Помоги проекту - поделись книгой:
Альберт Эйнштейн
Автор-составитель Сергей Иванов
© Текст, ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2015
КоЛибри®
Введение
Когда мы произносим имя Эйнштейна, сразу всплывают воспоминания о школьном курсе физики и два малопонятных слова – «теория относительности». А перед глазами встает портрет доброго, улыбающегося дедушки с копной седых волос. Но в чем на самом деле заключается феномен Альберта Эйнштейна? Каким образом он смог стать олицетворением гения человечества XX в.?
Журнал
Автор знаменитой формулы
Когда Альберт Эйнштейн впервые встретился с Чарли Чаплином, он воскликнул: «Вы знамениты, потому что вас все понимают, а я знаменит, хотя меня никто не понимает». Невероятная известность Эйнштейна тем более удивительна, что большинство его работ предназначено узкому кругу специалистов – физиков-теоретиков. А может быть, он всем известен потому, что искал ответы на вопросы, которые задает себе любой житель планеты Земля: «Кто есть Бог?», «Зачем Он создал нас?», «Зачем существует мир?». Эйнштейн искал ответы как ученый, пытаясь проникнуть в тайны Вселенной с помощью квантовой физики.
Альберту Эйнштейну посвящены сотни биографий. Его творчество, жизнь и мысли подвергнуты самому тщательному анализу. В этой книге мы постараемся, не претендуя на оригинальность, просто рассказать о нем как о человеке.
Детство и учеба
Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 г. в семье немецких евреев, в городе Ульме королевства Вюртемберг, сейчас это часть Германии. Старинный Ульм, история которого начинается с IX в., когда-то был наиболее передовым и процветающим из городов Швабского союза. В XVI в. Ульм, уже ставший большой крепостью, участвовал в борьбе протестантских князей против католической церкви и императорской власти. Во времена Наполеоновских войн город стяжал известность благодаря происшедшему здесь разгрому австрийской армии Макка. Так и вышло, что на этой земле сочетались мелкобуржуазные швабские традиции и национализм с высокомерием и нетерпимостью пруссаков, которые постепенно просачивались в Вюртемберг.
Отец Альберта, Герман Эйнштейн, был спокойным и уравновешенным человеком. Он имел определенные способности к математике и в свое время хотел поступить в университет, однако, чтобы содержать семью, занялся коммерцией. Его жена Паулина, урожденная Кох, прекрасная пианистка, привила детям любовь к музыке, которую они пронесли через всю жизнь. Альберт играл на скрипке, а его младшая сестра Майя (род. 18 ноября 1881 г.) – на фортепиано. В семье царила либеральная атмосфера, религиозные проблемы не обсуждались.
В 1880 г. родители Альберта переселились в Мюнхен. Герман и его брат Якоб открыли здесь электротехническую мастерскую. Когда Альберту исполнилось 5 лет, семья перебралась на жительство в Зендлинг – предместье Мюнхена. Здесь Эйнштейны построили дом и небольшую фабрику, где изготовлялись динамо-машины, дуговые фонари и измерительные приборы. На постройку ушли остатки приданого Паулины.
Интерес к технике у Альберта проявился в 4 года, когда он впервые увидел стрелку компаса: малыш смотрел на нее как завороженный. Позднее его дядя Якоб в занимательной форме рассказал ему о математике.
Несмотря на то что Альберт интересовался алгеброй и геометрией, его отчислили из лицея Луитпольд, где, как и во многих немецких учебных заведениях, царила атмосфера строгой дисциплины.
