T.Redzhe "Etyudy o Vselennoi", Mir/NiT<< 4.2. Dzheims Klark Maksvell | Oglavlenie | 4.4. Kurt Gedel' >>
4.3. Al'bert Einshtein
Esli dlya N'yutona 1666 g. byl godom isklyuchitel'nym, to dlya Al'berta Einshteina takim byl 1905 g., kogda neizvestnyi v to vremya sluzhashii patentnogo byuro v Berne men'she chem za vosem' nedel' opublikoval tri fundamental'nye raboty, kotorye legli v osnovu sovremennoi fiziki.
Al'bert Einshtein rodilsya 14 marta 1879 g. v g. Ul'me, zemlya Baden-Vyurtenberg. Vskore ego roditeli pereezzhayut v Myunhen, zemlya Bavariya, gde Einshtein provel detstvo i poseshal shkolu do chetyrnadcati let. Kogda Einshteinu ispolnyaetsya pyatnadcat', on edet v Shveicariyu, gde v techenie goda poseshaet gimnaziyu i zakanchivaet srednyuyu shkolu. V dal'neishem Einshtein prodolzhaet uchebu v Cyurihskom politehnikume, gde odnim iz ego uchitelei byl Minkovskii. V etot period on provodit neskol'ko mesyacev v Milane, kuda ego privez otec, neudachlivyi predprinimatel'. Nakonec, s 1902 g. Einshtein zhivet v Berne i rabotaet ekspertom patentnogo byuro. Zdes' on odnovremenno s rabotoi gotovilsya k zashite dissertacii, sostoyavsheisya v 1905 g.
Etot god okazalsya perelomnym dlya Einshteina i sovremennoi fiziki; v techenie korotkogo promezhutka vremeni on opublikoval svoi fundamental'nye raboty po molekulyarnoi fizike (o brounovskom dvizhenii), po teorii otnositel'nosti i o fotoelektricheskom effekte. Stav uzhe izvestnym, Einshtein poluchaet v 1909 g. predlozhenie (i prinimaet ego) zanyat' kafedru v Cyurihskom universitete; v 1911 g. on pereezzhaet v Pragu, a v 1912 g. snova vozvrashaetsya v Cyurihskii politehnikum. V 1914 g. Einshtein priglashen v Berlin v kachestve preemnika Van't Hoffa v Prusskoi Akademii nauk, a takzhe v kachestve direktora Instituta fiziki. V 1916 g., nakonec, sformulirovana obshaya teoriya otnositel'nosti; eta isklyuchitel'no original'naya teoriya poluchila blestyashee podtverzhdenie vo vremya polnogo zatmeniya Solnca v 1919 g., kogda bylo obnaruzheno otklonenie svetovyh luchei, idushih ot zvezd, pod deistviem gravitacionnogo polya Solnca, prichem imenno takoe otklonenie, kakoe predskazal Einshtein. Prihod Gitlera k vlasti v Germanii vynudil Einshteina pereehat' v Prinston, SShA. V 1955 g., nahodyas' v zenite slavy, Einshtein skonchalsya, ne zakonchiv rabotu nad odnim iz poslednih variantov teorii, kotoraya dolzhna byla ob'edinit' elektromagnitnye i gravitacionnye yavleniya.
Dlya pravil'noi ocenki deyatel'nosti Einshteina, razumeetsya, nel'zya ogranichivat'sya prostym perechisleniem dat iz zhizni i akademicheskih titulov uchenogo, tak zhe kak nel'zya opirat'sya na ogromnoe kolichestvo ustnyh rasskazov i anekdotov ob Einshteine. Poetomu my ostanovimsya, pust' dazhe poverhnostno, na osnovnyh etapah toi chasti ego deyatel'nosti, kotoraya imeet otnoshenie k razvitiyu sovremennoi fiziki.
