Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении

Трудное начало

Весной 1902 года Альберту Эйнштейну приходилось нелегко. Он лишился лишился заработка, скоро должен был родиться ребенок. Не оставалось никаких возможностей для научной работы.

Он надеялся получить место ассистента в цюрихском Политехникуме[1], где изучал физику и математику. Но это не удалось. Посылал запросы в университеты Германии, Голландии и Италии – и не получал ответов.

Его докторскую диссертацию отклонили. Значит, академическая карьера была окончена. Не нашлось также места преподавателя в университете. Оставалось зарабатывать на жизнь репетиторством, и денег постоянно не хватало. Его отец больше не мог помогать ему, так как его фирма обанкротилась, и вскоре он умер.

Еще студентом Эйнштейн часто жаловался своей сестре, что он «бремя для своих близких», и писал: «Было бы лучше, если бы меня вовсе не было на свете».

Дома тоже дела шли плохо. Сокурсница и возлюбленная Эйнштейна Милева Марич[2] не смогла пересдать экзамены из-за беременности. Альберт и Милева не могли пожениться из-за бедности и неуверенности в завтрашнем дне, кроме того, родители Эйнштейна были резко против их брака. Милева Марич родила дочь у своих родителей в Нови-Саде и вернулась в Цюрих. Эйнштейн никогда не видел этого ребенка. Девочка осталась в Венгрии и то ли рано умерла, то ли ее удочерила другая семья.

Революция в патентном ведомстве

Но затем Эйнштейну улыбнулась удача. В июне 1903 года он получил место в патентном бюро Берна и стал, как сам говорил, «достопочтенным швейцарским бумагомаракой». Теперь он смог снять квартиру получше, жениться на Милеве и снова посвятить себя физике. Свои научные идеи он обсуждал с друзьями Морисом Соловином[3], Конрадом Хабихтом[4] и Микеле Бессо[5].

Даже не имея академических заслуг, до 1904 года он опубликовал уже пять научных статей в авторитетном журнале «Анналы физики»[6]. В 1905 году, который историки позднее назвали его «годом чудес», 26-летний Эйнштейн написал за шесть месяцев еще пять статей. Оглядываясь назад, можно сказать, что они изменили физику и заложили основы сразу трех новых областей исследований.

Эйнштейн знал, что материя состоит из мельчайших частиц – атомов и молекул (об этом в то время шли жаркие споры). Он понял, что излучение и энергия – это не единый поток, они тоже делятся на «порции». Именно эта идея Эйнштейна была самой революционной.

И с помощью специальной теории относительности он создал новую основу всех физических исследований, произведя переворот в повседневных и в научных представлениях о пространстве и времени. Он обнаружил, что масса и энергия не принципиально разные понятия, а связаны друг с другом и в некотором смысле являются двумя сторонами одной медали. Никто другой никогда не преобразовывал физику так быстро и всесторонне и не создавал для нее новую и чрезвычайно прочную основу, на которую мы опираемся и по сей день.

Эта книга

…посвящена приключениям Эйнштейна в области научной мысли. Она должна быть несложной и ироничной. (Те, кто интересуется более подробной информацией о текущих направлениях фундаментальной физики и космологии[7] и о «теории всего» Эйнштейна, которая до сих пор не была доказана, могут прочесть другие книги автора.) При этом мы не будем забывать о личности Эйнштейна и о времени, в которое он жил.

Эйнштейн был отличным рассказчиком и автором остроумных афоризмов. Есть книги, составленные из одних цитат Эйнштейна. Но это еще не все. И не самое главное. Эйнштейн обогатил и «продвинул» человеческие языки так, что они смогли лучше описывать Вселенную. А еще при помощи математики он создал новый язык для физики – мощный инструмент, способный конкретно и точно описывать свойства и закономерности природы и результаты наблюдений и экспериментов.

Это непростой язык. Его приходится учить, как и все иностранные языки. И это не письмена на камне – он постоянно меняется, подчиняясь новым требованиям. Поэтому переводчикам с него приходится постоянно учиться.

На самом деле многие из наиболее важных выводов Эйнштейна мы понимаем только сейчас. Они пошатнули все старое здание физики и навсегда изменили представление о пространстве, времени, материи, энергии и гравитации.

Специальная теория относительности – это общий язык, на котором смогли говорить две области физики, раньше плохо понимавшие друг друга. С ней связаны новые значения для кажущихся такими знакомыми, но в действительности являющихся очень странными, как «пространство» и «время», «одновременно» и «сейчас», «энергия», «масса» (стр. 15).

