Уильям Байнум - Краткая история науки [litres]

Эйнштейн доказал – опять же с помощью некоторого количества сложных уравнений, – что время является одним из основных измерений реальности. С того момента физикам пришлось принимать в расчет не только три знакомых пространственных измерения – длину, ширину и высоту, но и время тоже.

Эйнштейн показал, что скорость света является постоянной вне зависимости от того, удаляется он от нас или приближается. Скорость звука же меняется, и именно поэтому поезд звучит по-разному, когда он надвигается на нас или уносится прочь. Поэтому относительность в специальной теории относительности не прилагается к постоянной скорости света, она имеет отношение к наблюдателю и к тому факту, что время должно быть включено в рассмотрение.

Время тоже не абсолютно, а относительно, оно меняется в зависимости от скорости нашего перемещения, и часы показывают этот факт. Есть старая история о космонавте, отправившемся в путешествие на околосветовой скорости и вернувшемся на Землю, чтобы обнаружить, что время ушло далеко вперед. Все, кого он знал, постарели и умерли. Он же сам постарел совсем немного по сравнению с тем моментом, когда пустился в путь, словно его часы, взятые с собой, замедлились, как и восприятие времени.

Это всего лишь мыслительный эксперимент, и подобное может случиться только в научной фантастике.

Как будто этого было недостаточно, знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc 2связало массу (m) и энергию (E) неким новым образом. «C» в уравнении – скорость света. В действительности Эйнштейн показал, что масса и энергия не более чем два аспекта материи. Поскольку скорость света очень велика, а возведенная в квадрат становится еще больше, то даже очень небольшое количество массы, полностью переведенное в энергию, создаст огромное ее количество.

Даже атомная бомба превращает в энергию крохотную часть массы.

Если всю массу вашего тела целиком перевести в энергию, то получится взрыв мощностью в пятнадцать больших водородных бомб. Так что лучше не пробуйте такого.

Несколько следующих лет Эйнштейн развивал свои гипотезы, и к 1916 году он выступил с более масштабной идеей относительно устройства Вселенной, и она получила название общей теории относительности. В ней он представил гипотезы насчет взаимосвязи между гравитацией, ускорением и структурой пространства.

Эйнштейн показал, что гравитация и ускорение на самом деле эквивалентны. Вообразите, что вы находитесь в лифте и выронили яблоко из руки; оно упадет на пол. Теперь, если вы отпустите яблоко в точности в момент, когда кто-то перережет трос, на котором висит лифт, вы полетите вниз вместе с яблоком.

Относительно вас оно не будет двигаться, поскольку вы падаете с одной скоростью. В любой момент вы сможете просто протянуть руку и схватить свое яблоко. Оно никогда не доберется до пола до тех пор, пока лифт (и вы) продолжает падать. Несомненно, нечто подобное произойдет в пространстве, где нет гравитации.

Космонавты и их корабли на самом деле находятся в свободном падении.

Общая теория относительности Эйнштейна показала, что пространство, а точнее пространство-время, искривлено. Она позволила предвидеть способ объяснения нескольких феноменов, в которых физики на тот момент не могли разобраться. Согласно теории, свет должен немного отклоняться от траектории, когда он проходит рядом с большим телом, и все потому, что он сам по себе (фотоны) имеет массу и большое тело будет притягивать их к себе. Наблюдения, проведенные во время солнечных затмений, показали, что так на самом деле и происходит.

Теория Эйнштейна также позволила объяснить любопытные черты орбитального вращения Марса 1 вокруг Солнца, чего не могли сделать менее сложные законы ньютоновской механики.

Эйнштейн работал либо с чем-то очень маленьким (крохотные фотоны), либо с чем-то очень большим (Вселенная в целом). Он предложил новый убедительный способ связать одно с другим в единой схеме. Он как внес вклад в квантовую теорию, так и добавил много нового непосредственно от себя. Его идеи и уравнения, на которых они основывались, помогли определить пути, по которым пошла физическая мысль.

Но Эйнштейн одобрял далеко не все новые направления, возникшие в физической науке. Он никогда не терял веры, что Вселенная (со всеми атомами, электронами и прочими частицами) – закрытая система причины и следствия. Его знаменитая фраза гласит: «Бог не играет в кости», и это значит, что вещи всегда случаются стандартным, предсказуемым образом.

Не все с этим согласились, и другие физики, воспринявшие квантовые идеи Планка, пришли к иным выводам.

Понятие электрона оказалось центральным для большинства работ по квантовой теории того времени. В главе 30 мы видели модель атома, предложенную Нильсом Бором в 1913 году, где электроны, помещенные на фиксированные орбиты с определенной энергией, носились вокруг центрального ядра. Много усилий было потрачено на то, чтобы объяснить отношения в этой системе математически. Обычная математика тут не годится.

Чтобы разобраться с проблемой, физикам пришлось обратиться к матричной математике. В обычной 2 умножить на 3 то же самое, что 3 умножить на 2, а в матричной дело не всегда обстоит таким образом.

Именно она позволила австрийскому физику Эрвину Шредингеру (1887–1961) разработать новую систему уравнений в 1926-м. Его волновое уравнение описывает поведение электронов на внешних орбитах вокруг атома, и оно положило начало квантовой механике.

Она сделала для очень маленького то, что Ньютон сотворил для очень большого.

Подобно многим физикам, изменившим наш способ восприятия мира в первой половине двадцатого века. Шредингер должен был бежать от нацистов и провести годы войны в Дублине. Эйнштейн, как мы знаем, отправился дальше, в Соединенные Штаты.

Волновое уравнение Шредингера внесло нечто вроде порядка в картину атома. Затем Вернер Гейзенберг (1901–1976) вывел принцип неопределенности в 1927 году, частью философский, частью экспериментальный. Гейзенберг заявил, что сам акт наблюдения за электронами оказывает на них влияние и это накладывает ограничение на то, что мы можем знать.

Мы в состоянии определить либо импульс электрона (масса, умноженная на скорость), либо его позицию, но никогда то и другое вместе; определяя одно, мы делаем неопределенным другое. Эйнштейн (среди других) оказался шокирован этой идеей, и попытался опровергнуть принцип неопределенности Гейзенберга.

Он не смог и вынужден был признать свое поражение, и до сих пор этот принцип никто не смог убрать: есть определенные пределы человеческого знания о микромире.

Электрон также использовал в своих исследованиях Поль Дирак (1902–1984), англичанин, которого иногда рассматривали как второго Эйнштейна. Его книга о квантовой механике оставалась лучшей на протяжении трех десятилетий, и его собственные уравнения, посвященные квантовой активности атомов и атомных частиц, были просто блестящими.