Pervaya rabota Einshteina, kotoruyu my neodnokratno upominali, posvyashena fotoelektricheskomu effektu. Chtoby ponyat' vsyu ee vazhnost', sleduet vernut'sya na neskol'ko soten let v proshloe. V 18 v. shirokoe rasprostranenie imela teoriya, podderzhivaemaya avtoritetom N'yutona. Soglasno etoi teorii, svet sostoyal iz mel'chaishih chastic (korpuskul), ispuskaemyh svetyashimisya ob'ektami. Volnovaya teoriya, predlozhennaya Gyuigensom v 1690 g., imela ochen' malo priverzhencev, sredi kotoryh byl matematik Eiler. V nachale 19 v. Yung, a vposledstvii i Frenel' obnaruzhili, chto dva svetovyh lucha mogut pri opredelennyh usloviyah skladyvat'sya i vzaimno unichtozhat'sya, prichem eti effekty chereduyutsya. Takoe yavlenie sovershenno neponyatno s tochki zreniya korpuskulyarnoi teorii N'yutona, no vpolne estestvenno, esli svet imeet volnovuyu prirodu. Chto svet predstavlyaet soboi yavlenie elektromagnitnoe, bylo pokazano v rabotah Maksvella (1864 g.). Odnako, hotya uravneniya Maksvella prevoshodno opisyvayut vsevozmozhnye varianty rasprostraneniya svetovyh voln, oni sovershenno ne sposobny, kak ni stranno, ob'yasnit' yavleniya izlucheniya i poglosheniya sveta.
Osobenno tainstvennym kazalsya vo vremena Einshteina tak nazyvaemyi fotoelektricheskii effekt, otkrytyi Gercem v 1887 g. Ul'trafioletovoe izluchenie, padayushee na metallicheskuyu poverhnost' v pustote, mozhet pogloshat'sya atomami metalla; izluchenie, peredavaya energiyu elektronam, vybivaet ih iz metalla. Svet predstavlyaet soboi bystro koleblyushiesya elektricheskie i magnitnye polya, kak raz i vyzyvayushie vyhod elektronov iz metalla. Kazalos' by, uvelichenie intensivnosti sveta dolzhno privesti k uvelicheniyu srednei energii elektronov. Odnako, kak ni stranno, vyletayushie elektrony vse imeyut odinakovuyu energiyu, hotya ih chislo uvelichivaetsya.
Dlya ob'yasneniya etogo yavleniya Einshtein vydvinul gipotezu kvantov sveta (nazvannyh vposledstvii fotonami), soglasno kotoroi svetovoe izluchenie sushestvuet v vide kvantov, energiya kotoryh prinimaet diskretnye znacheniya hν, gde h – postoyannaya Planka, a ν – chastota sveta.
Esli atom pogloshaet foton, to energiya poslednego idet na preodolenie nekotorogo zadannogo energeticheskogo bar'era (energii svyazi), chtoby otorvat' elektron ot atoma, i na soobshenie emu energii dlya vyleta iz metalla. Sledovatel'no, energiya vyletevshego elektrona zavisit tol'ko ot chastoty padayushego izlucheniya.
Soglasit'sya s sushestvovaniem fotona oznachalo vozvratit'sya k diskreditirovannoi korpuskulyarnoi teorii N'yutona, i poetomu rabota Einshteina byla vosprinyata kraine sderzhanno. Miliken vposledstvii vspominal, chto on "v 1915 g. byl vynuzhden polnost'yu priznat' (na osnove eksperimenta) spravedlivost' vyvoda Einshteina, nesmotrya na kazhushuyusya ego nerazumnost', svyazannuyu s tem, chto on, kazalos' by, oprovergal vse, chto my znali o volnovoi prirode sveta". Pochti vosemnadcat' let, nesmotrya na svoi uspeh, Einshtein byl edinstvennym, kto deistvitel'no schital gipotezu fotona spravedlivoi; polemika na etu temu nakonec prekratilas', kogda v 1923 g. byl otkryt effekt Komptona, sostoyashii v tom, chto foton stalkivaetsya s elektronom i soobshaet emu energiyu otdachi (tochno tak zhe, kak pri stolknovenii bil'yardnyh sharov). Gipoteza kvantov sveta okazalas' reshayushei dlya postroeniya kvantovoi mehaniki, i, hotya Einshtein ne byl odnim iz ee neposredstvennyh sozdatelei, ego mozhno schitat' ih predshestvennikom.
