РґСЂСѓРіР° Марселя Гроссманна устроился РІ Патентное Р±СЋСЂРѕ РІ Берне. Там РѕРЅ чувствовал себя вполне удовлетворенным, серьезно относился Рє работе Рё даже находил ее интересной. Более того, РѕРЅ располагал временем Рё возможностью заниматься своей собственной физикой. Р�так, РѕРЅ стал писать работы РїРѕ физике, посылая РёС… РІ журнал Annalen der Physik, редакция которого располагалась РІ Вене. Среди РЅРёС…, РѕРЅ опубликовал РІ 19031904 РіРі. работы РїРѕ основам статистической механике, РЅРѕ РѕРЅ РЅРµ знал, что Гиббс уже опередил его. Рйнштейн приготовил докторскую диссертацию Рё РІ 1905 Рі. успешно защитил ее Рё сдал экзамены. РћРЅ продолжал СЃРІРѕРё исследования РІ теоретической физике Рё РІ том же РіРѕРґСѓ написал работу РїРѕ световым квантам, которая принесла ему Нобелевскую премию, первую работу РїРѕ теории относительности, написал диссертацию, посвященную моему РґСЂСѓРіСѓ Марселю Гассманну, РІ которой РѕРЅ описал новый теоретический метод определения радиусов молекул Рё число молекул, которые РјРѕРіСѓС‚ занимать данный объем (число Авагадро), Рё, наконец, представил результаты исследования движения взвешенных частиц РІ жидкости (Р±СЂРѕСѓРЅРѕРІСЃРєРѕРµ движение). Рто последнее исследование можно рассматривать как побочный РїСЂРѕРґСѓРєС‚ его диссертации Рё которое было опубликовано РІ том же журнале РІ 1906 Рі.

Р’ отличие РѕС‚ результатов фундаментального характера, изложенных РІ его диссертации, РѕРЅР° вызвала необычный интерес. Рто объяснялось большими практическими выводами, следующими РёР· нее, РїРѕ сравнению СЃ РґСЂСѓРіРёРјРё работами Рйнштейна. Р�Р· свойств частиц РІ суспензии следовали выводы, применимые Рє движению частиц песка РІ бетонных смесях (важность для строительной индустрии), мицеллы казеина РІ молоке (важность для пищевой индустрии), аэрозоли РІ облаках (важность для экологии) Рё С‚.Рґ.

