Текст книги "Альберт Эйнштейн"

Автор книги: Сергей Иванов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 4 страниц) [доступный отрывок для чтения: 2 страниц]

Наследие Ньютона

Чтобы понять, что же такого революционного представляли идеи, выдвинутые в 1905 г., нужно вкратце вспомнить основные постулаты физики, существовавшие до конца XIX в. Схематично можно выделить два периода. Первый основан на физике Аристотеля и продолжался до Галилея, второй – физика Ньютона, основы которой восходят к учению Галилея.

Физика Аристотеля

По Аристотелю, Вселенная состоит из ряда концентрических хрустальных сфер, движущихся с разными скоростями. Они приводятся в движение крайней сферой неподвижных звезд; в центре Вселенной расположена шарообразная, также неподвижная Земля, вокруг которой по концентрическим окружностям вращаются планеты. Между орбитой Луны и центром Земли (так называемый подлунный мир) находится область беспорядочных неравномерных движений, а все тела в ней состоят из четырех низших элементов: земли, воды, воздуха и огня. Земля, как самый тяжелый элемент, занимает центральное место, над ней последовательно размещаются оболочки – вода, воздух, огонь. Между орбитой Луны и крайней сферой неподвижных звезд (так называемый надлунный мир) расположена область вечных равномерных движений, а сами звезды состоят из пятого элемента – эфира.

Физика и космология Аристотеля вплоть до XVII столетия были официально признаны католической церковью, и любое посягательство на эту теорию считалось подрывом устоев религии. На теории Аристотеля построил свою геоцентрическую гипотезу Птолемей. Согласно теории Птолемея, Вселенная состоит из восьми сфер, по структуре похожих на луковицу: в центре Земля, затем Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и, наконец, последняя сфера – небесный свод, где находятся звезды.

От Коперника до Галилея и Ньютона

В середине XVI в. Николай Коперник, польский астроном и одновременно, каноник собора во Фромборке (рыбачьем городке в устье Вислы), предложил отказаться от геоцентрической системы мира Птолемея в пользу гелиоцентрической системы, согласно которой в центре всего находится Солнце. Вслед за ним Галилей, продолживший борьбу за гелиоцентрическую систему мира, заложил основы экспериментальной физики и вывел принцип относительности, состоящий в том, что все механические процессы и явления протекают одинаково в инерциальных системах отчета.

В XVII в. английский физик и математик Исаак Ньютон вывел три закона, которые легли в основу классической механики. Первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета. Второй закон Ньютона – дифференциальный закон движения, описывающий взаимосвязь между силой, приложенной к материальной точке, и получающимся в результате ускорением точки. Третий закон Ньютона описывает, как взаимодействуют две материальные точки. Ньютон говорил о едином потоке времени, охватывающем все мироздание. Мы можем повествовать о событиях, происходящих одновременно в одно и то же мгновение во всем бесконечном пространстве.

Представление об одном и том же мгновении во всем мире, о последовательности таких общих для всего мира мгновений, т. е. об абсолютном времени, протекающем везде, и об одновременности отдаленных событий – одно из самых фундаментальных представлений классической физики.

Старое и новое

Классическая механика Ньютона оказалась верна лишь в земных и близких к ним условиях: при скоростях много меньше скорости света, а также размерах, значительно превышающих размеры атомов и молекул, и при расстояниях или условиях, когда скорость распространения гравитации можно считать бесконечной. Но ньютоновские понятия о движении оказались кардинально скорректированы новым, достаточно глубоким применением принципа относительности движения. Время уже не считалось абсолютным и равномерным. Более того, Эйнштейн изменил фундаментальные взгляды на время и пространство. Согласно теории относительности, время необходимо воспринимать как почти равноправную составляющую (координату) пространства-времени, участвующую в преобразованиях координат при изменении системы отсчета вместе с обычными пространственными координатами, подобно тому, как преобразуются все три пространственные координаты при повороте осей обычной трехмерной системы координат.