Svidetel'stvom porazitel'noi tvorcheskoi aktivnosti Einshteina yavilos' poyavlenie vsego cherez neskol'ko nedel' posle opublikovaniya pervoi raboty novoi, posvyashennoi brounovskomu dvizheniyu. V 1828 g. angliiskii biolog Robert Broun sobiral pyl'cu razlichnyh rastenii, kotoruyu on hranil v ampulah v vide zhidkoi suspenzii. Pod mikroskopom zernyshki kazalis' podverzhennymi nepreryvnomu i dlivshemusya beskonechno deistviyu kakoi-to besporyadochnoi sily. Predlagalis' razlichnye ob'yasneniya etogo yavleniya, v tom chisle osnovannye na predstavlenii o "zhivoi" vode!
Rastitel'noe proishozhdenie pyl'cy ne imeet nikakogo otnosheniya k prirode opisannogo yavleniya. Einshtein v svoei rabote kolichestvenno pokazal, chto v osnove brounovskogo dvizheniya lezhat nepreryvnye stolknoveniya atomov zhidkosti s zernyshkami pyl'cy. Drozhanie, zamechennoe Brounom, yavlyalos' svidetel'stvom atomnoi struktury veshestva i besporyadochnogo dvizheniya atomov, predvoshishennogo Maksvellom. Rabota Einshteina zapozdala dlya spaseniya Bol'cmana, moral'no iskalechennogo zhestkoi oppoziciei shkoly Ostval'da i Maha; tem ne menee ona oznamenovala soboi okonchatel'noe priznanie sushestvovaniya atomov, kotoroe nam uzhe kazhetsya ochevidnym faktom. Trudno sebe predstavit', chto v konce proshlogo veka nekotorye ves'ma avtoritetnye fizicheskie shkoly vse eshe otricali etot fakt.
Rabota, posvyashennaya brounovskomu dvizheniyu, predstavlyaet soboi prodolzhenie predydushei i, po sushestvu, tesno svyazana s fotoelektricheskim effektom. V osnove oboih yavlenii lezhit teoriya fluktuacii. Esli, naprimer, podvesit' v polosti, zapolnennoi izlucheniem, zerkal'ce, to ono podvergnetsya nepreryvnym udaram fotonov, i ego povedenie takzhe budet ochen' pohozhe na drozhanie granul pyl'cy Brouna. Na shodstvo etih yavlenii obratil vnimanie odin Einshtein.
Tret'ya rabota Einshteina uvidela svet vse v tom zhe prorocheskom 1905 g., i ona vozvestila o rozhdenii teorii otnositel'nosti. My uzhe obsuzhdali osnovy etoi teorii. Zdes' mne hotelos' by napomnit', chto govoril odin iz pervyh tolkovatelei pisem Einshteina epistolog (no i fizik takzhe) Dzheral'd Holton. Po ego slovam, Einshtein neobychaino tonko i yasno ulavlival analogii mezhdu fizicheskimi yavleniyami, kazavshimisya sovershenno raznymi, i predstavlyal te nesovershenstva ili asimmetrii, kotorye voznikali, kogda eti analogii ne soblyudalis' do konca.
Stolknuvshis' s nesovershenstvom teorii, Einshtein snachala analiziroval ee nedostatki, zatem privlekal dlya ih ustraneniya kakie-to novye obshie principy i zakanchival rabotu, obrashaya vnimanie na nekotorye eksperimental'no nablyudaemye effekty, kotorye sledovali iz etih principov.
Pri sozdanii teorii otnositel'nosti nepriyatnost' zaklyuchalas' v sushestvovanii vydelennyh sistem otscheta, pokoyashihsya otnositel'no efira, v kotoryh skorost' rasprostraneniya sveta v lyubuyu storonu byla ravna 300000 km/s. V drugih sistemah otscheta skorost' dvizheniya otnositel'no vydelennyh dolzhna byla zaviset' ot napravleniya dvizheniya, chto neizbezhno sledovalo iz zakona slozheniya skorostei Galileya.
Einshtein ochen' chetko predstavlyal sebe, chto simmetriya mezhdu razlichnymi nablyudatelyami, dazhe nahodyashimisya v otnositel'nom dvizhenii, igraet principial'nuyu rol', gorazdo bolee vazhnuyu, chem zakon slozheniya skorostei, kotoryi mozhet byt' sootvetstvuyushim udobnym sposobom vidoizmenen. Dlya podavlyayushego bol'shinstva sovremennikov Einshteina spravedlivym bylo obratnoe utverzhdenie.