С помощью общей теории относительности, которая является одним из самых значительных достижений человеческого разума, Эйнштейн полностью изменил язык классической физики, уточнил и усовершенствовал его (стр. 42).

С тех пор мировая сцена перестала восприниматься отдельно от происходящего на ней действия. И впервые Вселенная может быть описана как единое целое – это огромное расширение горизонтов (стр. 114). Однако это не просто слова и формулы, все подтверждено многочисленными опытами и экспериментами и выдержало бешеный огонь критики. Фактически теория относительности – самая точная и пока лучшая теория в истории человечества (стр. 77). Еще более удивительно, что ее язык несовместим с другим языком, также придуманным Эйнштейном, с помощью которого открывается царство самого маленького – любопытный квантовый мир (стр. 136). До конца жизни Эйнштейн проводил исследования по созданию своего рода универсального словаря, но до сих пор никто не смог завершить его работу.

Великая, вечная загадка

Несмотря на всю свою известность, Эйнштейн всегда оставался скромным и хорошо сознавал, что и его знания ограниченны. Он говорил: «Мне достаточно того, что я могу с изумлением пытаться разгадать эти загадки величественного строения Вселенной, смиренно ловя ее образ».

И вынужден был признаться – при всей своей уверенности в том, что базовые законы космоса познаваемы: «Самое непонятное во Вселенной – это в основном то, что мы ее понимаем». В 1951 году он писал:

Эйнштейн был не только гениальным мыслителем, но и упрямым одиночкой (он называл сам себя «одноконным экипажем»). Он не любил, когда ему мешали думать, не любил быть в центре внимания, когда его принимали как важную персону. И просто ненавидел шумиху, которая поднялась вокруг него, когда он внезапно стал мировой знаменитостью.

«Все, что так или иначе связано с культом личности, всегда смущало меня», – писал он в последний год своей жизни. Еще в ранней юности он пытался «освободиться от оков» страстей, «от существования, управляемого желаниями, надеждами и примитивными чувствами». В автобиографических записях в 1946 году он признавался:

Что ж, не всем нужно много общения и болтовни о повседневных вещах – это Эйнштейн понимал, как никто другой. Но при этом он всю жизнь занимался общественной деятельностью, в том числе политической. Это показывает, что можно избегать общества и все же делать многое для его прогресса.

Эйнштейн выразил это так в 1920 году:

Если бы у Эйнштейна был брат-близнец, который вернулся бы после космического путешествия с околосветовой скоростью, то для него прошло бы гораздо меньше времени, чем для Эйнштейна, оставшегося на Земле.

За повседневными явлениями скрываются странные законы природы и удивительные взаимосвязи. Крошечные массы высвобождают огромные энергии; при скорости, близкой к скорости света, сантиметры сжимаются, а секунды растягиваются до бесконечности. Это предсказывает специальная теория относительности. С ее помощью Альберт Эйнштейн произвел революцию в физическом описании мира. Он преодолел неразрешимые противоречия между теориями классической механики и электромагнетизма, дал новую основу взаимосвязи между пространством, временем, излучением и материей и поколебал представление о самом понятии одновременности. Кроме того, Эйнштейн показал с помощью своей знаменитой формулы E = mc2, что энергия и масса составляют единое целое. Это помогло понять процессы ядерного деления и синтеза и антиматерию. Также стало очевидным фундаментальное ограничение: нормальная материя не может разогнаться до скорости света или до сверхсветовой, потому что для этого потребуется бесконечное количество энергии.

Конец эфира…

Специальная теория относительности, описание которой Эйнштейн предложил для публикации 30 июня 1905 года, отвечала на два важнейших вопроса, волновавшие тогда физиков. Над ними уже работали другие ученые, и некоторые из них были довольно близки к решению.

Если бы существовал подвижный эфир, с которым были бы связаны свет и другие электромагнитные волны, то эксперименты исключительной точности показали был наличие эфирного ветра.

Но никому не удалось найти то решение, которое разрубило бы запутанный узел теорий, распутать который было уже невозможно. Только Эйнштейн смог так изменить привычную точку зрения, чтобы увидеть путь к этому решению. Кстати, Эйнштейн не был особенно доволен термином «теория относительности». «Я признаюсь, что это не было счастливой находкой, и она дала повод для философских заблуждений», – писал он в 1921 году. Теория ни в коем случае не утверждала относительность всего, она показывает то, что справедливо во всех системах отсчета, т.е. что не зависит от координат или точки зрения наблюдателя.

Одна проблема была в противоречии между теорией и результатами опытов (то есть реальностью). Другая – в противоречиях между двумя теориями, которые были хорошо подтверждены экспериментами. Эти противоречия ставили под сомнение привычную картину мира и одновременно побуждали к поиску лучших объяснений.