Основная деятельность Эйнштейна и главное содержание его жизни после появления специальной теории относительности заключались в поисках более общей теории. Эйнштейн считал искусственным выделение равномерно и прямолинейно движущихся систем из числа других. В равномерно и прямолинейно движущихся системах механические процессы происходят единообразно и не зависят от движения системы. В системах, движущихся с ускорением, механические процессы происходят не единообразно, они зависят от ускорения, ускорение вызывает в этих системах силы инерции, которые нельзя объяснить взаимодействием сил и которые свидетельствуют о движении системы, придавая этому движению абсолютный характер. Поэтому принцип относительности Галилея – Ньютона применим только к системам, движущимся прямолинейно и равномерно.

Специальная теория относительности утверждает: в инерциальных системах не только механические, но и все физические процессы происходят единообразно. Но дело по-прежнему ограничивается только инерциальными системами. Ускорение вызывает нарушение единообразного хода процессов в системе. Так демонстрируется абсолютный смысл: можно ли представить события в ускоренных системах не нарушающими принципа относительности, т. е. не дающими абсолютных критериев движения? Можно ли обобщить принцип относительности, полностью доказанный для инерциальных систем, на ускоренные системы?

Положительный ответ был подсказан одной закономерностью, известной ученым с XVII в. Все тела обладают инерцией, все они оказывают сопротивление воздействующим на них силовым полям. Мера сопротивления называется инертной массой тела. Далее, тела обладают как бы восприимчивостью по отношению к силовым полям; например, электрически заряженные тела восприимчивы к электрическим полям, на них в той или иной мере действуют электрические силы притяжения и отталкивания. Мера «восприимчивости» называется зарядом тела. В отношении электрических сил тела обладают восприимчивостью, т. е. зарядом, не пропорциональным массе. Тело может обладать большой массой и незначительным электрическим зарядом, и наоборот – тело, обладающее массой, может вообще не обладать электрическим зарядом.

Но есть поля, по отношению к которым восприимчивость тела всегда пропорциональна его массе. Это поля тяготения, гравитационные поля. Все тела в природе испытывают притяжение к другим телам. Во всех случаях «восприимчивость» тела к полю тяготения (ее можно назвать гравитационным зарядом или гравитационной массой) пропорциональна сопротивлению тела – его инертной массе. Чем массивнее тело, чем труднее изменить его скорость, чем больше его инертная масса, тем оно тяжелее, тем в большей степени на него действует притяжение к другому телу. Поэтому все тела независимо от их инертной массы испытывают одно и то же ускорение в данном гравитационном поле и падают вблизи поверхности Земли с одной и той же высоты с одной и той же скоростью (если не учитывать сопротивление воздуха).

Когда система тел приобретает ускорение, входящие в нее тела сопротивляются ускорению пропорционально их инертным массам. Это сопротивление выражается в толчке в сторону, противоположную ускорению системы. Такой толчок, иначе говоря, ускорение, направленное в сторону, противоположную ходу поезда, испытывают пассажиры, когда поезд ускоряет свой ход. Этот толчок приписывают силам инерции, пропорциональным инертной массе тела. Ускорение, вызванное гравитационным полем, пропорционально тяжелой массе. Поскольку те и другие массы пропорциональны, мы не сможем узнать, чем вызваны наблюдаемые ускорения тел, входящих в систему: ее ускорением или же полем тяготения.

Эйнштейн иллюстрировал указанную эквивалентность примером кабины лифта, движущейся с ускорением в пространстве, свободном от поля тяготения, и неподвижной кабины, находящейся в поле тяготения. «Представим себе, – писал Эйнштейн, – кабину лифта, неподвижную, подвешенную на канате в поле тяготения, например в поле тяготения Земли. В кабине стоят люди, они испытывают давление на свои подошвы и приписывают это давление своему весу. Теперь представим себе кабину, не испытывающую действия сил тяготения, но уносящуюся с ускорением, противоположным по направлению тем силам, которые действовали на кабину в первом случае. Ускорение кабины вызовет в ней процессы, не отличающиеся от процессов, вызванных в первом случае тяготением. Силы инерции прижмут к полу подошвы находящихся в кабине людей, натянут веревку, на которой подвешена гиря, и т. д.».