Рйнштейн оставался РЅР° своей должности РІ Берне РґРѕ конца 1909 Рі., РєРѕРіРґР° РѕРЅ РІ первый раз получил академическую позицию доцента РІ университете Цюриха. Р’ то время его научный авторитет уже был достаточно высок. РљСЂРѕРјРµ результатов РїРѕ квантам света, Р±СЂРѕСѓРЅРѕРІСЃРєРѕРіРѕ движения Рё теории относительности, Рйнштейн, РґРІСѓРјСЏ годами позже, опубликовал первую квантовую теорию удельной теплопроводности твердых тел. Теория тепла, основанная РЅР° рассмотрении энергии движения, либо сталкивающихся частиц газа, либо внутренних колебаний твердых тел, имела большой успех, Рє началу XIX РІ. встретила серьезные трудности. Статистическая механика позволяет рассчитать количество тепла, которое нужно сообщить телу для увеличения его температуры РЅР° РѕРґРёРЅ градус (С‚.РЅ. удельная теплоемкость). Р’ случае твердых тел ожидалось теоретически, что эта величина примерно одинаковая для всех тел Рё РЅРµ зависит РѕС‚ температуры. Рксперимент противоречил этому заключению, демонстрируя, что теплоемкость растет РїСЂРё увеличении температуры, достигая значения, предсказываемого статистической механикой, лишь РїСЂРё высоких температурах (закон Дюлонга Пти). Р’ 1907 Рі. Рйнштейн пришел Рє заключению, что если серьезно принять идею Планка, ее следует считать справедливой для всех РІРёРґРѕРІ колебаний Рё, применив эту концепцию Рє колебаниям атомов, РѕРЅ вывел правильную зависимость удельной теплоемкости РѕС‚ температуры. Р’ том же 1907 Рі. Р�оганн Штарк (1874 1957), главный редактор Jahrbuch der Radiaktivitat und Elektronik, РїРѕРїСЂРѕСЃРёР» Рйнштейна написать РѕР±Р·РѕСЂ РїРѕ теории относительности. РџСЂРё работе над этой важной статьей, Рйнштейн РІСЃРїРѕРјРЅРёР», что РєРѕРіРґР° РѕРЅ сидел РІ Патентном Р±СЋСЂРѕ, РѕРЅ размышлял: Если человек СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕ падает, РѕРЅ РЅРµ ощущает своего веса. Так, для наблюдателя, падающего СЃ крыши РґРѕРјР°, РЅРµ существует гравитационного поля, РїРѕ крайней мере, РІ ближайшем окружении. Действительно, если этот наблюдатель роняет какое-РЅРёР±СѓРґСЊ тело, РѕРЅРѕ остается относительно его РІ состоянии РїРѕРєРѕСЏ или равномерного движения, независимо РѕС‚ его РїСЂРёСЂРѕРґС‹. Поэтому наблюдатель имеет право рассматривать СЃРІРѕРµ состояние как состояние РїРѕРєРѕСЏ. Благодаря таким интуитивным соображениям частный экспериментальный закон, что РІ гравитационном поле РІСЃРµ тела падают СЃ РѕРґРЅРёРј Рё тем же ускорением (найденном еще Галилеем), сразу же приобретает глубокий физический смысл. Наблюдатель РЅРµ имеет никаких средств, которые позволили Р±С‹ ему установить, что РѕРЅ СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕ падает РІ гравитационном поле. РќР° РѕСЃРЅРѕРІРµ таких размышлений Рйнштейн выдвинул теорию гравитации. РћРЅ пришел Рє заключению, что удовлетворительная теория гравитации должна включать фундаментально Рё естественным образом эквивалентность между инерционной Рё гравитационной массами Рё тот факт, уже установленный Галилеем, что РІСЃРµ тела падают СЃ РѕРґРЅРёРј Рё тем же ускорением. Гравитация Рё инерция РїРѕ существу РѕРґРЅРѕ Рё то же, решил Рйнштейн, Рё поэтому удовлетворительная теория гравитации требует обобщения структуры пространство-время его теории относительности, поскольку, если гравитация принимается РІРѕ внимание, концепция конечной Рё строго инерциально покоящейся системы координат уже неадекватна.

Его академическая карьера

Некоторое время спустя после декабря 1907 Рі. началась академическая карьера Рйнштейна. Первым шагом было требование, обычное РІ то время, получить разрешение преподавать (быть доцентом) РІ университете, которое давалось РїСЂРё определенном числе студентов. Рто требование было отвергнуто университетом Берна как формалистика. Рйнштейн РЅРµ включил РІ представляемые документы (докторская диссертация Рё 17 опубликованных работ) специальное сочинение Habilitation thesis, которое РѕРЅ еще РЅРµ подготовил. РћРЅ представил необходимую работу РІ начале 1908 Рі. Рё получил звание.

Однако он все еще работал в Патентном Бюро и поэтому был вынужден читать лекции в свое нерабочее время. В 1908 г. он читал лекции в субботу и во вторник утром с 7 до 8 часов трем студентам, один из которых был Бессо, работающий с ним в Патентном Бюро. В 19081909 гг. он читал второй и последний курс каждую среду вечером с 6 до 7 часов четырем студентам.