Первая проблема требовала наличия в пространстве некоего неощутимого посредника – эфира. Именно в нем должны были распространяться электромагнитное излучение (например свет или радиоволны), так же как звук распространяется по воздуху. Это утверждала уже очень хорошо зарекомендовавшая себя теория электромагнетизма.

Если эфир существует, скорость света, измеренная на Земле, должна различаться в зависимости от направления солнечных лучей относительно эфира. Земля летит вокруг Солнца со скоростью около 30 километров в секунду, скорость света будет меняться в зависимости от того, совпадает ли движение Земли с движением эфирных волн, перпендикулярно, или затем снова противоположно направлению движения Земли.

Если Земля движется в абсолютно неподвижном эфире, то два луча света, направленные перпендикулярно друг другу, будут иметь разную скорость. Это проверили в эксперименте с интерферометром Майкельсона – Морли. Луч света «расщеплялся» с помощью полупрозрачного зеркала, и каждый новый луч направлялся по своему пути, отражался в другом зеркале, и наконец эти два луча снова «собирались» на детекторе. Если устройство поворачивать под разным углом к гипотетическому «эфирному ветру», то, с точки зрения неподвижного наблюдателя, луч света, движущийся в направлении движения Земли, должен быть немного медленнее, чем луч, направленный перпендикулярно ему. Поэтому, если бы эфир существовал, то световые лучи не попали бы на экран одновременно. Более того, из-за движения Земли по орбите «эфирный ветер» должен был «обдувать» ее по-разному в зависимости от времени года. Тогда экспериментаторы бы заметили, что интерференционная картина (чередование светлых и темных полос) смещается. Однако эта картина постоянна, никаких изменений нет, как очевидно, не было и эфира.

Но точнейшие измерения, проводившиеся с 1881 года в первую очередь американскими физиками Альбертом Абрахамом Майкельсоном[8] и Эдвардом Уильямсом Морли[9], показали, что таких изменений не происходит.

Специальная теория относительности не нуждалась в существовании эфира. «Введение светоэфира кажется излишним» – так сформулировал это Эйнштейн в своей новаторской работе, и благодаря ей все физики получили известие о кончине эфира.

…и электризующее противоречие

Другая проблема казалась чисто теоретической. Она звучит как жалобы мнительного бухгалтера, однако коренится в нашем повседневном опыте.

Часто бывает трудно понять, находимся ли мы в покое или движемся. Это не признак безумия. Любой, кто часто путешествует на поезде, знаком с этим явлением: если вы спокойно смотрите в окно или на отражение в оконном стекле, то иногда видите поезд, идущий по соседнему пути… и чувствуете, что движется ваш поезд. Или наоборот. Хотя эта иллюзия пропадает, стоит вам почувствовать ускорение, но если вы хотите спать или увлечены чтением книги, то можете не заметить, что ваш поезд тронулся в путь.

Эйнштейн охотно пользовался примером с поездами для описания относительности движения. Он писал:

Этот принцип уже применялся в классической механике Галилео Галилеем и Исааком Ньютоном. Два наблюдателя, равномерно и прямолинейно движущиеся относительно друг друга, не могут определить, кто из них «главный», они равноправны.

Тогда любое событие можно описать как в одной системе отсчета, так и в другой. Нужно только «перевести» движение из одной системы координат в другую. И для этого существует правило преобразования, разработанное Галилеем. Оно работает для всех инерциальных систем классической механики – это системы отсчета, которые находятся в состоянии покоя или движутся равномерно и прямолинейно.

Поезда, стоящие на подъездных путях или проезжающие мимо друг друга с постоянной скоростью, являются примерами таких инерциальных систем. Если мы будем проводить в них физические эксперименты, то придем к тем же результатам и выведем из них те же законы природы.

Правила преобразования координат имеют большое значение. Ведь законы природы не зависят от того, где находится ученый. Поэтому Ньютон ввел понятия абсолютного времени и пространства в качестве основы физики: относительно них движение можно было описать повсюду во Вселенной и с точки зрения всех наблюдателей, независимо от их собственной скорости.

Таким образом и тот, кто, задыхаясь, бежит стометровку, и тот, кто предпочитает целый день неподвижно лежать на пляже, с точки зрения физики абсолютно равноправны.

