Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 18 (всего у книги 52 страниц)

Рйнштейн Рё статистика фотонов

Р’ 1924 Рі. Сѓ Рйнштейна СЃРЅРѕРІР° начал интересоваться фотонами относительно статистических законов, которым РѕРЅРё подчиняются. РЎ. Бозе (18941974), РІ то время лектор РїРѕ физике РІ университете Дакка РІ Восточной Бенгалии (Р�РЅРґРёСЏ), представил РІ 1923 Рі. статью для публикации РІ престижный английский журнал Philosophical Magazine. Р’ ней РѕРЅ давал РЅРѕРІРѕРµ доказательство формулы Планка. Через шесть месяцев редактор информировал его, что статья отвергается, Рё Бозе 4 РёСЋРЅСЏ 1924 Рі. послал СЂСѓРєРѕРїРёСЃСЊ Рйнштейну РІ Берлин СЃ РїРёСЃСЊРјРѕРј, которое начиналось так:

Уважаемый сэр,

Я осмеливаюсь представить вашему рассмотрению и вниманию статью. Я с волнением ожидаю, что вы думаете о ней... Я не знаю достаточно немецкий для перевода этой статьи и был бы признателен, если вы посодействуете для ее публикации в Zeitschriftfur Physik. Поскольку я совершенно неизвестен вам, я не настаиваю на просьбе. Но мы все ваши ученики, пользующиеся обучением у вас благодаря вашим научным сочинениям.

Следует сказать, что уже РІ 1919 Рі. Бозе вместе СЃРѕ СЃРІРѕРёРј соотечественником Рњ. Рў. Саха (18931956) опубликовал антологию работ Рйнштейна РїРѕ теории относительности, первое РёР· собраний РЅР° английском языке. Рйнштейн перевел статью Рё послал ее РІ июле 1924 Рі. РІ этот журнал, РіРґРµ РѕРЅР° Рё была опубликована РїРѕРґ именем Бозе. Рйнштейн добавил заметку следующего содержания:

По моему мнению вывод Бозе формулы Планка имеет очень важное следствие. �спользованный метод дает квантовую теорию идеального газа, которую я еще разработаю в деталях.

Затем РѕРЅ отправил открытку Бозе, отметив, что РѕРЅ рассматривает его работу как очень важный вклад. Работа Бозе была четвертым Рё последним шагом РІ истории старой теории квантов (тремя РґСЂСѓРіРёРјРё были: закон Планка РІ 1900 Рі., гипотеза световых квантов Рйнштейна РІ 1905 Рі. Рё теория Бора РІ 1913 Рі.). Доводы Бозе освобождали закон Планка РѕС‚ излишних элементов электромагнитной теории Рё давали вывод РёР· общих сущностей. РћРЅ исследовал закон теплового равновесия частиц, Р° именно фотонов, Рё открыл, что эти частицы подчиняются РЅРѕРІРѕРјСѓ статистическому закону.

Р’ 1924 Рі. Бозе получил поддержку для проведения РІ течение РґРІСѓС… лет исследований РІ Европе Рё РІ сентябре прибыл РІ Париж. РћРЅ почувствовал силу одобрения Рйнштейна, РєРѕРіРґР° германское консульство РІ Калькутте выдало ему РІРёР·Сѓ, РЅРµ требуя формальной оплаты. РџРѕ прибытии РІ Париж РѕРЅ встретился СЃ Полем Ланжевеном (18721946), который предложил ему возможность работы РІ лаборатории мадам РљСЋСЂРё. Бозе СЃ удовольствием Рё весело вспоминал встречу СЃ ней. Мадам РљСЋСЂРё (Мария РљСЋСЂРё-Склодовская (18671934) РІСЃРµ время говорила РїРѕ-английски Рё РЅРµ давала вставить РЅРё РѕРґРЅРѕРіРѕ слова. РћРЅР° сказала, что РѕРґРёРЅ студент РёР· Р�РЅРґРёРё работал СЃ ней Рё имел серьезные трудности, поскольку РЅРµ РіРѕРІРѕСЂРёР» хорошо РїРѕ-французски. После этого РѕРЅР° предложила Бозе заняться языком РІ течение шести месяцев Рё только после этого прийти Рє ней. РЈ Бозе даже РЅРµ было шанса сообщить ей, что РѕРЅ учил французский РІ течение 15 лет!