Никто не сможет сказать, что является причиной процессов, происходящих в кабине: ее ускоренное движение или действующие на нее силы тяготения. Этот пример иллюстрирует принцип эквивалентности (так Эйнштейн назвал неразличимость динамических эффектов ускорения и тяготения). Из принципа эквивалентности следует, что ускоренное движение не имеет абсолютного критерия: внутренние эффекты, вызванные ускорением, можно приписать тяготению.

Чтобы распространить на ускоренные движения сформулированную в 1905 г. специальную теорию относительности, нужно было показать, что за счет тяготения могут быть отнесены не только динамические эффекты движения, но и оптические явления. Речь идет о следующем. Представим себе, что кабину лифта пересекает поперечный луч света. Он входит в одно окошечко и выходит в другое. Если кабина движется с ускорением, луч сдвинется в сторону, обратную движению кабины. В случае если кабина неподвижна и находится в поле тяготения, то свет не сдвинется и продемонстрирует различие между физическими эффектами ускорения и тяготения и абсолютный характер ускоренного движения. Это произойдет, если свет не обладает гравитационной массой. Если же свет обладает гравитационной массой, иными словами, если он подвержен действию поля тяготения, то под действием этих сил он испытывает ускорение. Чтобы допустить такое ускорение, нужно отказаться от основного постулата специальной теории относительности – постоянства скорости света.

Эйнштейн сделал это. Он ограничил специальную теорию относительности (построенную на принципе постоянства скорости света) областями, где гравитационными силами можно пренебречь. Зато он распространил принцип относительности, лежащий в основе специальной теории, на все движущиеся системы. Вывод о тяжести света, о наличии у света гравитационной массы можно было проверить наблюдением.

Исходные идеи теории относительности были выведены из очень общих посылок – из пропорциональности инертной и тяжелой масс. В классической механике эта пропорциональность была необъяснимой особенностью гравитационных полей, ведь в случае других полей, например электрических, подобной пропорциональности не наблюдалось. Общая теория относительности включила ее в систему связанных друг с другом закономерностей, в единую схему мироздания. Тем самым картина мира приблизилась к «внутреннему совершенству». Такую же роль сыграла ликвидация произвольного для «классического идеала» ограничения относительности инерциальными системами. В части «внешнего оправдания» она столкнулась, сначала теоретически, а потом и реально, с новым фактом – тяжестью света. Этот факт означал, что не только механические, но и оптические процессы в движущихся с ускорением системах подчиняются принципу относительности. Отсюда следует, что обобщению подвергается не классический принцип относительности, а теория, предложенная Эйнштейном в 1905 г., что на все движения распространяются парадоксальные пространственно-временные соотношения.

Профессор

Наконец в 1907 г. Эйнштейн постепенно начал обретать известность. Летом того же года Макс Планк проводил отпуск в окрестностях Берна и решил навестить молодого физика, о чем и написал ему: «Я рад тому, что, возможно, в скором времени буду иметь радость познакомиться с вами, – и далее добавил: – Поскольку приверженцы теории относительности составляют столь узкий круг, им тем более необходимо быть в согласии друг с другом» [4, с. 21, 22]. Планк в некотором роде представлял собой центр этого круга.

По просьбе Иоганна Штарка Эйнштейн написал подробную статью о теории относительности. В конце 1907 г. молодой ученый решил получить место приват-доцента в Бернском университете и отправил статью о теории относительности в качестве вводной лекции, необходимой для вступления в должность. Но его не приняли. Эйнштейн предпринял вторую попытку в феврале 1908 г. и на этот раз получил работу в качестве внештатного преподавателя. В том же году его сестра Майя защитила диссертацию по романским языкам в том же Бернском университете.