Согласно Ньютону, время абсолютно и ни от чего не зависит. Время и пространство – это неподвижная мировая сцена, на которой разыгрывается действие. А значит, абсолютна и одновременность событий. Она не зависит ни от систем отсчета, ни от положения наблюдателя. И именно эти предположения опровергла специальная теория относительности. Второй и очень важной для Эйнштейна проблемой была несовместимость законов классической механики с теорией электромагнитных полей. Центром этой теории являются уравнения электродинамики Максвелла. Джеймс Клерк Максвелл[10] сформулировал их в Лондоне в 1864 году, и это было нечто «самое глубокое и плодотворное, что физика открыла со времен Ньютона», как сказал Эйнштейн в 1931 году на праздновании 100-летия со дня рождения Максвелла.

Но описания физических процессов с точки зрения различных наблюдателей, которые равномерно и прямолинейно движутся друг относительно друга, не совпадают и в классической механике, и в теории электромагнитных полей!

Для уравнений Максвелла применяется другое преобразование, чем для механики, – преобразование Лоренца, названное в честь Хендрика Антона Лоренца[11].

То, что для систем координат необходимо использовать два разных правила преобразования, можно было бы сравнить с раздвоением личности. Одно и то же событие пришлось бы описывать разными способами, хотя мир все же кажется единым целым, тем более что электромагнитные явления могут воздействовать и на механические, и наоборот. Это фундаментальное противоречие между двумя хорошо подтвержденными экспериментально физическими теориями Эйнштейн считал «невыносимым». Оно стало отправной точкой его революционных идей. Он не хотел соглашаться с тем, что природе понадобились два разных правила для систем координат: преобразования Галилея и преобразования Лоренца.

Хотя эта абстрактная проблема может показаться надуманной и скучной, она буквально наэлектризовала Эйнштейна и некоторых его современников. И именно электродинамика стала для них головной болью (как и проблема эфира). Неслучайно знаменитая статья Эйнштейна по теории относительности озаглавлена «К электродинамике движущихся тел». Звучит довольно безобидно, не так ли? Но на самом деле это была настоящая революция в физике! Она привела к совершенно новому пониманию пространства и времени, материи и энергии. И это несмотря на то, что Эйнштейн был убежден:

Специальная теория относительности – пространство и время относительны

Короче говоря, Эйнштейн отказался от правил преобразования, принятых в механике, и признал верными только правила электродинамики. При этом он утверждал, что противоречия и исчезают, если отказаться от абсолютного времени пространства. Это было не просто математическим упражнением, не просто мысленным экспериментом, в специальной теории относительности был физический смысл. Ее практические следствия противоречили предыдущей теории, но оказались подтвержденными экспериментально. А это – лучшее, что может случиться с научной теорией!

Эйнштейн сформулировал два принципа/предположения, которые доказывают свою ценность и по сей день. Они составляют ядро специальной теории относительности.

Принцип относительности: физические законы работают одинаково во всех неподвижных или прямолинейно и равномерно движущихся (то есть без ускорения) системах отсчета.

Постоянство скорости света: скорость света одинакова во всех системах отсчета (при условии ее измерения в вакууме).

Этим Эйнштейн показал, что правила классической механики, основанные на представлении об абсолютном пространстве и времени и математически опирающиеся на преобразование Галилея, не абсолютны. Они не подходят для околосветовых скоростей. Здесь преобразование Галилея необходимо заменить преобразованием Лоренца в уравнениях Максвелла, которое является единственным правилом преобразования, достаточным для всех систем координат. Специальная теория относительности одним махом разрешила все проблемы механики и электродинамики. Отпала необходимость в «абсолютной» системе отсчета. Правда, в повседневной жизни преобразованием Лоренца приходится пользоваться не так уж часто, даже небесная механика не всегда его применяет. Например, при вращении Земли вокруг Солнца, со скоростью около 30 километров в секунду, отклонения составляют всего 100 миллионных долей процента.

Преобразование Галилея дает хороший приблизительный результат, но, строго говоря, оно неточно. Зато преобразование Лоренца работает не только для электродинамики, но и для классической механики. Это и доказал Эйнштейн.

Но для этого ему понадобилось новое понятие «одновременности»: абсолютного времени не существует, оно зависит от конкретной системы отсчета! То, что кажется одновременным одному наблюдателю, не является одновременным для другого, если он находится в другом месте, но движется с той же скоростью или движется в том же месте, но быстрее или медленнее. Таким образом, расстояния и временные промежутки не универсальны, а относительны: время может как бы растягиваться, а пространство сокращаться. Разумеется, это противоречит повседневному опыту. Но эти эффекты впоследствии были блестяще подтверждены многочисленными экспериментами.

Однако не все относительно.

Скорость света Эйнштейн признал постоянной и не зависящей от системы отсчета.

Если измерить скорость света в вакууме, она будет равна 299 792,458 километрам в секунду. Везде и всегда.