В 1894 г. в поисках лучшей доли Эйнштейны переехали из Германии в Италию. В 1894 г. Герман и Якоб основали электротехническую фабрику в Милане, но она не приносила доходов. Тогда братья переехали в Павию, но и здесь их преследовали неудачи. В 1895 г. 16-летний Альберт Эйнштейн, находившийся в то время в Швейцарии, решил присоединиться к своей семье в Павии. Осенью он сдал экзамены в Федеральное высшее политехническое училище, но, несмотря на великолепные отметки по математике и физике, не выдержал экзаменов по современным языкам и истории, в связи с чем поступил в старший класс кантональной школы в Аарау. Он поселился у одного из своих преподавателей, Йоста Винтелера. Сестра Майя вспоминала, что Альберт считал этот период своей жизни не только весьма продуктивным, но и одним из самых счастливых. В Аарау поощрялись интеллектуальная независимость и самостоятельная работа. Здесь Альберт впервые влюбился – в Марию Винтелер, дочку преподавателя.
Первые шаги в физике
В 1896 г. Эйнштейн закончил школу и был без экзаменов принят на педагогический (а по сути, физико-математический) факультет Цюрихского политехникума, где готовили преподавателей физики и математики. Здесь Альберт учился с октября 1896 г. по август 1900 г. Эйнштейн записался на курсы математики и физики и на некоторые специальные курсы по философии, истории, экономике и литературе.
В то время в Цюрихе было много учащейся молодежи со всей Европы, среди них попадались и эмигранты-революционеры, такие как Роза Люксембург, Бенито Муссолини, Владимир Ульянов (Ленин) и другие. Во время учебы в Политехникуме Эйнштейн обрел близких друзей, Марселя Гроссмана и Конрада Хабича, и встретил свою будущую жену, революционерку Милеву Марич. Университетский профессор физики, Генрих Фридрих Вебер, не понравился Эйнштейну, поэтому он изучал физику самостоятельно, вместе с друзьями. Напротив, профессора математики, Адольф Гурвич и Герман Минковский, признанные европейские ученые, пришлись Альберту по душе. Минковскому мы обязаны четырехмерным понятием пространства-времени. Правда, Эйнштейн не очень активно посещал его занятия, и Минковский считал его нерадивым. В своей «Творческой автобиографии» Эйнштейн писал:
«К тому времени, когда я в возрасте 17 лет поступил в Цюрихский политехникум в качестве студента по физике и математике, я уже был немного знаком и с теоретической физикой. Там у меня были прекрасные преподаватели (например, Гурвич, Минковский), так что, собственно говоря, я мог бы получить солидное математическое образование. Я же большую часть времени работал в физической лаборатории, увлеченный непосредственным соприкосновением с опытом. Остальное время я использовал для того, чтобы дома изучать труды Кирхгофа, Гельмгольца, Герца и т. д. Причиной того, что я до некоторой степени пренебрегал математикой, было не только преобладание естественно-научных интересов над интересами математическими, но и следующее своеобразное чувство. Я видел, что математика делится на множество специальных областей, и каждая из них может занять всю отпущенную нам короткую жизнь. И я увидел себя в положении буриданова осла, который не может решить, какую же ему взять охапку сена. Дело было, очевидно, в том, что моя интуиция в области математики была недостаточно сильна, чтобы уверенно отличить основное и важное от остальной учености, без которой еще можно обойтись. Кроме того, и интерес к исследованию природы, несомненно, был сильнее; мне как студенту не было еще ясно, что доступ к более глубоким принципиальным проблемам в физике требует тончайших математических методов. Это стало мне выясняться лишь постепенно, после многих лет самостоятельной научной работы. Конечно, и физика была разделена на специальные области, и каждая из них могла поглотить короткую трудовую жизнь, так и не удовлетворив жажды более глубокого познания. Огромное количество недостаточно увязанных эмпирически фактов действовало и здесь подавляюще. Но здесь я скоро научился выискивать то, что может повести в глубину и отбрасывать все остальное, все то, что перегружает ум и отвлекает от существенного. Тут была, однако, та загвоздка, что для экзамена нужно было напихивать в себя – хочешь не хочешь – всю эту премудрость. Такое принуждение настолько меня запугивало, что целый год после сдачи окончательного экзамена всякое размышление о научных проблемах было для меня отравлено» [3, с. 76].[1]
Студентка Цюрихского политехникума сербка греко-католического вероисповедания Милева Марич была эмигранткой из Австро-Венгрии. Очень серьезная, молчаливая студентка не отличалась ни живостью ума, ни внешностью. Тем не менее Милева стала одной из первых женщин, принятых в Цюрихский политехникум. Она изучала физику, и с Эйнштейном ее сблизил интерес к трудам великих ученых. Ее загадочная улыбка, нежное лицо, ум и страсть к математике привлекли Эйнштейна. Очень быстро увлечение наукой превратилось в любовную связь.