После такого обескураживающего контакта Бозе познакомился братьями РґРµ Бройль (РњРѕСЂРёСЃРѕРј Рё Луи) Рё некоторое время был СЃ РњРѕСЂРёСЃРѕРј (18751960). Однако РѕРЅ РІСЃРµ еще очень стремился попасть Рє Рйнштейну, Рё 26 октября 1924 Рі. РѕРЅ написал Рйнштейну РїРёСЃСЊРјРѕ, которое начиналось словами:

Дорогой мастер,

Моя самая сердечная благодарность за ваш труд по переводу моей работы и за ее публикацию. Я увидел публикацию как раз накануне отъезда из �ндии. Я послал вам в середине июня вторую работу Я получил грант для исследовательской работы вне моего университета... Я не знаю, возможно ли мне работать под вашим руководством в Германии...

Рйнштейн перевел Рё вторую статью Рё послал ее РІ Zeitschrift, РіРґРµ РѕРЅР° Рё была опубликована. Однако РЅР° этот раз Рйнштейн добавил ремарку, РІ которой сообщал, что РѕРЅ РЅРµ может согласиться СЃ заключениями автора Рё собирается дать СЃРІРѕРё соображения.

Возможность сотрудничества Бозе СЃ Рйнштейном иссякла уже Рє январю 1925 Рі. Р’ июле 1924 Рі., примерно РІ то время, РєРѕРіРґР° Бозе, наконец, решил РІРѕРїСЂРѕСЃ СЃ начальством университета РѕР± отъезде РёР· Дакки для научной работы, Рйнштейн выступил СЃ работой перед РџСЂСѓСЃСЃРєРѕР№ академией, РІ которой РѕРЅ применил статистический метод Бозе Рє идеальному газу. Сходство РІ статистическом поведении между фотонами Рё частицами газа, которое РѕРЅ обнаружил РІ этой работе, было РІ дальнейшем исследовано Рйнштейном РІ сентябре. Рто привело Рє важным результатом поведения частиц РїСЂРё РЅРёР·РєРёС… температурах, Рё РІ январе 1925 Рі. Рйнштейн опубликовал вторую работу. Р’ ней РѕРЅ полностью разработал основные идеи Рё получил статистические законы, которым следуют частицы Рё фотоны (позднее названные статистикой БозеРйнштейна). После этого РѕРЅ переключил внимание РЅР° РґСЂСѓРіРёРµ вещи. Рйнштейн обобщил теорию Бозе РЅР° газ идентичных частиц, атомов или молекул Рё предсказал, что РїСЂРё достаточно РЅРёР·РєРёС… температурах частицы имеют тенденцию соединиться РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј РІ наинизшем квантовом состоянии системы. Рто явление сегодня называется конденсацией БозеРйнштейна Рё обладает РјРЅРѕРіРёРјРё необычными свойствами. Ее РІ течение РјРЅРѕРіРёС… лет безуспешно пытались получить экспериментально, вплоть РґРѕ 1995 Рі., РєРѕРіРґР° СЃ помощью лазера впервые удалось наблюдать это состояние РґРІСѓРјСЏ группами РІ JILA РІ Боулдере (штат Колорадо, РЎРЁРђ) Рё РІ MIT (Массачусетский технологический институт, РЎРЁРђ). Р’ 1997 Рі. Р. Рђ. Корнелл, Рљ. Р•. Виман Рё Р’. Кеттерле получили Нобелевскую премию РїРѕ физике Р·Р° получение конденсата БозеРйнштейна РІ разряженных газах атомов натрия Рё Р·Р° ранние фундаментальные исследования свойств этого конденсата.

После своего приезда РІ Берлин Бозе 8 октября 1925 Рі. написал Рйнштейну, РїСЂРѕСЃСЏ Рѕ встрече, РЅРѕ Рйнштейн был РІ Лейдене Рё уже потерял интерес Рє теме. РћРЅ возвратился спустя несколько недель. РљРѕРіРґР°, наконец, РѕРЅРё встретились, встреча была РЅРµ очень удачная. Р’ результате Бозе получил РїРёСЃСЊРјРѕ, позволяющее ему пользоваться обычными привилегиями для студентов РІ Берлине, включая разрешение брать РєРЅРёРіРё РёР· университетской библиотеки.