У молодых супругов жизнь стала налаживаться, но Альберт хотел большего. Возможность представилась в 1909 г., когда в Университете Цюриха ввели должность доцента по теоретической физике. Совет университета отдавал предпочтение Фридриху Адлеру, другу Эйнштейна, но Адлер снял свою кандидатуру в пользу Альберта. Итак, 7 мая 1909 г. Эйнштейн был избран на эту должность в возрасте 30 лет.

В марте 1910 г. его сестра Майя вышла замуж за Поля Винтелера. В том же году у Альберта и Милевы родился второй сын, Эдуард, которого они всегда звали Теде. Он был нежным и добрым ребенком, с несомненным артистическим талантом. К несчастью, с самого детства у Теде обнаружились некоторые отклонения в поведении, а с 1929 г. он регулярно наблюдался в психиатрической клинике Бургольцли в Цюрихе.

В 1911 г. Эйнштейн получил должность профессора в Университете Карла-Фердинанда в Праге, где проработал только год в связи с тем, что в 1912 г. был назначен профессором Политехникума в Цюрихе.

Сольвеевские конгрессы

Конгрессы, начавшиеся по инициативе дальновидного бельгийского химика-технолога и одновременно богатого промышленника Эрнеста Сольве[3]3
  Эрнест Сольве разработал и внедрил новый промышленный способ получения соды. За финансовую помощь развитию науки был избран членом Прусской АН и награжден медалью Лейбница. В 1894 г. создал в Брюсселе Институт социологии, а в 1911-м организовал так называемый Сольвеевский конгресс. Впоследствии на эти конгрессы приезжали ученые разных стран, главным образом физики.


[Закрыть] и продолжавшиеся под эгидой основанного им Международного института физики, представляли собой уникальную возможность для физиков обсуждать фундаментальные проблемы, которые в различные периоды попадали в центр их внимания. В силу этого Сольвеевские конгрессы весьма значительно стимулировали современное развитие физики.

В 1911 г. Альберт Эйнштейн принял участие в I Сольвеевском конгрессе (Брюссель), посвященном теории излучения и квантам. Ему представилась возможность встретиться с крупнейшими физиками: Хендриком Лоренцом, Максом Планком, Анри Пуанкаре, Марией Кюри, Полем Ланжевеном, Жаном Перреном, Эрнестом Резерфордом.

Эйнштейн представил доклад «Современное состояние проблемы теплового излучения», в котором высказал предположение о квантовой структуре излучения. Следующий Сольвеевский конгресс был посвящен проблеме строения вещества. Самой важной новостью на нем стала информация об открытии дифракции рентгеновских лучей в кристаллах, сделанном немецким физиком Максом фон Лауэ в 1912 г.

Первая мировая война прервала научное общение ученых, и следующий Сольвеевский конгресс состоялся только в 1921 г. Он был посвящен теме «Атомы и электроны». На конгрессе американский физик Роберт Милликен доложил о продолжении систематических исследований фотоэлектрического эффекта, которые позднее принесли ему Нобелевскую премию.

Фундаментальный вклад в обоснование квантовой теории был сделан Альбертом Эйнштейном еще во время войны. Он показал, как планковская теория излучения может быть просто выведена на основе того же самого предположения, которое оказалось весьма плодотворным для объяснения спектральных закономерностей и нашло убедительное подтверждение в опытах Франка и Герца по возбуждению атомов электронной бомбардировкой. Остроумные формулировки Эйнштейна общих вероятностных законов для спонтанных радиационных переходов между стационарными состояниями, а также для переходов, индуцированных излучением, и в равной мере – его анализ сохранения энергии и импульса в процессах испускания и поглощения оказались основными для будущего развития квантовой теории.

В Берлине

Эйнштейн продолжал работу над обобщением теории относительности, но пока безуспешно. В 1913 г. Макс Планк и Вальтер Нернст делали все, чтобы переманить талантливого физика в Берлин, где ему предложили должность профессора университета. Он согласился не сразу: ему не хотелось покидать мирную атмосферу гостеприимного Цюриха и погружаться в берлинский мир раздора и высокомерия. После второго визита Планка и Нернста в Цюрих Эйнштейн наконец решился и в апреле 1914 г. переехал с семьей в Германию. Работа в Берлине позволяла с комфортом заниматься теоретической физикой, поскольку не требовала обязательного преподавания, тогда как, напротив, семейная жизнь Эйнштейнов дала трещину, а вскоре супруги и вовсе расстались – Милева с детьми вернулась в Цюрих.