Через год она ушла из Политехникума, чтобы провести следующие семестры в Университете Гейдельберга. Там она занималась на курсе профессора Филиппа Ленарда, пытавшегося обосновать кинетическую теорию газов, весьма заинтересовавшую Милеву. Эта теория позднее стала отправной точкой в работах Эйнштейна по броуновскому движению. В феврале 1898 г. он написал Милеве письмо, в котором убеждал вернуться в Политехникум, высоко оценивая научный уровень преподавания.
Средства у Эйнштейна были весьма скудные. Дела отца не улучшались, и Альберт ежемесячно получал по 100 франков от богатых генуэзских родственников, из них 20 откладывал: он решил принять швейцарское подданство, а на это нужны были деньги.
В 1900 г. Эйнштейн сдал экзамены и получил диплом Цюрихского политехникума. Отметки у него (по 6-балльной системе) были следующие:
• теоретическая физика – 5;
• физический практикум – 5;
• теория функций – 5,5;
• астрономия – 5;
• дипломная работа – 4,5;
• общий балл – 4,91.
Однако, несмотря на великолепные оценки и все свои усилия, молодой выпускник в отличие от своих друзей не получил желаемую должность ассистента. Можно предположить, что профессор физики Вебер сыграл здесь не последнюю роль. Пришлось искать работу вне Политехникума. Немного – сущие гроши – Эйнштейн зарабатывал вычислительной работой для Цюрихской федеральной обсерватории. Остальное время он ходил по городу в поисках постоянной службы, которую надеялся найти уже в новом качестве – гражданина Швейцарии.
В феврале 1901 г., отдав все свои сбережения, ответив на вопросы о здоровье и нравах дедушки и заверив власти об отсутствии наклонностей к алкоголю, Эйнштейн получил швейцарское подданство. В швейцарскую армию нового гражданина не взяли, поскольку у него нашли плоскостопие и расширение вен.
Альберт продолжал поиски работы, но по-прежнему безуспешно. Что касается Милевы, то она провалилась на экзамене в 1900 г. и следующий год также не смогла завершить успешно. Возможно, помешала беременность, о которой она узнала накануне испытаний. Родители Альберта были крайне недовольны связью сына и сербской революционерки, которая не была еврейкой и к тому же хромала. Не такую спутницу жизни желали они своему ребенку. Родителям Эйнштейн заявил, что Милева стала его женой еще до официального вступления в брак, но Герман и Паулина были настолько шокированы этим известием, что разрешения на женитьбу сыну не дали.
Начало научной деятельности
В начале 1901 г. положение молодой семьи оставалось неопределенным. Отсутствие работы у Альберта не мешало им с женой страстно предаваться любимому занятию – физике. В это время Эйнштейн, ставший швейцарским гражданином, опубликовал первую статью – о явлении капиллярности. Несмотря на все трудности, о Швейцарии он всегда вспоминал как о «самом прекрасном уголке Земли». В свои 22 года он все свободное время посвящал исследованиям, впоследствии прославившим его.
В поисках работы он написал голландскому физику Хейке Камерлингу-Оннесу (тот первым сумел получить жидкий гелий и открыл явление сверхпроводимости) в Лейден, но не получил ответа. Между тем Милева вернулась к своим родителям в Сербию. Эйнштейн писал ей, что ему «пришла в голову идея о молекулярных связях». На этот же период приходится и начало его работы над теорией относительности. Электродинамика движущихся тел весьма занимала молодого ученого, но не только она. Он интересовался кинетической теорией газов и жидкостей, а также природой света.