Вероятно, РёР·-Р·Р° того, что РѕРЅ РЅРµ представил формально диссертации Рё РЅРµ посетил Англию (которая РІ то время была Меккой для РёРЅРґРёР№СЃРєРёС… ученых), после возвращения РІ университет Дакки Бозе РЅРµ сделался профессором. Открытка РѕС‚ Рйнштейна проректору университета СЃ РѕРґРЅРёРј лишь предложением, РІ котором говорилось, что РјРЅРѕРіРёРµ РІ Европе получили пользу РѕС‚ присутствия Бозе, позднее обеспечила ему путь Рє профессорству, Рё РІ 1954 Рі. Бозе возвратился РІ Калькутту, РіРґРµ РѕРЅ родился, РІ звании профессора физики. Его неудачная поездка РІ Европу подавила его творческий талант, Рё РѕРЅ РЅРµ внес более вклада РІ развитие физики.

Рйнштейн РІ Принстоне

РљРѕРіРґР° Гитлер пришел Рє власти РІ 1933 Рі., Рйнштейн путешествовал РІ РЎРЁРђ. РћРЅ решил РЅРµ возвращаться РІ Германию. После короткой остановки РІ Бельгии, РІ течение которой РѕРЅ аннулировал СЃРІРѕРµ членство РІ РџСЂСѓСЃСЃРєРѕР№ Академии Рё РІ Баварской академии наук РІ знак протеста против пассивной позиции этих академий РІ ситуации, РєРѕРіРґР° РІ Германии подавляются академические СЃРІРѕР±РѕРґС‹ Рё РјРЅРѕРіРёРµ ученые Рё интеллектуалы лишились СЃРІРѕРёС… мест РїРѕ идеологическим причинам. Рйнштейн получил место РІ РЅРѕРІРѕРј Р�нституте прогрессивных исследований РІ Принстоне (РЎРЁРђ).

Ртот институт РІРѕР·РЅРёРє благодаря значительному пожертвованию РѕС‚ Луи Бамберга Рё его сестры Каролины Бамберг Фулд. Сначала РѕРЅРё просили выдающегося американского эксперта РїРѕ университетам Абрахама Флекснера (18661959), организовать медицинский институт. РќРѕ РѕРЅ отговорил РёС…, предложив идею организовать институт РЅРѕРІРѕРіРѕ типа, РіРґРµ преподавание, экзамены Рё присуждение степеней было Р±С‹ РЅРµ формальной обязанностью, РЅРѕ РіРґРµ выдающиеся СѓРјС‹, могли Р±С‹ посвящать себя чистой науке РІ РјРёСЂРЅРѕР№ Рё СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕР№ атмосфере, СЃ хорошей оплатой Рё заботой.

Р�нститут открылся 20 мая 1930 Рі., хотя официальная церемония открытия прошла тремя годами позже. Вместе СЃ Рйнштейном там были еще три профессора: Джеймс Александер (18881971), математик РІ области топологии, Джо фон Нейман (19031957), гений РІ области теоретической Рё экспериментальной физики, который построил РІ Принстоне первый компьютер, Рё Освальд Веблер (18801960), специалист РІ области топологии Рё дифференциальной геометрии.

Назначение Рйнштейна последовало после СЂСЏРґР° встреч СЃ Флекснером. Р—РёРјРѕР№ РѕРЅ был РІ Калифорнии, РіРґРµ искал кандидатов РЅР° академические должности РЅРѕРІРѕРіРѕ института. Ему посоветовали встретиться СЃ Рйнштейном, который РІ это время посещал Калифорнийский технологический институт. Рйнштейну сразу же понравилась идея. Ситуация РІ Германии быстро менялась Рє худшему. РЎ 1920 Рі. анти-эйнштейновская ассоциация, РіСЂСѓРїРїР° ученых РёР· так называемых германских натурфилософов, предлагала деньги каждому, кто выступал против физиков евреев, особенно против теории относительности.