Профессор Рйнштейн

Наконец РІ 1909 Рі. Рйнштейн стал профессором теоретической физики РІ университете Цюриха. Рто был новый РїРѕСЃС‚: СЃ СѓС…РѕРґРѕРј Клаузиуса РІ 1867 Рі. РЅРµ было профессора теоретической физики. Рйнштейна представил собранию факультета профессор Рђ. Кляйнер, который очень хорошо РіРѕРІРѕСЂРёР» Рѕ нем. Рћ его выступлении РЅР° фоне антисемитских выпадов коллег сохранилось такое свидетельство:

Рти выражения нашего коллеги Кляйнера, основанные РЅР° многолетнем знакомстве, более ценны для комитета Рё факультета, чем то, что Рі. Рґ-СЂ. Рйнштейн является иудеем, так как иудеям, среди преподавателей присущи (РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… случаях, хотя Рё РЅРµ всегда) РІСЃРµ неприятные особенности такие, как назойливость, наглость Рё менталитет лавочника.

6 июля 1909 Рі. Рйнштейн получил отставку РІ Патентном Бюро Рё перешел РІ университет. Профессор Рйнштейн появился РІ классе РІ обычной одежде, часто РЅРѕСЃРёР» слишком короткие Р±СЂСЋРєРё Рё РїСЂРёРЅРѕСЃРёР» маленькую бумажку размером СЃ визитную карточку, РїРѕ которой читал СЃРІРѕРё лекции. Между 1907 Рё 1911 РіРі. Рйнштейн потерял интерес Рє теории гравитации. Вместо этого РѕРЅ был полностью поглощен квантовой теорией. РћРЅ писал РІ 1908 Рі. своему сотруднику Лаубу (18821962):

РЇ целиком занят РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРј сущности излучения ... Рта квантовая проблема имеет настолько исключительно важную значимость Рё так сложна, что РѕРЅР° должна интересовать каждого.

� в следующем году:

Я еще не нашел решения вопроса о свете и квантах. В то же время я стараюсь понять, смогу ли я разработать эту мою любимую проблему.

Тем РЅРµ менее, позднее РѕРЅ временно оставил СЃРІРѕРё усилия РІ отношении теории света, обратился СЃРЅРѕРІР° Рє теории гравитации. Р’ 1910 Рі. Рйнштейн РїСЂРёРЅСЏР» кафедру РІ Немецком университете РІ Праге, РєСѓРґР° РѕРЅ перебрался РІ марте 1911 Рі. Теперь РѕРЅ старался обобщить специальную теорию относительности, включив РІ нее гравитацию. Теория гравитации была его главным интересом РґРѕ 1916 Рі. Р’ то время как большинство физиков уже признали специальную теорию относительности, считая ее прочной частью РѕСЃРЅРѕРІ физики, Рйнштейн был занят РїРѕРёСЃРєРѕРј пределов ее применимости Рё математическим представлением более глобальным Рё более применимым РєРѕ РјРЅРѕРіРёРј физическим явлениям.

В Праге в 1911 г. он выдвинул предположение, что световые волны искривляются гравитационными полями, но необходимо было ждать до 1914 г. когда экспедиции могли бы проверить это предсказание во время солнечного затмения. Первая мировая война прервала эти наблюдения, и первые измерения могли быть сделаны лишь в 1919 г.

Р’ 1911 Рі. Рйнштейн был также занят написанием важной лекции РїРѕ квантовой физике РЅР° Первом Сольвеевском Конгрессе (30 октябрь 3 РЅРѕСЏР±СЂСЊ 1911 Рі.). После 18 месяцев, проведенных РІ Праге, Рйнштейн возвратился РІ Цюрих РІ конце 1912 Рі. РЅР° должность полного профессора РІ Политехникуме, РіРґРµ РѕРЅ учился двенадцать лет назад. Р’ Цюрихе, РІ соавторстве СЃ Марселем Гроссманном, который стал профессором математики, Рйнштейн опубликовал РІ 1913 Рі. предварительную версию РЅРѕРІРѕР№ теории гравитации.