Статья Филиппа Ленарда, вышедшая в 1901 г., о воздействии ультрафиолета на катодные лучи произвела на Альберта сильное впечатление. Эйнштейн с увлечением занялся теорией молекулярных сил, термоэлектричеством, физической и даже органической химией. Знания, полученные в Политехникуме, охватывали многие области науки. Он очень рано прочел труды Германа Гельмгольца, Густава Кирхгофа, Генриха Герца, Пауля Друде, Макса Планка, Хендрика Лоренца, Анри Пуанкаре, Людвига Больцмана, Эрнста Маха, Фридриха Оствальда. Из этих книг Эйнштейн узнал об актуальных проблемах физики, о различных взглядах ученых на одни и те же проблемы. Например, Больцман был убежденным атомистом и одним из первых авторов теории, основанной на атомарном строении материи. Мах и Оствальд – яростными противниками атомистики. Осмысливая все это, Эйнштейн имел возможность выработать свою точку зрения на физические явления и сформулировать собственные теории.
В январе 1902 г. Милева родила дочь Лизерль. Эйнштейн, находившийся в это время в Берне, писал жене: «Я уже так люблю ее, хотя пока еще не знаю!» Но… Альберт предложил в «связи с материальными трудностями» отдать младенца на удочерение в богатую бездетную семью родственников Милевы. Дальнейшая судьба девочки неизвестна. По одним сведениям, она оказалась в детском приюте, по другим – у опекунов. Большинство исследователей уверены, что она умерла в двухлетнем возрасте от скарлатины в семье своей матери. Даже сегодня, когда опубликовано множество архивных материалов, об этом ребенке никто не знает правды.
Финансовое положение оставалось напряженным, хотя постепенно у Альберта появилось несколько временных должностей в разных лицеях. В апреле 1902 г. он писал Гроссману: «Милый Марсель! Когда я вчера нашел твое письмо, оно меня тронуло верностью и человеколюбием, заставившими тебя не забыть старого неудачливого друга. Нелегко было бы найти лучших друзей, чем ты… Не стоит даже говорить, как был бы я счастлив, если бы мне удалось приобрести такой круг деятельности; я приложил бы все старания, чтобы с честью оправдать данные мне рекомендации. Уже три недели нахожусь у родителей, чтобы отсюда добиться места ассистента при каком-нибудь университете. Давно я бы добился места, если бы Вебер не интриговал против меня. Но, невзирая на это, не пропускаю ни одной возможности и не теряю юмора… Бог сотворил осла и дал ему толстую кожу. Сейчас у нас прелестнейшая весна, и весь мир глядит на тебя с такой счастливой улыбкой, что поневоле отбрасываешь всякую хандру. Кроме того, музыкальные встречи оберегают меня от скисания. В отношении науки – задумано несколько прекрасных идей, но их еще следует высиживать…» [4, с. 15].
Наконец благодаря отцу Марселя Гроссмана в июне 1902 г. Эйнштейн получил место технического эксперта 3-го класса в Патентном бюро города Берна. 6 января 1903 г., после смерти отца, он женился на Милеве. В Берне молодожены вели научный образ жизни, обсуждали проблемы философии и физики со своими друзьями – Мишелем Бессо и его женой, Морисом Соловиным и Конрадом Хабичем. Работа в патентном ведомстве не мешала Эйнштейну заниматься теоретической физикой. В 1904 г. Милева родила ему сына, которого назвали Гансом.
Удивительный год
Самый удивительный год в жизни Эйнштейна – 1905-й. Из шести опубликованных им статей четыре стали известны во всем мире. В начале года он написал другу Конраду Хабичу: «Я обещаю тебе четыре статьи, первая из которых весьма революционна» [4, с. 21]. Написанная в марте 1905 г., эта первая статья вышла 9 июня 1905 г. Она называлась «Эвристическая точка зрения, касающаяся генерации и трансформации света». В ней Эйнштейн впервые выдвинул теорию о квантовой природе энергии. Он сформулировал невероятное предположение, что и волны имеют квантовую структуру. Так родилась квантовая физика.
