Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Немецкому физику Альберту Эйнштейну (1879–1955) удалось перевернуть научную картину мира с ног на голову, не прибегая к практике. Он не поставил ни одного опыта и не провел ни единого эксперимента, а все свои заключения делал на основе воображаемых, «мысленных экспериментов». Между тем разработанная Эйнштейном теория относительности кардинально изменила представления человечества об устройстве Вселенной и показала, насколько мало мы о ней знаем.

Именно Эйнштейн первым обратил внимание на то, что скорость — понятие относительное. То есть о том, двигаемся ли мы или стоим на месте, можно судить лишь по отношению к окружающим объектам. Скажем, дом относительно Земли статичен, зато вместе с Землей он вращается вокруг Солнца. Мяч, брошенный в падающем лифте, попросту повиснет, ведь скорость у него такая же, как и у кабины. Пассажир, идущий по вагону в сторону движения состава с быстротой 4 км/ч, с позиции обычных прохожих будет «мчаться» на скорости 54 км/ч — поскольку его быстрота сложится со скоростью поезда. Между тем, топая против движения, он сможет «разогнаться» относительно зевак на земле «всего» до 46 км/ч.

Только свет, по утверждению Эйнштейна, имеет постоянную скорость, которая не изменяется с приближением или удалением источника излучения. Развивая эту мысль, ученый предположил, что обогнать или хотя бы догнать свет не сможет никто и ничто. Но чем ближе скорость объекта к световой, тем он меньше, а масса его больше. Данный закон можно описать формулой: E = mс 2, где E — энергия, m — масса, c — скорость света. То, что масса способна преобразовываться в энергию, впоследствии было использовано в развитии атомной энергетики и создании ядерной бомбы.

Продолжая размышлять, Эйнштейн открыл поразительный эффект, названный им «парадоксом близнецов». Если один из двух близнецов полетит в космос на скорости, сравнимой со световой, а другой останется на Земле, то за 70 лет первый постареет всего на 10 лет, — заявил ученый. Разумеется, в то время никто не воспринял его слова всерьез, но последующие опыты в лаборатории подтвердили: при скоростях, близких к скорости света, время замедляется.

Будучи теоретиком, Эйнштейн не пытался ничего доказать, и большинство его умозрительных опытов воплотились лишь тогда, когда были изобретены высокоточные измерительные приборы. Так, в ходе одного эксперимента самолет с очень точными часами на борту на огромной скорости облетел вокруг Земли, и после его посадки обнаружилось, что часы на долю секунды отстали от земных, то есть время хоть и немного, но замедлилось.

Еще одним мысленным примером Эйнштейн показал, что пространство и время тесно связаны, но связь эта видна лишь тогда, когда тело двигается на космической скорости, сравнимой со световой. Если член экипажа челнока, летящего со скоростью, составляющей ⅔ световой, пустит лазерный луч вертикально на зеркальный свод — свет отразится так же вертикально. Однако пассажиру неподвижного корабля покажется, будто излучение и его отражение идут по диагонали. Значит, и траектория, и длина луча, и время его распространения для подвижного и статичного наблюдателей будут неодинаковыми.

Таким образом, в своей специальной теории относительности ( СТО ) ученый установил единство пространства и времени. Раньше считалось, будто Вселенная трехмерна, то есть характеризуется лишь длиной, шириной и высотой. Однако Эйнштейн настаивал, что эти три измерения не могут существовать отдельно от четвертого — времени — и что все они представляют собой ткань пространственно-временнóго континуума.

Через 10 лет, в 1915–1916 гг., Эйнштейн углубил СТО и создал свою теорию гравитации — общую теорию относительности ( ОТО ). Идея заключалась в том, что действия ускорения и силы тяжести идентичны, а все эффекты гравитации возникают не из-за силового взаимодействия тел, а по причине искривления самого пространства-времени, на котором объекты своей массой оставляют «вмятины». Гравитация изменяет геометрические свойства пространства-времени, что воздействует на движение всех тел. Например, брошенные параллельно мячи создают «вмятину» в ткани пространства-времени и постепенно «скатываются» в одну точку.

Позже экспериментально было доказано, что вблизи очень массивных объектов пространство деформируется, время течет медленнее, а световые лучи поглощаются: гравитационное поле таких тел очень сильное, и свет просто не может его обойти. За способность поглощать свет подобные сверхмассивные объекты были названы «черными дырами».

В отличие от И. Ньютона, который с уверенностью заявлял, что планетарные орбиты в Солнечной системе находятся на одном месте, Эйнштейн догадывался: сила тяготения Солнца медленно, но верно заставляет орбиты сдвигаться. Эта эпохальная мысль привела к тому, что закон всемирного тяготения Ньютона был пересмотрен.

В 1914 г. Эйнштейн возглавил Берлинский институт физики, но в 1933 г. из-за антисемитской политики нацистов вынужден был эмигрировать в США. Накануне Второй мировой войны ученый стал одним из тех, кто послал президенту Ф. Рузвельту письмо с предупреждением о том, что фашисты пытаются создать бомбу огромной разрушительной силы (речь шла, конечно же, об атомной бомбе, разработка которой стала возможна именно благодаря открытию Эйнштейна). Рузвельт решил, что Америка тоже должна создать такую бомбу, и это дало старт гонке вооружений — хотя сам Эйнштейн был пацифистом и впоследствии выступал против ядерных разработок.

В целом же исследования великого ученого помогли человечеству разгадать многие тайны природы и повлияли на все разделы физики — от элементарных частиц до строения Вселенной.

Английский физик Поль Адриен Морис Дирак (1902–1984) проявил интерес к теории относительности Эйнштейна еще в студенческие годы. Поступив в кембриджскую аспирантуру, он узнал, что немецкий ученый В. Гейзенберг и австрийский физик Э. Шрёдингер описали поведение атомов и движение элементарных частиц вроде электрона на основе квантовой теории — то есть создали квантовую механику. Дирак внимательно ознакомился с исследованиями зарубежных коллег и обнаружил большой изъян в их концепции: она работала лишь в случае частиц с низкой, сравнительно со световой, скоростью, из-за чего законы теории относительности Эйнштейна не соблюдались. Для того чтобы с ускорением возросла масса частицы, необходимо приблизить ее скорость к световой.

Отказавшись от изучения целой системы разнозаряженных частиц, Дирак сконцентрировался на единичном электроне и написал для него уравнение движения, однако результат вычислений получился совершенно неожиданным. Как оказалось, у электрона есть дополнительная степень свободы, которая позволяет ему получить отрицательную энергию. Это казалось невероятным, и ученый чуть было не бросил все свои изыскания, но все же решил попытаться разобраться в вопросе.