Уильям Байнум - Краткая история науки [litres]

Бомбы убили около трехсот тысяч человек, большей частью гражданских лиц. Всему миру стала очевидна чудовищная сила ядерной энергии, и мир после этого изменился навсегда. Многие ученые, которые участвовали в создании оружия массового поражения, верили, что их достижения помогли закончить ужасную войну, но беспокоились по поводу того, что именно они создали.

Невероятная сила атомной энергии продолжает сохранять важность и в наши дни, но не исчезла и опасность ее применения в военных целях. Недоверие между Россией [10] Так у автора. и США продолжало существовать и после Второй мировой, когда десятилетиями тянулась так называемая холодная война. Обе стороны накопили огромные арсеналы ядерного или атомного оружия. К счастью, они так и не были пущены в ход ни в одном из кризисов, а в дальнейшем эти запасы сильно уменьшились благодаря международным соглашениям.

Зато число стран, обладающих ядерным оружием, выросло.

То, что физики узнали, работая над Манхэттенским проектом, позже было использовано и в мирных целях. Ядерная энергия может стать источником электричества, и при этом не выделяется парниковый газ, неизбежный спутник сжигания угля и другого ископаемого топлива. Франция получает почти три четверти своей энергии от АЭС. Япония – около четверти.

Опасность несчастных случаев и риск террористических атак вызывают беспокойство и страх по поводу ядерных технологий, несмотря на все их преимущества. Немногие явления в современной науке и технике могут стать лучшей иллюстрацией смеси политических и социальных факторов, чем наши знания и умения в области ядерной энергетики.

Альберт Эйнштейн (1879–1955) известен благодаря гриве седых волос и теориям относительно материи, энергии, пространства и времени. А еще уравнению e = mc 2. Его идеи могут выглядеть совершенно непонятными, но они изменили тот угол зрения, под которым мы смотрим на Вселенную.

Однажды Эйнштейна спросили, как выглядит его лаборатория, и вместо ответа он вытащил из кармана авторучку. Он был мыслитель, а вовсе не экспериментатор, работал за столом или около учебной доски, а не с приборами.

И все же даже Эйнштейн нуждался в информации, которую можно добыть только опытным путем, и тут он в особенности полагался на труды немецкого физика Макса Планка (1858–1947). Планк был не только мыслитель, но еще и экспериментатор. Наиболее важное открытие он сделал в возрасте около сорока лет, когда работал в Берлинском университете.

В 1890-х он начал карьеру, занимаясь электролампами, пытаясь найти способ изготовления лампочки с максимальной эффективностью. В экспериментах он использовал гипотезу «абсолютно черного тела», гипотетического объекта, поглощающего все виды падающего на него излучения и ничего не отражающего обратно. Подумайте, насколько жарко вам будет, если надеть черную футболку на солнцепеке, и насколько прохладнее будет в белой. Черная ткань поглощает намного больше энергии из солнечного света, чем белая, хотя кое-что и отражает.

Но абсолютно черное тело не может сохранить внутри себя всю энергия, и как же оно от нее избавляется?

Планк знал, что объем поглощенной энергии зависит от конкретной длины волны (частоты) света. Он проделал тщательные вычисления энергии разных длин волн и вывел математическое уравнение E = hv, где энергия (E) равняется частоте (v), умноженной на некую константу, постоянное число (h). Результат, полученный из уравнения немецкого ученого, всегда был целым числом, не дробью, и это оказалось очень важно, поскольку значило, что энергия выделяется фиксированными маленькими порциями.

Планк назвал их «квантами» (от латинского quantum – «сколько») и опубликовал работу по этому поводу в 1900 году, представив идею квантовости новому столетию. После этого и физика, и наш собственный взгляд на мир изменились навсегда, а константа из уравнения позже получила имя «постоянная Планка».

Само же уравнение оказалось не менее важным, чем эйнштейновское E = mc 2.

Физикам понадобилось некоторое время, чтобы осознать реальное значение экспериментов Планка. Эйнштейн оказался одним из тех, кто уловил всю их важность. Работая в 1905 году обычным клерком в одном из патентных бюро Цюриха, он занимался физическими изысканиями в свободное время.

И за один год он опубликовал три статьи, благодаря которым сделал себе имя. Первая, за которую Эйнштейн получил премию Нобеля в 1921 году, перевела работу Планка на новый уровень. Эйнштейн развил идеи немецкого коллеги об абсолютно черном теле и предложил совершенно новый квантовый подход.

После напряженных размышлений он показал – некоторым количеством блестящих вычислений, – что свет на самом деле переносится маленькими порциями энергии. Эти порции двигаются независимо одна от другой, несмотря на то что вместе они образуют волну. Это было ошарашивающее утверждение, поскольку физики со времен Томаса Янга, жившего веком ранее, анализировали свет именно как непрерывную волну. Он и в самом деле чаще всего ведет себя как волна, а тут молодой, никому не известный работник патентного бюро заявляет, что свет может быть частицей, фотоном, квантом!

Следующая статья Эйнштейна от 1905 года оказалась не менее революционной. Именно в ней он ввел специальную теорию относительности, которая показывает, что любое движение относительно, иначе говоря, оно может существовать лишь относительно чего-либо еще. Это достаточно сложная теория, но ее можно понять без труда, если немного напрячь воображение.

Эйнштейн не в последнюю очередь стал столь велик потому, что он не просто размышлял над некими данными, а умел представить, что они значат, и изложить все четко и логично.

Итак, представьте поезд, отходящий от станции.

В центре одного из вагонов помещена равномерно вспыхивающая лампочка, свет от нее через равные промежутки времени отправляется и вперед и назад, где отражается от зеркал, размещенных на стенках вагона. Если вы встанете в центре вагона, вы увидите, что свет возвращается к вам точно в один и тот же момент. Но некто, стоящий на платформе в тот момент, когда поезд проходит мимо, увидит отраженные вспышки последовательно.

Хотя обе порции света достигают зеркал одновременно, поезд движется вперед, так что на платформе вы увидите вспышку от удаляющегося зеркала (того, что в передней части вагона) раньше, чем вспышку от приближающегося зеркала (в задней). Таким образом, хотя скорость света не меняется, она выглядит для вас различной, то есть зависит – является относительной, другими словами – от того, является ли сам наблюдатель неподвижным или движется.