Эйнштейн был не первым, кто заговорил о квантах. За пять лет до него, в 1900 г., понятие кванта (или элемента) энергии ввел Макс Планк. Но для него это было всего лишь техническим приемом. Кванты энергии не рассматривались в его системе как физическая реальность, а использовались как некая «промежуточная» условность, помогающая теоретическим рассуждениям, но выпадающая из окончательного результата. О мелких частичках света говорил еще Ньютон, но и в начале XX в. физики не располагали никакими экспериментальными данными, позволяющими верить в их объективное существование. К тому же все оптические явления прекрасно описывались теорией электромагнитных волн, опирающейся на общие уравнения электромагнетизма Максвелла.
В начале 1905 г. Эйнштейн задался вопросом, не приходившим тогда в голову ни теоретикам, ни экспериментаторам: почему материя атомарна (т. е. дискретна), а свет непрерывен? Конфликт непрерывности и дискретности проступает особенно остро, если свет и атомы взаимодействуют, – когда, например, атомы излучают или поглощают свет. Эта ситуация, глубоко прочувствованная и продуманная Эйнштейном, подсказала ему новый неожиданный подход к физической природе света. Он сформулировал его так: когда луч света распространяется в пространстве от точки к точке, его энергия не распределяется непрерывно по возрастающему объему пространства; напротив, она состоит из конечного числа квантов энергии, каждый из которых движется как целое без дробления и затем поглощается (атомом) тоже целиком как некое неделимое целое.
Следующая статья – «Новый метод определения размеров молекул» – была готова в апреле и стала основой диссертации Альберта Эйнштейна. Третья статья посвящалась броуновскому движению, т. е. макроскопическому подтверждению существования атомов. Она была напечатана в журнале «Анналы физики»[2] 11 мая и называлась «О движении малых частиц, взвешенных в стационарных жидкостях, требуемом молекулярно-кинетической теории теплоты». Эта статья была дополнена в декабре 1905 г., но опубликована только в 1906 г., с приложением о статистической теории броуновского движения.
Явление движения частиц взвеси (цветочной пыльцы и т. п.) в воде оставалось загадкой с 1820-х гг., когда оно было открыто ботаником Робертом Броуном (или, точнее, Брауном). Эйнштейн первым разгадал природу этого движения: случайные блуждания взвешенных частиц – проявление хаотического теплового движения молекул жидкости. Многократные случайные толчки молекул заставляют частицы перемещаться в беспрерывном неупорядоченном танце. При таком понимании частицы цветочной пыльцы служат «увеличительным стеклом», позволяющим взглянуть на мир движущихся атомов и молекул.
Главный результат теории Эйнштейна – статистический закон перемещения броуновской частицы: расстояние частицы от исходной точки пропорционально корню квадратному из времени, затраченного на перемещение. Этот закон случайных блужданий был выведен молодым ученым из кинетической теории газа (примененной к частицам взвеси) и гидродинамики (примененной к движению частиц в вязкой жидкости). В качестве множителя между смещением частицы и корнем квадратным из времени в этот закон входит комбинация размера взвешенных частиц, коэффициента вязкости жидкости и ее температуры (умноженной на постоянную Больцмана). Тем самым соотношение Эйнштейна устанавливало прямую связь между случайным смещением одной макроскопической частицы и хаотическим тепловым движением огромного множества микроскопических частиц жидкости. В 1908 г. это соотношение было проверено и полностью подтверждено в лабораторных опытах Жана Перрена в Сорбонне. Работы Эйнштейна по броуновскому движению завершили целую эпоху в физике – эпоху становления атомизма. Теорией Эйнштейна и опытами Перрена вопрос о реальности атомов был полностью и окончательно решен.