Через полгода началась война. Швейцарское гражданство позволяло Эйнштейну находиться в стороне от милитаристской истерии, но он написал в автобиографическом эссе «Мое мировоззрение»: «Я глубоко презираю тех, кто может с удовольствием маршировать в строю под музыку, эти люди получили мозги по ошибке – им хватило бы и спинного мозга. Нужно, чтобы исчез этот позор цивилизации. Командный героизм, пути оглупления, отвратительный дух национализма – как я ненавижу все это. Какой гнусной и презренной представляется мне война. Я бы скорее дал разрезать себя на куски, чем участвовать в таком подлом деле. Вопреки всему я верю в человечество и убежден: все эти призраки исчезли бы давно, если бы школа и пресса не извращали здравый смысл народов в интересах политического и делового мира» [1, с. 52].

В августе он писал австрийскому физику Паулю Эренфесту: «В обезумевшей Европе творится нечто невероятное. Такое время показывает, к какой жалкой породе животных мы принадлежим. Я тихо продолжаю мирные исследования и размышления, но охвачен жалостью и отвращением» [1, с. 52].

Весь 1915 г. Эйнштейн интенсивно работал над обобщением теории относительности и наконец 25 ноября опубликовал окончательные уравнения гравитационного поля, а уже в следующем году появилась его статья о гравитационных волнах, которая легла в основу современной космологии.

Из общей теории относительности вытекает новое представление о Вселенной – новая космология. Эйнштейн рассматривал гравитационные поля различных тел как искривления пространства-времени в областях, окружающих эти тела. Тела, находящиеся на земной поверхности, вызывают небольшие искривления. Земля, искривляя пространство-время, заставляет Луну двигаться с ускорением. Солнце искривляет пространство-время, так что мировые линии планет кривые. Но помимо этого, быть может, мировое пространство в целом отличается определенной кривизной?

Смысл понятия общей кривизны пространства можно пояснить аналогией с общей кривизной некоторого двумерного пространства, например с поверхностью нашей Земли. Путешествуя по этой поверхности, мы встречаем отдельные искривления – пригорки, холмы, горы; но наряду с ними мы знаем о кривизне поверхности Земли в целом, о том, что все это двумерное пространство является сферической поверхностью. Теперь возьмем четырехмерное пространство-время, т. е. совокупность мировых линий всех тел природы. Эти мировые линии сильнее искривляются вблизи центров тяготения. Но не обладают ли они в целом некоторой общей кривизной? Предпримем, по аналогии с путешествием по поверхности земного шара, путешествие по всему мировому пространству. Мировая линия, изображающая наше путешествие, будет кривой на некоторых участках, там, где мы пересекаем гравитационные поля планет, звезд и т. д. Планета вызывает небольшое искривление мировой линии, звезда – большое. Путешествуя в мировом пространстве, мы попадаем в межгалактическую область, где тяготение незначительно и мировая линия выпрямляется. Затем она снова проходит через ряд четырехмерных пригорков и гор – новую галактику. Но существует ли здесь общая кривизна Вселенной в целом, аналогичная общей кривизне двумерной поверхности Земли? Двигаясь по кратчайшему пути между двумя точками поверхности Земли, т. е. по дуге меридиана или экватора, мы в конце концов опишем окружность и попадем в исходную точку. Соответственно, если мир в целом обладает кривизной, то мы вернемся в исходную мировую точку.

Параллельно Эйнштейн продолжил работу над квантовой теорией. В 1916 г. он открыл еще одну корпускулярную составляющую света (импульсное излучение кванта) и предсказал существование явления вынужденного излучения – физической основы работы любого лазера, созданного 40 лет спустя. В том же году Эйнштейн сменил Планка на посту председателя Немецкого физического общества. Император Вильгельм II назначил талантливого ученого в совет директоров Физико-технического института немецкого рейха.