Na samom dele svet pri presledovanii dolzhen byl vse vremya uhodit' s neizmennoi skorost'yu, kotoraya stanovilas' takim obrazom universal'noi postoyannoi, prichem odnoi iz vazhneishih v fizike. S pomosh'yu prostyh intuitivnyh rassuzhdenii, ne trebovavshih privlecheniya slozhnoi matematiki (ne vyhodya za ramki deistvii s kvadratnymi uravneniyami i prostogo differencirovaniya), Einshtein razvyazal uzel slozhnyh anomalii i paradoksov, zatemnyavshih teoriyu elektromagnitnogo polya.
Inogda utverzhdayut, chto do Einshteina teoriyu otnositel'nosti otkryli Lorenc i Puankare; ya ohotno ustupayu pravo diskussii na etu interesnuyu temu istorikam nauki. Lichno ya skazal by, chto v rabote 1905 g. teoriya predstaet pered nami vo vsem svoem velikolepii i otkryvaet takie novye gorizonty fiziki, kakie dazhe ne prosmatrivayutsya v rabotah Lorenca. Rech', nakonec, idet o novom nauchnom metode, nashedshem primenenie pri issledovanii lyubyh fizicheskih yavlenii, a ne tol'ko elektromagnitnyh.
V tom zhe godu Einshtein opublikoval nebol'shuyu rabotu, v kotoroi na osnove vsego neskol'kih ishodnyh predpolozhenii prishel k vyvodu ob ekvivalentnosti massy i energii, vyrazhaemoi teper' uzhe znamenitoi formuloi E = mc2. Mezhdu tem nauchnaya obshestvennost' nachinala interesovat'sya deyatel'nost'yu Einshteina, ne proyavlyaya, pravda, togo edinodushiya, kotorogo mozhno bylo by ozhidat'. Kaufmann provel v 1906 g. nekotorye opyty s cel'yu proverki teorii, nazyvaemoi im teoriei Lorenca-Einshteina, i v konce togo zhe goda zayavil, chto otsutstvie opredelennyh rezul'tatov v pol'zu teorii yasno ukazyvaet na protivorechie dannoi teorii s eksperimentom. Eto byli poslednie pechal'no znamenitye slova, vyskazannye v takom duhe!
Odnako nekotorye iz "velikih" (sredi nih byl Plank) soznavali isklyuchitel'nuyu vazhnost' etih rabot Einshteina, i on bystro obrel izvestnost' v nauchnom mire.
Za 1905 g. posledovali gody tyazheloi bor'by, kotoruyu Einshtein, po sushestvu, vynuzhden byl vesti v dvuh napravleniyah. Vo-pervyh, kak my uzhe upominali, emu prihodilos' otstaivat' svoe predstavlenie o fotone.
Vtoroe napravlenie bor'by bylo svyazano s sozdaniem obshei teorii otnositel'nosti, sleduyushei estestvennym obrazom iz special'noi teorii otnositel'nosti pri rassmotrenii gravitacionnyh polei. Podobnye popytki razvitiya teorii predprinimalis' takzhe Nordstremom i drugimi sovremennikami Einshteina. Rabota po postroeniyu etoi teorii otvlekala uchenyh ot debatov, zahvativshih ves' mir fizikov posle sozdaniya modeli atoma Borom.
Nakonec, posle neskol'kih neudachnyh popytok uvidel svet okonchatel'nyi variant teorii 1916 g., oboznachavshii novuyu vehu v nauke i kul'ture nashego stoletiya.
V etoi teorii na sovremennom matematicheskom yazyke utverzhdayutsya nekotorye prostye fizicheskie principy (kak, naprimer, princip ekvivalentnosti), imeyushie v to zhe vremya poistine revolyucionnoe znachenie.
Kak bylo pokazano v etoi rabote, prisutstvie veshestva opredelyaet geometriyu prostranstva takim zhe obrazom, kak geometricheskie svoistva prostranstva opredelyayut dvizhenie veshestva v nem.