Р’ конце 1913 Рі., РїРѕ инициативе немецких физиков Макса Планка Рё Вальтера Нернста (1864-1941) (нобелевского лауреата РїРѕ С…РёРјРёРё Р·Р° 1920 Рі. Р—Р° признание его работ РїРѕ термохимии) Рйнштейну было сделано почетное предложение стать членом Королевской РџСЂСѓСЃСЃРєРѕР№ Академии РІ Берлине, быть профессором Берлинского университета без обязанности преподавать Рё стать директором РІРЅРѕРІСЊ создаваемого Физического института кайзера Вильгельма. Задачей Рйнштейна было организовать исследовательскую работу. Его РЅРµ обязывали преподавать, РЅРѕ РѕРЅ РјРѕРі это делать РїРѕ своему желанию. Рйнштейн РЅРµ любил формальное преподавание, Р° живая научная атмосфера РІ Берлине привлекала его. Так что РѕРЅ РїСЂРёРЅСЏР» приглашение.

Р’Рѕ время визита Макса Планка Рё Вальтера Нернста РІ Цюрих СЃ целью предложить Рйнштейну РЅРѕРІРѕРµ положение РѕРЅ РїРѕ РїСЂРѕСЃСЊР±Рµ Планка описал состояние своей работы РїРѕ общей теории относительности, Рё Планк, который первым распознал РІ нем гения, сказал: Как более старший, должен предостеречь вас; сперва РІС‹ РЅРµ добьетесь успеха, Рё даже если Рё добьетесь, никто РЅРµ поверит вам.

РљРѕРіРґР° Планк Рё Нернст ушли, Рйнштейн так прокомментировал эту встречу своему ассистенту Отго Штерну: Рти РґРІРѕРµ напоминают РјРЅРµ людей, гоняющихся Р·Р° редкой почтовой маркой.

Р’СЃРєРѕСЂРµ после прибытия РІ Берлин Рйнштейн развелся СЃРѕ своей женой Милевой; ему было 34 РіРѕРґР°, Рё РѕРЅ был звездой первой величины РЅР° научном небосклоне.

Р’ Берлине, несмотря РЅР° РјРЅРѕРіРёРµ контакты СЃ коллегами, РІ частности СЃ Максом Планком, Максом фон Лауэ, Вальтером Нернстом Рё, позднее, СЃ РСЂРІРёРЅРѕРј Шрёдингером Рё РјРЅРѕРіРёРјРё РґСЂСѓРіРёРјРё, РѕРЅ чувствовал себя изолированным Рё чужим. РћРЅ РЅРµ выступал СЃ лекциями, РЅРѕ активно участвовал РІ обсуждениях, которые следовали Р·Р° научными семинарами. Как пацифист Рё противник национализма, РѕРЅ чувствовал себя еще более изолированным РІРѕ время Первой РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹. РћРЅ полностью сосредоточился РЅР° теории гравитации Рё, после значительных усилий, добился успеха Рє концу 1915 Рі. РІ формулировке, которая РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ рассматривается как замечательнейшая часть классической физики. Рта теория выдержала РІСЃРµ экспериментальные проверки, выполненные РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ.

Р’ 1915 Рі. РѕРЅ также заинтересовался экспериментом, проводимым вместе СЃ голландским физиком Вандером Р�оганном РґРµ Гаазом (18781960) (зятем Лоренца). Р’ этом эксперименте использовался цилиндр (например, железа), подвешенный РЅР° СѓРїСЂСѓРіРѕР№ нити, Рё исследовалось закручивание РїСЂРё быстром намагничивании; сегодня это известно как эффект Рйнштейнаде Гааза.

Тяготы РІРѕР№РЅС‹ его РЅРµ слишком затронули, эти РіРѕРґС‹ были наиболее продуктивными Рё творческими РІ его карьере. РћРЅ опубликовал РєРЅРёРіСѓ Рё около 50 статей. Р’ 1916 Рі. Рйнштейн написал десять научных работ, среди которых были наиболее важный синтез общей теории относительности, обсуждение теории излучения света СЃ введением спонтанного Рё индуцированного излучения, первая работа РїРѕ гравитационным волнам Рё РґСЂСѓРіРёРµ, которые РјС‹ РѕР±СЃСѓРґРёРј РІ дальнейшем. РћРЅ также закончил СЃРІРѕСЋ популярную РєРЅРёРіСѓ РїРѕ теории относительности.