В научных кругах Альберт Эйнштейн стал известен с 1914 г. Всемирное признание и слава пришли к нему в 1919 г., когда были представлены первые доказательства его теории отклонения света под воздействием гравитационного поля солнца. Это доказывало его общую теорию относительности и самое удивительное ее положение – искривление пространства-времени.

В 1919 г. состоялась специальная экспедиция Лондонского королевского общества. Целью было исследование предсказанного Эйнштейном искривления световых лучей солнечной массой и подтверждение общей теории относительности. 7 ноября того же года лондонская газета Times жирным шрифтом напечатала заголовок: «Научная революция. Новая теория Вселенной. Ньютон низложен». Революция, тем более удивительная для публики, что никто не знал толком, что же такое «общая теория относительности».

В этом же году Эйнштейн официально развелся с Милевой Марич, которой письменно обещал отдать все деньги за Нобелевскую премию. И действительно, он отдал ей 32 000 долларов, когда получил Нобелевскую премию в 1922 г. Милева очень тяжело переживала развод, длительное время находилась в депрессии и даже лечилась у психоаналитиков.

Через несколько месяцев после развода Эйнштейн женился на своей кузине Эльзе Левенталь, в девичестве Эйнштейн. Многие биографы утверждают, что связь Эйнштейна и его кузины началась с переписки еще в 1912 г., а спустя несколько лет, в 1917 г., когда из-за плохого питания в воюющей Германии Эйнштейн захворал и врачи диагностировали у него острую болезнь печени, Эльза решительно взяла на себя уход за ним.

Эльза была весьма привлекательная, еще довольно молодая женщина с мягкими манерами и большим чувством юмора, к тому же имевшая много общего с Альбертом по части мировоззрения и некоторых склонностей характера. У нее было две дочери от первого брака – Ильза и Марго. Эйнштейн их удочерил и находился с падчерицами в прекрасных отношениях.

В начале 1920-х гг. Эйнштейн уже пользовался такой широкой известностью, какой не имел ни один его коллега. Польский физик-теоретик Леопольд Инфельд высказал некоторые интересные соображения о причинах беспрецедентного роста популярности автора теории относительности: «Это произошло после окончания Первой мировой войны. Людям опротивели ненависть, убийства и международные интриги. Окопы, бомбы, убийства оставили горький привкус. Книг о войне не покупали и не читали. Каждый ждал эры мира и хотел забыть о войне. А это явление способно было захватить человеческую фантазию. С земли, покрытой могилами, взоры устремлялись к небу, усеянному звездами. Абстрактная мысль уводила человека вдаль от горестей повседневной жизни. Мистерия затмения Солнца и сила человеческого разума, романтическая декорация, несколько минут темноты, а затем картина изгибающихся лучей – все так отличалось от угнетающей действительности» [1, с. 62].

В те годы в берлинскую квартиру Эйнштейна постоянно приезжали гости со всего мира. Они хотели обсудить физические, математические, философские, моральные, религиозные вопросы или просто получить помощь. Эйнштейны – Альберт, Эльза, Ильза и Марго – занимали квартиру из девяти комнат. С ними жила и мать Эйнштейна Паулина, скончавшаяся впоследствии в 1920 г. Дом был расположен в сравнительно новом районе западной части Берлина. Этот район назывался Баварским кварталом по наименованию улиц, носивших баварские названия. Широкие, прямые перспективы, тенистые деревья и новые дома привлекали сюда зажиточные семьи. Дом, в котором жил Эйнштейн, был похож на тысячи других в Берлине. Здесь был маленький сад со статуей святого Георгия, попирающего дракона. Квартира изнутри представляла собой типичный уголок мелкобуржуазной Германии и была обставлена в соответствии со вкусами Эльзы. У Альберта была большая библиотека и кабинет, в котором он работал. В дальнейшем в 1929 г. Эйнштейны построили летний дом в Капуте около Потсдама, где и проживали до отъезда из Германии.