Legko vyskazat' privedennye slova, no gorazdo trudnee vyrazit' ih na praktike s pomosh'yu sootvetstvuyushih uravnenii polya; dlya etoi deyatel'nosti Einshteina ochen' poleznym okazalos' sotrudnichestvo s matematikom Marselem Grossmanom.
V 1917 g. Karl Shvarcshil'd poluchil reshenie uravnenii polya Einshteina dlya massivnogo tela, imeyushego sfericheskuyu simmetriyu. Pri etom on obobshil potencial N'yutona i zalozhil osnovy teorii chernyh dyr.
Stol' zhe znamenatelen interes Einshteina k kosmologii. V opublikovannoi v 1917 g. stat'e on predlozhil model' Vselennoi, v kotoroi vpervye upominalsya kosmologicheskii princip. V to vremya iz nablyudenii malo chto bylo izvestno o Vselennoi; v chastnosti, mnogie schitali, sleduya Shepli, chto sushestvuet odna-edinstvennaya Galaktika, nasha, i. chto vse ostal'noe – eto tumannosti, soderzhashiesya v nei. Ne prinimalos' vo vnimanie, chto mezhzvezdnaya pyl' pogloshaet izluchenie, i poetomu razmery Galaktiki kazalis' znachitel'no bol'she deistvitel'nyh: ocenki radiusa Galaktiki byli zavysheny primerno na 300000 svetovyh let.
V konce koncov vvedenie v stroi bol'shih teleskopov privelo k podtverzhdeniyu idei Kurtisa, soglasno kotoroi spiral'nye tumannosti – eto takie zhe nastoyashie galaktiki, kak i nasha, no chrezvychaino otdalennye.
Itak, Vselennaya zapolnena desyatkami milliardov galaktik, razbrosannyh v besporyadke, hotya v bol'shom masshtabe oni raspredeleny ravnomerno.
Einshtein predvoshitil etot rezul'tat, no ne smog predvidet' rasshireniya Vselennoi, k chemu prishel namnogo pozzhe, v 1929 g., Habbl. Po mneniyu Einshteina, Vselennaya dolzhna byla byt' stacionarna i prityazhenie zvezd dolzhno uravnoveshivat'sya kakim-to kosmicheskim ottalkivaniem, special'no vvedennym v uravneniya polya (etu oshibku priznaval sam Einshtein, ne boyavshiisya oprovergat' samogo sebya).
V nachale 30-h godov prihod Gitlera k vlasti sdelal nevynosimoi atmosferu nauchnyh issledovanii v Germanii; v to napryazhennoe vremya Einshtein navsegda ostavil etu stranu. Eshe podtverzhdenie otkloneniya svetovyh luchei vblizi poverhnosti Solnca, poluchennoe v 1919 g. ekspediciei s uchastiem Eddingtona, prineslo Einshteinu shirochaishuyu izvestnost'. Okazavshis' v centre goryachih sporov politicheskogo haraktera, on vopreki svoei vole byl vozveden v rang glashataya istiny. Teper' zhe uhudshenie politicheskoi obstanovki sdelalo neobhodimym pereezd Einshteina v SShA, v Prinston, shtat N'yu Dzhersi, gde on do konca zhizni rabotal v Institute perspektivnyh issledovanii.
Zdes' Einshtein prodolzhal zanimat'sya osushestvleniem svoei mechty – sozdaniem edinoi teorii, kotoraya ob'edinila by gravitacionnoe i elektromagnitnoe polya v odno garmonichnoe celoe. Po povodu etih popytok my uzhe govorili dostatochno. Nuzhno priznat', chto vliyanie einshteinovskih idei do sih por sil'no i nedostupnyi poka mirazh ob'edineniya manit sovremennyh fizikov. Bolee togo, za proshedshie polveka issledovanii aktivnost' v prodvizhenii k okonchatel'nomu sintezu vozrosla na osnove glubokogo obnovleniya i rasshireniya tehnicheskih vozmozhnostei teorii i eksperimenta.