Четвертая статья, «К электродинамике движущихся тел», наиболее известна в научном сообществе, поскольку она специально посвящена теории относительности. Впервые в истории физической науки, восходящей к Галилею и Ньютону, фундаментальные основы физики ставились под сомнение. Теория Эйнштейна основывалась на двух постулатах: первый – принцип относительности, выдвинутый Галилеем, согласно которому все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Второй – гипотеза о постоянстве скорости света. Проблема в том, что соединение этих двух постулатов приходит в противоречие с классической механикой, применяемой в течение столетий.
Летом 1905 г. Эйнштейн писал Хабичу: «Принцип относительности, связанный с фундаментальными уравнениями Максвелла, приводит к тому, что масса тела есть мера содержания энергии в этом теле…» [4, с. 51]. Через три месяца Эйнштейн представил в «Анналы физики» пятую статью под названием «Зависит ли инерция тела от содержащейся в ней энергии?». В этой статье, ставшей фундаментальной для науки XX в., показано: если тело освобождает некоторое количество энергии
В мае 1906 г. Эйнштейн возвратился к этой теме и опубликовал вторую статью о гравитации. Во вступительной части он фактически признал приоритет Пуанкаре: «Мы показали, что изменение энергии должно соответствовать эквивалентному изменению массы на величину, равную изменению энергии деленному на квадрат скорости света… Несмотря на то что простое формальное рассмотрение, которое должно быть приведено для доказательства этого утверждения, в основном содержится в работе А. Пуанкаре (1900 г.), мы из соображений наглядности не будем основываться на этой работе» [4, с. 52]. Заслуга Эйнштейна в том, что этот закон, первоначально выведенный лишь для лучистой энергии, он обосновал для всех форм энергии, и это дает полное основание называть знаменитое соотношение его именем.
Эйнштейн заканчивает статью рассуждением, что принцип сохранения массы – часть принципа закона сохранения энергии. Профессор Минковский, преподававший Эйнштейну математику в Политехникуме, обратил внимание на его статью и на одном из семинаров, к большому удивлению собравшихся, воскликнул: «Ах, этот Эйнштейн, всегда пропускавший лекции; я бы никогда не поверил, что он способен на такое!» Новое воззрение на пространство и время, сформулированное в работе Эйнштейна, требовало, по мнению Минковского, существенной доработки в смысле математического оформления. Своим студентам он говорил: «Эйнштейн излагает свою глубокую теорию с математической точки зрения неуклюже – я имею право так говорить, поскольку свое математическое образование он получал в Цюрихе у меня».
30 апреля 1905 г. Эйнштейн направил в Университет Цюриха текст докторской диссертации на тему «Новое определение размеров молекул». Рецензентами были профессора Кляйнер и Буркхард. 15 января 1906 г. он получил степень доктора наук по физике.
Можно предположить, что появление всех этих материалов вызовет настоящий взрыв в мире физики, но это не так. Позднее Майя Эйнштейн написала в воспоминаниях о брате: «Молодой ученый думал, что публикации в таком известном журнале немедленно привлекут всеобщее внимание. Он был весьма разочарован. Публикация его статей была встречена ледяным молчанием. В последующих номерах журнала не было никаких упоминаний. Профессиональное сообщество ограничилось ожиданием. Некоторое время спустя Эйнштейн получил письмо из Берлина от известного профессора Планка, который просил разъяснений некоторых неясных моментов. После длительного ожидания это было первое указание на то, что его статьи прочитали. Молодой ученый был бесконечно рад тому, что признание его работ получено от одного из самых известных физиков того времени» [4, с. 21].
Многие исследователи биографии Эйнштейна отмечают вклад его жены Милевы в научную деятельность мужа.
В 1907 г. Эйнштейн продолжил работу над принципом эквивалентности энергии и в новой статье написал: «По отношению к энергии масса
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
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] 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.
Поделиться книгой: