Vsemirnyi god fiziki: triumf Einshteina6.08.2005 19:02 | A. D. Chernin/GAISh, Moskva
Organizaciya Ob'edinennyh Nacii po voprosam obrazovaniya, nauki i kul'tury (YuNESKO) ob'yavila nyneshnii 2005-i god Vsemirnym (ili Mezhdunarodnym) godom fiziki -- v chest' stoletiya znamenityh nauchnyh otkrytii Einshteina. Issledovaniya, vypolnennye v 1905-m godu 26-letnim teoretikom, dali nachalo sovremennoi fizike, v kotoroi klyuchevymi ponyatiyami stali "kvanty" i "otnositel'nost'". Posvyashennye Einshteinu mnogochislennye publikacii, nauchnye konferencii, lekcii, seminary chut' li ne vo vseh stranah mira vryad li sposobny dobavit' emu slavy -- Einshtein i bez togo davno uzhe samyi znamenityi chelovek nauki, esli ne prosto samyi znamenityi chelovek na svete. Cel' etih prazdnovanii ih organizatory vidyat (a s nimi vidim i my) v tom, chtoby uprochit' v sovremennom obshestve ponimanie cennosti nauchnogo znaniya, vyzvat' svezhii priliv interesa k zanyatiyam fundamental'noi naukoi u novogo pokoleniya talantlivyh molodyh lyudei raznyh stran. Primer molodogo Einshteina, ego reshitel'nyi podhod k raskrytiyu samyh glubokih tain prirody i nakonec kolossal'nyi uspeh ego trudov luchshe vsego otvechayut etim celyam.
Fizika Einshteina -- eto ne tol'ko dostoyanie ushedshego 20-go veka, no i perednii krai nauki veka 21-go. Zamechatel'no, chto novyi vek nachalsya s novogo triumfa Einshteina: tol'ko chto astronomy otkryli vo Vselennoi predskazannyi im grandioznyi kosmicheskii fenomen vsemirnogo antityagoteniya.
Put' v nauku
Kogda Al'bertu Einshteinu bylo let pyat', ego voobrazhenie porazil karmannyi kompas, pokazannyi emu otcom. Povedenie strelki kompasa vyzvalo v nem navsegda zapomnivsheesya ostroe chuvstvo, chto za vidimymi veshami "dolzhno byt' chto-to eshe, gluboko skrytoe", kak on pisal mnogo let spustya v svoei "Tvorcheskoi avtobiografii". V dvenadcat' let on s neobychainym uvlecheniem prochital sluchaino popavshuyu emu v ruki nebol'shuyu knigu po geometrii Evklida na ploskosti. Ego porazili "yasnost' i uverennost'", s kotorymi proizvodilis' dokazatel'stva ne slishkom ochevidnyh teorem. "Tot ne rozhden dlya teoreticheskih issledovanii, kto v molodosti ne voshishalsya etim tvoreniem", -- govoril on v zrelye gody.
V myunhenskoi gimnazii, gde Einshtein (bez vsyakogo entuziazma) uchilsya, carila atmosfera pochti kazarmennoi mushtry. Medlitel'nyi, svoevol'nyi i k tomu zhe eshe i nasmeshlivyi podrostok ochevidno razdrazhal uchitelei; oni razglyadeli v nem lish' pustuyu posredstvennost' i durnoi primer dlya drugih. V itoge gimnaziyu prishlos' ostavit'.
Bez gimnazicheskogo attestata na uchebu v universitete rasschityvat' ne prihodilos'. V 1896 g. Einshtein postupil -- so vtoroi popytki -- v Cyurihskii Politehnikum, na pedagogicheskii fakul'tet, gde gotovili uchitelei fiziki i matematiki. V diplome, poluchennom cherez chetyre goda, u nego "5" po teoreticheskoi fizike i "5,5" po teorii funkcii (shestiball'naya sistema). No i zdes' u nego byla reputaciya nedisciplinirovannogo i svoenravnogo studenta. Chasto propuskal zanyatiya, dazhe lekcii po teoreticheskoi fizike, kotorye velikolepno chital German Minkovskii, stavshii pozzhe ego samym uvlechennym posledovatelem v teorii otnositel'nosti. V rezul'tate po okonchanii instituta, kogda vse odnokursniki byli ostavleny na razlichnyh kafedrah Politehnikuma, Einshtein okazalsya voobshe bez raboty. Okolo dvuh let sushestvoval na ochen' skromnye den'gi, posylaemye roditelyami (ego otec, German Einshtein, umer v 1902 g.), zhil chut' li ne vprogolod', zarabatyvaya lish' redkimi sluchainymi chastnymi urokami.
"Ya byl tretiruem moimi professorami, kotorye... zakryli mne puti v nauku... Nuzhda byla tak ostra, -- vspominal on pozdnee, -- chto ya ne mog razmyshlyat' ni nad kakimi abstraktnymi problemami."
V 1902 g. otec Marselya Grossmana, priyatelya Einshteina po Politehnikumu, pomog bezrabotnomu uchitelyu poluchit' mesto tehnicheskogo eksperta tret'ego klassa v Bernskom patentnom byuro. V tom zhe godu u Einshteina i Milevy Marich (ona tozhe uchilas' vmeste s nim v Politehnikume) rodilas' doch'; dva goda spustya u nih rodilsya i syn.
I vse zhe vopreki vsem neblagopriyatnym obstoyatel'stvam, mezhdu 1900 i 1904 godami Einshtein smog napisat' pyat' nauchnyh statei, kotorye byli opublikovany v vedushem fizicheskom zhurnale teh let "Annalen der Physik". Raboty kasalis' razlichnyh voprosov statisticheskoi fiziki, byli sdelany izobretatel'no i s bol'shim ponimaniem suti dela, no, v obshem, ne soderzhali nichego osobenno novogo. Delo v tom, chto ih avtor ne byl togda znakom s poyavivshimisya ranee issledovaniyami Bol'cmana i Gibbsa, v kotoryh eti voprosy byli uzhe po sushestvu resheny. V deistvitel'nosti on nezavisimo pereotkryl ryad bazovyh rezul'tatov termodinamiki i fizicheskoi kinetiki.
Na osnove svoih pervyh statei Einshtein napisal dissertacionnuyu rabotu, kotoruyu v 1904-m godu predstavil v Cyurihskii universitet. Poluchennaya "so storony" dissertaciya byla otklonena.
1905-i god: hronika sobytii
14 marta 1905 goda Einshteinu ispolnilos' 26 let. Tri dnya spustya, 17 marta, on predstavil v zhurnal "Annalen der Physik" svoyu novuyu stat'yu, kotoraya nazyvalas' "Evristicheskaya tochka zreniya, kasayushayasya generacii i transformacii sveta". Pod etim (ne vpolne obychnym) nazvaniem ona byla napechatana 30 maya togo zhe goda. Eto tochnaya data rozhdeniya kvantovoi fiziki.
30 aprelya Einshtein zakonchil vtoroi variant dissertacii. Ee nazvanie -- "Novyi metod opredeleniya razmerov molekul". Togda zhe napisana i stat'ya po rezul'tatam dissertacionnoi raboty; ona vyshla iz pechati v yanvare 1906 goda. Rabota blizka po teme k ego pervym stat'yam po statisticheskoi fizike, no soderzhala teper' novyi vazhnyi rezul'tat -- v nei ukazyvalsya effektivnyi metod ocenki razmerov molekul po laboratornomu izucheniyu ih dvizheniya v rastvorah. 20-go iyulya dissertaciya byla predstavlena dekanu filosofskogo fakul'teta Cyurihskogo universiteta. Fakul'tet ee odobril i prisudil avtoru (v yanvare sleduyushego goda), zvanie (ne stepen') doktora. Napechatannaya v Berne v vide otdel'nogo izdaniya, dissertaciya imela posvyashenie: "Moemu drugu doktoru Grossmanu".
11 maya v tot zhe zhurnal "Annalen der Physik" postupaet stat'ya "O dvizhenii malyh chastic, vzveshennyh v stacionarnyh zhidkostyah, trebuemom molekulyarno-kineticheskoi teorii teploty". V etoi (i eshe odnoi stat'e, poluchennoi zhurnalom 19 dekabrya 1905 g.) daetsya teoriya brounovskogo dvizheniya.
30 iyunya redakciya "Annalen der Physik" poluchaet pervuyu stat'yu Einshteina po special'noi teorii otnositel'nosti (STO). Ona nazyvaetsya "K elektrodinamike dvizhushihsya tel". V nei 30 stranic teksta. Tekst zakanchivaetsya blagodarnost'yu Mishelyu Besso, eshe odnomu priyatelyu po Politehnikumu: "V zaklyuchenie otmechu, chto moi drug i kollega M. Besso yavilsya vernym pomoshnikom pri razrabotke izlozhennyh zdes' problem i ya obyazan emu ryadom cennyh ukazanii". V stat'e imeyutsya dovol'no gromozdkie vykladki, kotorye pomogala proveryat' Mileva; Einshtein predlagal ei stat' ego soavtorom, no ona byla protiv dazhe pechatnoi blagodarnosti. Rasskazyvayut, ona smeyas' otvechala: "Vot poluchish' Nobelevskuyu premiyu, otdash' den'gi mne". Vse 32 tysyachi dollarov Nobelevskoi premii, poluchennoi Einshteinom v 1922 godu, on peredal Mileve; k tomu vremeni oni byli uzhe v razvode.
27 sentyabrya tem zhe zhurnalom poluchena ego vtoraya stat'ya po STO "Zavisit li inerciya tela ot soderzhasheisya v nei energii?". V nei tri stanicy, na poslednei iz kotoryh poyavlyaetsya einshteinovskoe sootnoshenie mezhdu energiei i massoi -- samaya znamenitaya formula nauki. Etu stat'yu Einshtein napisal v odin prisest, vernuvshis' v Bern posle kratkogo otpuska, poluchennogo v patentnom byuro i provedennogo s semeistvom v Serbii, na rodine Milevy.
Pyat' isklyuchitel'nyh po sile rabot (dalee my podrobnee o nih rasskazhem) byli sdelany menee chem za sem' mesyacev 1905-go goda. Etot rekord produktivnosti v teoreticheskoi fizike nikogda ne byl perekryt.
Zakon sluchainyh bluzhdanii
Seichas eto trudnovato sebe predstavit', no v 1905 godu mnogie fiziki i bol'shinstvo himikov otkazyvalis' verit' v sushestvovanie atomov. Prishedshaya iz klassicheskoi drevnosti ideya atomarnosti materii byla, konechno, vsem izvestna; no ona ne nahodila, kazalos', nikakogo ob'ektivnogo proyavleniya v laboratornom fizicheskom eksperimente. Atomy predstavlyalis' skoree teoreticheskoi abstrakciei, chem-to vrode "material'noi tochki", a otnyud' ne real'nymi telami prirody. Naprimer, Ernst Mah govoril, chto atomy i molekuly sluzhat fiziku v kachestve poleznogo priema dlya rassuzhdenii, "kak funkciya v matematike". Raboty Einshteina po brounovskomu dvizheniyu dokazyvali real'noe sushestvovanie atomov i molekul.
Yavlenie dvizhenii chastic vzvesi (cvetochnoi pyl'cy i t.p.) v vode ostavalos' zagadkoi s 1820-h godov, kogda ono bylo otkryto botanikom Robertom Brounom (ili, tochnee, Braunom). Einshtein pervym razgadal prirodu etih dvizhenii: sluchainye bluzhdaniya vzveshennyh chastic est' proyavlenie haoticheskih teplovyh dvizhenii molekul zhidkosti. Mnogokratnye sluchainye tolchki molekul zastavlyayut brounovskie chasticy peremeshat'sya v bespreryvnom haoticheskom tance. Pri takom ponimanii etogo yavleniya chasticy cvetochnoi pyl'cy sluzhat "uvelichitel'nym steklom", pozvolyayushim zaglyanut' v mir dvizhushihsya atomov i molekul.
Glavnyi rezul'tat teorii Einshteina -- statisticheskii zakon peremesheniya brounovskoi chasticy: rasstoyanie chasticy ot ishodnoi tochki proporcional'no kornyu kvadratnomu iz vremeni, zatrachennogo na peremeshenie.
Etot zakon sluchainyh bluzhdanii byl vyveden im iz kineticheskoi teorii gaza (primenennoi k chasticam vzvesi) i gidrodinamiki (primenennoi k dvizheniyu chastic v vyazkoi zhidkosti). V kachestve mnozhitelya mezhdu smesheniem chasticy i kornem kvadratnym iz vremeni v etot zakon vhodit kombinaciya razmera vzveshennyh chastic, koefficienta vyazkosti zhidkosti i ee temperatury (umnozhennoi na postoyannuyu Bol'cmana). Tem samym sootnoshenie Einshteina ustanavlivalo pryamuyu svyaz' mezhdu sluchainym smesheniem odnoi makroskopicheskoi chasticy i haoticheskim teplovym dvizheniem ogromnogo mnozhestva mikroskopicheskih chastic zhidkosti. V 1908-m godu eto sootnoshenie bylo provereno i polnost'yu podtverzhdeno v laboratornyh opytah Zhana Perrena v Sorbonne.
Raboty Einshteina po brounovskomu dvizheniyu zavershili celuyu epohu v fizike, epohu stanovleniya atomizma. Teoriei Einshteina i opytami Perrena vopros o real'nosti atomov byl polnost'yu i okonchatel'no reshen.
Razvityi pri etom Einshteinom obshii statisticheskii podhod k probleme sluchainyh bluzhdanii okazalsya chrezvychaino plodotvornym. On napryamuyu primenim k bol'shomu raznoobraziyu yavlenii, gde imeet mesto haoticheskoe povedenie kakoi-libo primesi v nepreryvnoi srede. On sam primenil ego k slabym rastvoram. Seichas ego uspeshno ispol'zuyut v sovremennyh nanotehnologiyah; v biologii etot podhod primenyayut, naprimer, dlya izucheniya perenosa himicheskih veshestv v zhivyh kletkah; v stroitel'stve s ego pomosh'yu kontroliruyut dvizhenie chastic peska v cementnyh rastvorah; v ekologii on sluzhit dlya ucheta diffuzii chastic aerozolya v oblakah. Statisticheskii podhod Einshteina primenyayut dazhe v teorii slozhnogo dorozhnogo dvizheniya i pri analize haoticheskih kolebanii stoimosti akcii na birzhe.
Kvanty sveta
Esli raboty Einshteina po brounovskomu dvizheniyu zavershali odnu epohu v fizike, to raboty, vypolnennye im v tom zhe 1905-m godu po kvantovoi fizike i teorii otnositel'nosti, otkryvali sovershenno druguyu epohu v nauke. V Mezhdunarodnyi god fiziki prazdnuetsya pervoe stoletie etoi novoi epohi.
Einshtein v 1905-m godu byl ne pervym, kto zagovoril o kvantah. Za pyat' let do nego, v 1900-m godu, ponyatie kvanta (ili elementa) energii vvel Maks Plank. No dlya nego eto bylo vsego tol'ko tehnicheskim priemom. Kvanty energii ne rassmatrivalis' kak fizicheskaya real'nost', a ispol'zovalis' kak nekaya "promezhutochnaya" uslovnost', pomogayushaya teoreticheskim rassuzhdeniyam, no vypadayushaya zatem iz okonchatel'nogo rezul'tata. S kvantami Planka povtoryalas' pochti chto v tochnosti staraya istoriya, uzhe proisshedshaya odnazhdy s atomami (sm. vyshe). O melkih chastichkah sveta govoril eshe N'yuton, no i v nachale 20-go veka u fizikov ne bylo nikakih eksperimental'nyh osnovanii verit' v ih ob'ektivnoe sushestvovanie. K tomu zhe vse opticheskie yavleniya prekrasno opisyvalis' teoriei elektromagnitnyh voln, opirayusheisya na obshie uravneniya elektromagnetizma Maksvella.
V nachale 1905-go goda Einshtein zadalsya voprosom, kotoryi ne prihodil togda v golovu ni teoretikam, ni eksperimentatoram: pochemu materiya atomarna, t.e. diskretna, a svet nepreryven?
Konflikt nepreryvnosti i diskretnosti vystupaet osobenno ostro, esli svet i atomy vzaimodeistvuyut, -- kogda, naprimer, atomy izluchayut ili pogloshayut svet. Eta situaciya, gluboko prochuvstvovannaya i produmannaya Einshteinom, podskazala emu novyi neozhidannyi vzglyad na fizicheskuyu prirodu sveta. On sformuliroval ego tak: kogda luch sveta rasprostranyaetsya v prostranstve ot tochki k tochke, ego energiya ne raspredelyaetsya nepreryvno po vozrastayushemu ob'emu prostranstva; naprotiv, ona sostoit iz konechnogo chisla kvantov energii, kazhdyi iz kotoryh dvizhetsya kak celoe bez drobleniya i zatem pogloshaetsya (atomom) tozhe celikom kak nekoe nedelimoe celoe. Eto (pochti bukval'naya) citata iz ego martovskoi stat'i.
Kak zhe poluchen etot vyvod? Otnyud' ne v rezul'tate logicheskoi dedukcii. Iz uravnenii Maksvella on ne vytekaet i ne mozhet byt' dokazan kak matematicheskaya teorema -- na maner teorem geometrii. Utverzhdenie Einshteina -- ne teorema i ne sledstvie chego-to bolee obshego. Po svoei roli ono yavlyaetsya aksiomoi, ili postulatom. Na etom vydvinutom im postulate i osnovyvaetsya vsya postroennaya zatem kvantovaya fizika.
Ne zrya uzhe v samom nazvanii stat'i Einshtein schel umestnym predupredit' chitatelya, chto rech' idet ob "evristicheskoi tochke zreniya", t.e. o dogadke tvorcheskogo voobrazheniya, svobodnoi fizicheskoi intuicii. Smysl utverzhdeniya mozhno raz'yasnit' na naglyadnom urovne, -- chto i sdelano v privedennoi vyshe fraze. Mozhno ukazat' poleznuyu analogiyu: sovokupnost' kvantov sveta pohozha na ideal'nyi gaz, chto tozhe sdelano u Einshteina. No dokazat' ili oprovergnut' postulat chisto logicheskim putem nel'zya; eto mozhet sdelat' lish' eksperiment -- verhovnyi sud'ya vseh postulatov, gipotez i teorem.
Zamechatel'no, chto v stat'e Einshteina imelas' ne tol'ko fizicheskaya ideya diskretnosti sveta, no i ryad konkretnyh prilozhenii, yasno demonstriruyushih ee produktivnost'. Samym vpechatlyayushim iz nih bylo ob'yasnenie fizicheskoi prirody (i kolichestvennyh zakonomernostei) fotoelektricheskogo effekta, ili fotoeffekta. Eto yavlenie ispuskaniya elektronov metallom pri padenii na nego sveta. Za teoriyu fotoeffekta -- za nee, a ne za kvantovuyu fiziku ili teoriyu otnositel'nosti -- Einshtein poluchil svoyu Nobelevskuyu premiyu.
Pryamoe eksperimental'noe dokazatel'stvo sushestvovaniya kvantov bylo vpervye dano Arturom Komptonom v 1923-m godu. V svoih opytah po rasseyaniyu rentgenovskih luchei na elektronah on pokazal, chto luchi "otskakivayut" ot elektronov v tochnosti tak, kak nabor bil'yardnyh sharov. Do etogo zhe, t.e. v techenie pochti dvuh desyatiletii, ideya svetovyh kvantov reshitel'no otvergalas' Plankom (v ostal'nom isklyuchitel'no blagosklonnym k Einshteinu i ego ideyam), da i voobshe vsem nauchnym soobshestvom. Dazhe budushii klassik kvantovoi fiziki Nil's Bor schital (v 1922-m godu, a eto god, kogda Einshtein poluchil Nobelevskuyu premiyu) ideyu kvantov sovershenno besplodnoi.
S serediny 1920-h godov kvanty sveta i voobshe elektromagnitnyh voln vseh chastot nazyvayut fotonami. V sovremennoi fizike fotony -- elementarnye chasticy (bezmassovye i "istinno neitral'nye", t.e. tozhdestvennye svoim antichasticam, so spinom 1), perenosyashie elektromagnitnoe vzaimodeistvie.
Itak, svet stol' zhe atomaren, diskreten, kak i materiya, -- takov otvet, poluchennyi Einshteinom v 1905-m godu na postavlennyi im pered soboi fundamental'nyi vopros. Vmeste s tem emu bylo yasno, chto v takih processah kak, naprimer, otrazhenie i prelomlenie, svet vedet sebya v tochnosti kak nepreryvnaya v prostranstve volna.
Pozdnee bylo ustanovleno, chto i materiya ne tol'ko diskretna, no i nepreryvna, po svoim svoistvam. V ryade processov sovokupnost' chastic materii vedet sebya podobno volnam. Volny materii (volny de Broilya) vidny, naprimer, v opytah po difrakcii elektronov.
V deistvitel'nosti konflikt nepreryvnosti i diskretnosti sushestvuet ne v prirode veshei, a tol'ko v teorii, v nashih predstavleniyah o nih. Za vidimoi v eksperimente kartinoi diskretnogo ili nepreryvnogo povedeniya fizicheskih ob'ektov "dolzhno byt' chto-to eshe, gluboko skrytoe" (esli snova vspomnit' slova Einshteina iz ego "Tvorcheskoi avtobiografii"). Eto skrytoe -- ne diskretnost' i nepreryvnost' v kakoi-to ih kombinacii, a nechto tret'e, chto (za neimeniem luchshego nazvaniya) imenuetsya korpuskulyarno-volnovymi svoistvami. Imi obladayut vse na svete fizicheskie ob'ekty.
Ostaetsya skazat', chto kvantovaya teoriya, vyrosshaya iz "evristicheskoi tochki zreniya" Einshteina, ne vpolne ego samogo udovletvoryala. Ideinaya interpretaciya teorii skladyvalas' na osnove veroyatnostnyh predstavlenii; predpolagalos', chto kvantovymi processami upravlyaet zakon sluchaya. Takoe razvitie teorii proishodilo na ego glazah, no uzhe fakticheski bez uchastiya Einshteina. Podobnaya interpretaciya predstavlyalas' emu lish' vremennym vyhodom iz polozheniya, on schital ee kak minimum nepolnoi. "Bog ne igraet v kosti", -- govoril on po etomu povodu. On polagal, chto element sluchainosti i vozmozhnost' tochnogo predskazaniya rezul'tata kvantovogo eksperimenta -- eto eshe odin vnutrennii konflikt teorii, kotoryi trebuet svoego osoznaniya i razresheniya.
Pri vseh ee uspehah i dostizheniyah, perevernuvshih ne tol'ko predstavleniya lyudei o mire, no i ih povsednevnuyu zhizn', kvantovaya fizika -- razvivayushayasya nauka, daleko ne ischerpavshaya zalozhennyi v nei produktivnyi konflikt idei, kotoryi Einshtein oshushal ostree drugih. Vozmozhno, eta teoriya priblizitsya k ideinoi zavershennosti lish' togda, kogda budet postroena kvantovaya teoriya tyagoteniya. Do etogo, odnako, eshe ochen' daleko.
Princip otnositel'nosti
Special'naya teoriya otnositel'nosti (STO) vmeste s kvantovoi teoriei sostavlyayut osnovu osnov sovremennogo estestvoznaniya. STO ne voznikla srazu v gotovom vide, ona formirovalas' postepenno v dovol'no dlitel'nom processe, zanyavshem ne men'she chem polveka. Ee pervye elementy poyavilis' pochti za tri desyatiletiya do Einshteina, a razrabotka prodolzhalas' eshe po krainei mere dva desyatiletiya posle 1905-go goda.
V 1887-m godu Vol'demar Fogt nashel, chto volnovoe (chetyrehmernoe) uravnenie sohranyaet svoyu formu pri odnovremennom preobrazovanii koordinat i vremeni opredelennogo vida. Eti naidennye im preobrazovaniya stali pozzhe matematicheskim bazisom STO. Po predlozheniyu Puankare (kotoryi vyyasnil, chto oni predstavlyayut soboi gruppu) ih nazyvayut preobrazovaniyami Lorenca. Lorenc nezavisimo nashel ih v 1899-m godu, pokazav, chto uravneniya elektrodinamiki Maksvella ostayutsya neizmennymi pri takih preobrazovaniyah. Tem zhe putem Einshtein, ne slyshavshii o nih, pereotkryl eti preobrazovaniya v pervoi (tridcatistranichnoi) rabote po STO 1905-go goda.
No ne v primer pervym stat'yam po statisticheskoi fizike (1900-1904 gg.), gde on tozhe zanovo pereotkryval klassicheskie rezul'taty, v rabote 1905-go goda Einshtein srazu poshel gorazdo dal'she svoih predshestvennikov. On provozglasil eshe odin vazhneishii postulat novoi fiziki -- princip otnositel'nosti, kotoryi s teh por nosit ego imya.
Do etogo v fizike byl izvesten princip otnositel'nosti Galileya, soglasno kotoromu vse zakony prirody odinakovy vo vseh inercial'nyh sistemah otscheta. Einshtein dobavil k nemu utverzhdenie o konechnoi skorosti rasprostraneniya vseh vzaimodeistvii. Predel'naya skorost' rasprostraneniya vzaimodeistvii ravna skorosti sveta v pustote c, i ona odinakova vo vseh inercial'nyh sistemah otscheta. Eto universal'naya fizicheskaya postoyannaya.
Kak i ideya kvantov sveta, princip otnositel'nosti Einshteina voznik ne putem logicheskogo vyvoda ili teoreticheskogo dokazatel'stva v ramkah kakoi-to bolee obshei teorii. Eto postulat, kotoryi dolzhen byt' proveren -- podtverzhden ili oprovergnut -- v eksperimente. I on deistvitel'no byl proveren i polnost'yu podtverzhden v mnogochislennyh eksperimentah, provodivshihsya v techenie neskol'kih desyatiletii so vse vozrastayushei tochnost'yu.
STO, voznikshaya iz principa otnositel'nosti, okazalas' isklyuchitel'no bogatoi kak po vnutrennemu soderzhaniyu, tak i po vozmozhnostyam prilozhenii. Dal'neishimi usiliyami samogo Einshteina, trudami Planka, Minkovskogo, Vol'fganga Pauli i drugih vydayushihsya teoretikov 20-go veka STO prevratilas' so vremenem v stroguyu, stroinuyu i zakonchennuyu teoriyu.
V STO perehod ot odnoi inercial'noi sistemy otscheta k drugoi osushestvlyaetsya preobrazovaniyami Lorenca. Otnositel'no etih preobrazovanii invariantny (neizmenny) ne tol'ko uravneniya Maksvella, a vse voobshe zakony prirody. Eti preobrazovaniya pokazyvayut, chto vremya i prostranstvo ne absolyutny po-otdel'nosti: ih svoistva razlichny v raznyh sistemah otscheta. Tol'ko prostranstvo-vremya kak edinoe chetyrehmernoe mnogoobrazie invariantno po svoim svoistvam. Tak STO stala novoi relyativistskoi teoriei prostranstva-vremeni, prishedshei na smenu klassicheskoi n'yutonovskoi koncepcii absolyutnogo prostranstva i absolyutnogo vremeni.
Central'nym teoreticheskim i glavnym prakticheskim sledstviem STO stalo novoe ponimanie massy i energii fizicheskih tel i sistem. Ono vozniklo blagodarya vtoroi (trehstranichnoi) rabote Einshteina po STO. Soglasno STO, v pokoyasheisya inertnoi materii skryty nemyslimye zapasy energii. Esli telo massy m nahoditsya v pokoe, to zapasennaya v nem energiya E ravna proizvedeniyu massy na kvadrat skorosti sveta: E = m*c2. Tak (v sovremennyh oboznacheniyah) vyglyadit sootnoshenie mezhdu energiei pokoya i massoi tela. Eta samaya znamenitaya formula nauki. Ona raskryvaet sushestvuyushuyu v prirode vozmozhnost' vzaimnyh prevrashenii energii i massy.
Tak vyglyadelo eto uravnenie v rukopisi po STO, napisannoi Einshteinom v 1912 godu.
Preobrazovanie energii pokoya v drugie vidy energii, opisyvaemoe etoi formuloi, lezhit v osnove ogromnogo raznoobraziya processov v prirode i tehnike. Naprimer, lish' STO okazalas' sposobnoi ob'yasnit' sut' takogo yavleniya kak ogon', izvestnogo cheloveku izdrevle i vsegda zanimavshego ego voobrazhenie. V himicheskoi reakcii goreniya summa mass produktov reakcii men'she ishodnoi massy goryuchego. Raznost' nachal'noi i konechnoi mass prevrashaetsya v kineticheskuyu (teplovuyu) energiyu produktov reakcii. Takim putem v energiyu perehodit lish' ochen' malaya chast' massy. Naprimer, pri gorenii metana v gazovoi gorelke preobrazuetsya v teplo lish' odna desyatimilliardnaya dolya massy pokoya gaza.
Gorazdo bol'she energii vydelyaetsya pri yadernyh reakciyah. Za schet etogo svetyat Solnce i zvezdy. V nedrah Solnca, gde idet yadernaya reakciya sinteza geliya iz vodoroda, v kineticheskuyu energiyu prevrashaetsya okolo procenta ishodnoi massy vodoroda. V yadernyh reakciyah raspada (naprimer, raspada urana pri pogloshenii medlennyh neitronov) eta dolya raz v desyat' men'she. Reakcii oboih tipov ispol'zuyutsya, kak izvestno, v yadernom oruzhii. Na reakciyah deleniya rabotayut atomnye elektrostancii vo vsem mire; reakcii yadernogo sinteza obeshayut lyudyam prakticheski neischerpaemyi (i, kak polagayut, bezopasnyi) istochnik energii, kogda ih udastsya osushestvlyat' v upravlyaemom rezhime. Vsego etogo ne bylo by bez STO.
Predel'nyi sluchai -- stoprocentnyi perehod massy v energiyu. Eto vozmozhno, esli chastica stalkivaetsya s antichasticei, -- naprimer, elektron s pozitronom. Chastica i antichastica pri etom ischezayut (annigiliruyut), porozhdaya fotony. Tak kak foton -- bezmassovaya chastica, summarnaya massa chasticy i antichasticy celikom perehodit v kineticheskuyu energiyu fotonov.
Svoistvo massy prevrashat'sya v energiyu (i naoborot) ne bylo izvestno v klassicheskoi, doeinshteinovskoi nerelyativistskoi fizike. No chto ostaetsya neizvestnym do sih por i v relyativistskoi fizike, tak eto sama priroda massy. Fundamental'naya teoriya nashih dnei (celikom relyativistskaya) ne mozhet ob'yasnit', otkuda beretsya massa elektrona i pochemu ona takaya kak est'. To zhe otnositsya i k drugim elementarnym chasticam, iz kotoryh sostoyat vse tela vo Vselennoi. Soglasno odnoi iz aktivno obsuzhdaemyh seichas idei, chasticy priobretayut svoi massy blagodarya vzaimodeistviyu s nekotoroi osoboi chasticei, imeyushei nulevoi spin. U etoi gipoteticheskoi chasticy uzhe imeetsya nazvanie -- higgs, ili higgsovskii bozon, po imeni avtora etoi gipotezy; no ee sushestvovanie poka ne udaetsya dokazat' v pryamom laboratornom (na uskoritelyah) eksperimente.
Ot STO k OTO
God 1905-i byl neobychaino vazhnym kak dlya fiziki, tak i dlya samogo Einshteina. S teh por sobytiya ego biografii razvivalis' s vozrastayushei bystrotoi. V yanvare 1906 goda Einshtein -- Herr Doktor; s 1-go aprelya povyshen v dolzhnosti: teper' on tehnicheskii ekspert vtorogo klassa. S 28-go fevralya 1908 g. -- privat-docent v Berne, a 15-go oktyabrya 1909 g. on uhodit, nakonec, iz patentnogo byuro, chtoby zanyat' dolzhnost' ekstraordinarnogo (t.e. vneshtatnogo) professora v Cyurihskom universitete. Zatem pereezzhaet v Pragu na dolzhnost' ordinarnogo professora. Marsel' Grossman, stavshii k tomu vremeni dekanom v Politehnikume, priglashaet ego v Cyurih, i s avgusta 1912-go g. on professor v Politehnikume, gde teper' na nego smotryat sovsem inache, chem v stavshie uzhe dalekimi studencheskie gody. Tem vremenem Zhenevskii universitet prisuzhdaet emu pervoe v ego zhizni pochetnoe doktorskoe zvanie. A eshe cherez neskol'ko let ego nastigaet slava, kotoroi ne znal ni odin chelovek ni do ni posle nego. Nu razve chto Aleksandr Makedonskii...
Odnako schastliveishim godom svoei zhizni Einshtein schital vse zhe ne 1905-i god, a god 1907-oi. "Ya sidel v kresle v Bernskom patentnom byuro, kak vdrug mne v golovu prishla mysl': `V svobodnom padenii chelovek ne oshushaet svoego vesa!' Ya byl porazhen..." Cherez 8 let iz etoi mysli rodilas' obshaya teoriya otnositel'nosti (OTO), kotoraya stala sovremennoi teoriei prostranstva, vremeni i tyagoteniya. Eto samaya krasivaya, po slovam Landau, fizicheskaya teoriya. Ona stala naivysshim dostizheniem Einshteina v nauke. Na osnove OTO vskore voznikla sovremennaya kosmologiya. V ramkah obsherelyativistskoi kosmologii Einshtein vyskazal (v 1917-m godu) ideyu vsemirnogo antityagoteniya, kotoraya sovsem nedavno, v poslednie neskol'ko let, nashla pryamoe nablyudatel'noe podtverzhdenie.
Einshteinovskaya epoha v fizike prodolzhaetsya. Samaya fundamental'naya zadacha na vtoroe stoletie etoi epohi -- sozdanie teorii, kotoraya by organichno soedinila einshteinovskuyu ideyu kvantov s einshteinovskoi teoriei prostranstva, vremeni i tyagoteniya. Na etom puti udastsya, vozmozhno, naiti i ob'yasnenie mikroskopicheskoi prirody einshteinovskogo vsemirnogo antityagoteniya.
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
teoriya otnositel'nosti - fizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - special'naya teoriya otnositel'nosti - Einshtein
Publikacii so slovami: teoriya otnositel'nosti - fizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - special'naya teoriya otnositel'nosti - Einshtein | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