Nakonec, nam ostaetsya proanalizirovat', kak Einshtein otnosilsya k kvantovoi mehanike. K rozhdeniyu kvantovoi mehaniki privela deyatel'nost' ne tol'ko odnogo issledovatelya, kak bylo v sluchae teorii otnositel'nosti (s upomyanutymi uzhe ogovorkami). Einshtein, odnako, sygral pervostepennuyu rol' i v sozdanii kvantovoi mehaniki. Dualizm volna – chastica byl ponyat lish' posle otkrytiya fotona; neskol'ko "beskonechno daleko idushih" zamechanii Einshteina, kak govoril potom Shredinger, pozvolili emu postroit' svoe znamenitoe volnovoe uravnenie, imeya v kachestve otpravnoi tochki rabotu Lui de Broilya. Ostaetsya lyubopytnym istoricheskim faktom to, chto vse tri nazvannyh glavnyh personazha v istorii sozdaniya kvantovoi mehaniki otkazalis' prinyat' ee veroyatnostnuyu interpretaciyu, predlozhennuyu Bornom. Einshtein rezko vystupal i protiv pozicii Kopengagenskoi shkoly, schitaya kvantovuyu mehaniku tol'ko chast'yu istiny, ne sovershennoi v svoei osnove. On takzhe polagal, chto kvantovaya mehanika dolzhna sledovat' iz ego budushih uravnenii edinogo polya. Einshtein ochen' sderzhanno otnosilsya k relyativistskomu uravneniyu Diraka i, po suti, tak i ne prinyal sovremennuyu teoriyu polya. Neopredelennost' kvantovoi mehaniki ego gluboko razdrazhala, i ee on takzhe ne prinimal. Nikakie dovody ne mogli razubedit' ego v tom, chto okonchatel'naya istina budet naidena v drugom meste.
Kak my vidim, Einshtein byl chelovekom isklyuchitel'no tverdyh ubezhdenii, myslyashim sovershenno nezavisimo. Bud' takaya cherta haraktera u drugogo cheloveka, ona mogla by imet' otricatel'nye posledstviya, a v druguyu istoricheskuyu epohu – privesti k bede. Tol'ko porazitel'naya nauchnaya intuiciya pozvolyala Einshteinu s predel'noi stoikost'yu podderzhivat' idei, ne imevshie v to vremya priznaniya, no kotorye vposledstvii privodili k perevorotu v sovremennoi fizike. Utverzhdenie kvantovoi mehaniki eshe ne oznachaet, chto v nauke uzhe skazano poslednee slovo, budushee mozhet prepodnesti nam vsyakie syurprizy.
Slava, prishedshaya k Einshteinu, ne unichtozhila ego chuvstvo mery, prisushuyu emu skromnost'. Hotya on navernyaka soznaval, kakoe znachenie imeli dlya nauchnogo mira ego idei, on vsegda realisticheski smotrel na veshi. Chuvstvo yumora, nikogda ego ne ostavlyavshee, spasalo ego ot samomneniya, ohvatyvavshego drugih lyudei, stavshih znamenitymi za gorazdo menee znachitel'nye zaslugi.
Mne samomu ne vypalo schast'ya lichno vstrechat'sya s Einshteinom; kogda v 1955 g. ya vpervye okazalsya v Prinstone, on byl, uvy, uzhe blizok k smerti. Nekotorye iz ego byvshih sotrudnikov nedavno vspominali v Prinstone sovmestno prozhitye gody i dlinnyi put', proidennyi imi v napravlenii k ob'edinennoi teorii. Po vospominaniyam, Einshtein byl lichnost'yu isklyuchitel'no chelovechnoi; on nikogda ne ispol'zoval svoyu slavu, chtoby navyazat' svoe mnenie, i vsegda byl na ravnyh so svoimi sobesednikami.
Issledovanie deyatel'nosti Einshteina tol'ko nachinaetsya, no tem ne menee uzhe teper' yasno, chto Al'bert Einshtein ostanetsya v istorii kak odin iz velichaishih deyatelei nauki i kul'tury vseh vremen, sravnimyi s N'yutonom i Galileem. On byl i ostaetsya populyarnym i u molodezhi, chto predstavlyaet soboi redkost' v nash vek lozhnyh mifov i razvrashennyh vkusov.
<< 4.2. Dzheims Klark Maksvell | Oglavlenie | 4.4. Kurt Gedel' >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy
Publikacii so slovami: Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