Поэтому РѕР±Р° встретились сначала РІ Оксфорде, РІ течение второго семестра 1932 Рі., затем вблизи Берлина, РіРґРµ Сѓ Рйнштейна был маленький летний РґРѕРј (его можно посетить Рё сегодня). Р’ конце концов, 4 РёСЋРЅСЏ 1932 Рі. Рйнштейн РїСЂРёРЅСЏР» приглашения быть первым членом академического штата института.

Р’Рѕ время встречи СЃ Флексером Рйнштейн РїРѕРїСЂРѕСЃРёР» РіРѕРґРѕРІРѕРµ жалование РІ три тысячи долларов. РЎРјРѕРіСѓ ли СЏ жить РЅР° меньшее? СЃРїСЂРѕСЃРёР» РѕРЅ. Соглашение, подписанное РІ октябре 1932 Рі., определяло ему содержание РІ пятнадцать тысяч долларов.

Потом встала проблема помощника. Рйнштейн хотел, чтобы РёРј был Р’. Майер (18871948), австрийский математик, СЃ которым РѕРЅ написал СЂСЏРґ работ. Рйнштейн хотел, чтобы РѕРЅ был назначен профессором. Флексер полагал, что Майер РЅРµ отвечает нужным требованиям, РЅРѕ Рйнштейн был неумолим. Р�так, 17 октября 1933 Рі. Альберт, его жена Рльза, РёС… секретарь Рлен Дюкас (18961982) Рё Вальтер Майер высадились РІ РќСЊСЋ-Йорке РЅР° пути РІ Принстон.

Здесь он продолжал свои исследования, в основном концентрируясь над созданием того, что он назвал единая теория поля, которая, как он надеялся, смогла бы дать глубокое объяснение и гравитации и электромагнетизма, и описать дискретные частицы как стабильные области высокой концентрации полей.

Рйнштейн РЅРµ преуспел РІ этих попытках. РљСЂРѕРјРµ этих исследований РѕРЅ РёРЅРѕРіРґР° СЃРЅРѕРІР° обращался Рє теории гравитации 1915 Рі. Рё обогатил ее новыми результатами. Р’ 1932 Рі. РѕРЅ сотрудничал СЃ голландским астрономом Р’. РґРµ Ситтером (19721934), занимаясь построением модели расширяющейся Вселенной, которая РІСЃРµ еще является возможным кандидатом представления крупномасштабной структуры материального РјРёСЂР°.

Рйнштейн, который СЃРІРѕРёРјРё гипотезами световых квантов Рё удельной теплоемкости внес определяющий вклад РІ разработку квантовой механики, РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ принимал ее вероятностную интерпретацию РїСЂРёСЂРѕРґС‹. Р’ конце 1927 Рі. РЅР° пятом Сольвеевском Конгрессе разразилась битва СЃ Бором, Борном Рё Гейзенбергом. РћРЅРё настаивали, что неопределенность является неизбежной, РЅРѕ Рйнштейн РЅРµ желал принять это положение Рё представил серию примеров РІ поддержку своей точки зрения. Однако Бор Рё его единомышленники отвечали РЅР° РІСЃРµ эти возражения. Р’ 1930 Рі. РЅР° шестом Сольвеевском конгрессе, последнем, РІ котором Рйнштейн принимал участие, вспыхнула полемика Рё вслед Р·Р° этим РІ 1935 Рі. Рйнштейн СЃРѕ СЃРІРѕРёРјРё РґРІСѓРјСЏ коллегами РїРѕ Р�нституту, Борисом Подольским (18961966) Рё Натаном Розеном (19091995) написал работу РЅР° четырех страницах, РІ которой провозглашалась ложность квантовой теории. Рти принципиальные аргументы, известные сегодня, как парадокс РйнштейнаПодольскогоРозена (РРџР -парадокс), были маленькой Р±РѕРјР±РѕР№. Бор, глубоко взволнованный, немедленно стал диктовать ответ. РћРЅ, однако, понимал, что дело РЅРµ столь просто. РћРЅ начинал СЃ логической линии, затем изменял СЃРІРѕР№ РїРѕРґС…РѕРґ Рё начинал СЃРЅРѕРІР°. РћРЅ РЅРµ РјРѕРі точно определить, РІ чем же была проблема. Р’С‹ понимаете, что РјС‹ хотим сказать? спрашивал РѕРЅ Леона Розенфельда (1904-1974), американского физика-теоретика, который РІ то время был его ассистентом. Ричард Фейнман (19181988), лауреат Нобелевской премии РїРѕ физике 1965 Рі. вместе СЃ Джулианом Швингером (19181994) Р·Р° метод особых расчетов, известный, как диаграммы Фейнмана, сказал РІ 1982 Рі. РїРѕ РїРѕРІРѕРґСѓ РРџР -парадокса: РљРѕРіРґР° СЏ РЅРµ РјРѕРіСѓ охарактеризовать истинную проблему, тогда СЏ считаю, что никакой истинной проблемы РЅРµ существует. Р’ настоящее время обсуждения этого парадокса проливает свет РЅР° определенные особенности квантово-механической интерпретации РїСЂРёСЂРѕРґС‹, которые РЅРµ были достаточно оценены РІ прошлом Рё которые были изучены благодаря использованию лазерного света, получив несомненные подтверждения результатов, следующих РёР· квантовой механики.

Р’ 1936 Рі. Рйнштейн вынужден был заменить своего любимца Р’. Майера. Оказалось, что РѕРЅ, как только прибыл РІ Р�нститут, РЅРµ постеснялся дистанцироваться РѕС‚ своего шефа. Р�С… сотрудничество выражалось лишь РІ РѕРґРЅРѕР№ работе, опубликованной РІ 1934 Рі., после которой интересы Майера обратились Рє чистой математике. Таким образом, Рйнштейн РІ 19361937 РіРі. РІР·СЏР» РґРІСѓС… новых ассистентов: Петера Бергмана (1915-2002) Рё Леопольда Р�нфельда (1893-1968). РћРЅ хотел, чтобы РѕРЅРё продолжали работать СЃ РЅРёРј Рё далее, РЅРѕ возникли административные трудности. Р’ конце концов должность Бергмана была утверждена, Р° Р�нфельда нет. Рйнштейн смирился СЃ этим, Р° Р�нфельд РІ течение лета 1937 Рі писал РєРЅРёРіСѓ. РљРѕРіРґР° эта РєРЅРёРіР°, Рволюция физики, вышла РІ 1938 Рі., РѕРЅР° принесла авторам больше чем те шестьсот долларов, которые Рйнштейн РїСЂРѕСЃРёР» для Р�нфельда РѕС‚ Р�нститута.

Совместная работа СЃ Натаном Розеном 1937 Рі. содержала решение его уравнений поля, которые описывали гравитационные волны. Знаменитая работа РІ соавторстве СЃ Р‘. Хофманом (19061986) Рё Р›. Р�нфельдом была посвящена выводу уравнения движения частиц РёР· уравнений гравитационного поля. Даже после своей отставки РІ 1945 Рі. Рйнштейн продолжал работать вплоть РґРѕ самой смерти. РћРЅ умер РІ возрасте 76 лет 18 апреля 1955 Рі.

Важной характеристикой отношения Рйнштейна Рє фундаментальным проблемам физики было то, что РѕРЅ задавался вопросами лишь РІ отношении обоснованности тех концепций Рё соотношений, которые рассматривались как истинные. Р’ этом отношении РѕРЅ был философом. Согласно его воззрениям, концепции являются свободными изобретениями Рё аксиомами Рё фундаментальные законы теории предположительны. Р�С… нельзя вывести индуктивно РёР· эксперимента или наблюдений. РЎ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, теория должна делать возможным выводы Рё предсказания, которые можно проверить экспериментом, Рё это определяет ее ценность. Р�так, наука требует трех РІРёРґРѕРІ человеческой активности: человеческой изобретательности, логико-математической дедукции, Р° также наблюдений Рё эксперимента. Согласно Рйнштейну, процесс создания развивается РЅРµ только опытом Рё предварительно существующими теориями, РЅРѕ также чувством структурной простоты Рё математической красоты.