Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Далее в карьере Эйнштейна не происходило ничего такого, что могло бы предвосхитить чудо 1905 года: три статьи в солидном журнале Annalen der Physik, сделавшие Эйнштейна, возможно, самым знаменитым ученым прошлого века и приведшие его к Нобелевской премии. Эти статьи были о броуновском движении, о «световом газе» и о частной (специальной) теории относительности. Первая статья приводила неопровержимые аргументы в пользу вещества, состоящего из атомов, факт, который никак не признавался в то время. Вторая статья давала новую интерпретацию природы света, и третья, наиболее известная статья, обсуждала новое виденье пространства и времени и, кроме всего остального, позднее привела к предсказанию огромных резервов энергии, скрытой в материи.

Исследования Эйнштейна не остались незамеченными, но понадобилось время, чтобы они приобрели широкую известность среди профессионалов. В 1908 году Эйнштейн стал доцентом в университете г. Берн, но его настоящая университетская карьера началась через год, когда он получил место адъюнкт-профессора в университете Цюриха. В 1911 году Эйнштейн переехал в Прагу. Проведенное там время стало знаменательным в карьере Эйнштейна, поскольку именно в Праге с помощью своего друга Георга Пика он познакомился с новыми математическими методами. Они были ему необходимы для следующего гигантского шага вперед в развитии физики.

Только через год Эйнштейн вернулся в Швейцарию, в свою alma mater в Цюрихе, где вместе с Марселем Гроссманом он начал разрабатывать общую теорию относительности. Это была новая теория гравитации, уточнявшая теорию Ньютона. Эйнштейн стал настолько знаменит, что в 1914 году его назначили главой физического отделения Института Кайзера Вильгельма в Берлине и выбрали членом Прусской академии. Здесь он в 1916 году опубликовал основы общей теории относительности. Во время солнечного затмения 1919 года британская экспедиция, организованная Артуром Эддингтоном, наблюдала искривление света, предсказанное Эйнштейном, и тем самым превратила теорию Эйнштейна в серьезного конкурента теории Ньютона.

Рис. 14.3. Альберт Эйнштейн (1879–1955) и Хендрик Лоренц (1853–1928) в Лейдене в 1921 году.

В наши дни имя Эйнштейна широко известно не только в связи с его научными открытиями (на рис. 14.3 изображен Эйнштейн в начале 1920-х годов). Против него велась кампания в связи с его еврейским происхождением. В 1922 году был убит его друг-еврей, и ходили слухи, что следующим будет он сам. Эйнштейн стал известен и своими антивоенными выступлениями. Но во время гитлеровского путча 1933 года Эйнштейн был уже в безопасности, в Калифорнии. Перед отъездом он отказался от своего германского гражданства. В Германии его поносили как врага государства, а его книги были сожжены среди другой литературы, считающейся опасной.

В 1934 году Эйнштейн поселился в Принстоне (штат Нью-Джерси) и прожил там весь остаток жизни, работая над объединением электромагнетизма и гравитации в рамках единой теории. Впрочем, ни ему, ни другим физикам это не удалось. В последние годы жизни Эйнштейн боролся за запрет ядерного оружия. Разработка этого оружия не только основывалась на эйнштейновском принципе эквивалентности массы и энергии, но и сама ядерная программа США началась в ответ на письмо Эйнштейна, посланное им в 1939 году президентур Рузвельту, где он предупреждал о работах по делению урана в Германии.

Известно немало анекдотов об Эйнштейне. Например, как-то вечером раздался телефонный звонок у президента Принстонского университета. Самого президента не оказалось на месте, и звонивший попросил: «Не могли бы вы мне сказать, где живет профессор Эйнштейн?» Ему ответили, что эта информация конфиденциальная и ее не разглашают, чтобы не докучали Эйнштейну. Тогда голос в трубке продолжил: «Пожалуйста, не говорите никому, но я и есть профессор Эйнштейн. Я вышел из дома немного пройтись и теперь не могу вернуться. Я забыл, где мой дом». Эйнштейн недавно переехал в новый дом и не успел запомнить его адрес.

В своей частной теории относительности Эйнштейн основывался на результатах наблюдений Майкельсона и Морли о постоянстве скорости света (с) независимо от движения наблюдателя. Он не выяснял причин, а рассматривал следствия, вытекающие из этого странного факта. Что такое пространство и время? В нашей повседневной жизни постоянство скорости света не играет никакой роли; наше представление о том, что имеет значение, вытекает из повседневного опыта, для которого многие особенности окружающего нас мира скрыты. Фактически, привычная формула «скорость = расстояние/время» показывает, что скорость света может быть для всех одинаковой только в том случае, если пространство и время связаны между собой таким способом, который никто не мог предположить.

Взаимосвязь координат пространства и времени означает, что мы живем в четырехмерном мире особого типа (см. врезку 14.1). По своей природе время отличается от трех пространственных измерений (длина, ширина, высота), причем не только потому, что мы измеряем время с помощью часов, а расстояние — с помощью линейки. Герман Минковский (1864–1909), один из учителей Эйнштейна, объяснял это в 1908 году следующим образом: «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции, и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранять самостоятельность».

У каждого наблюдателя есть его собственное четырехмерное пространство-время, которое тем сильнее отличается от пространства-времени другого наблюдателя, чем быстрее происходит их относительное движение. Обычно эта разница становится заметной, только когда относительная скорость приближается к скорости света. Но поскольку в обычной жизни таких скоростей не бывает, нам не удается заметить истинной связи между пространством и временем. Мы полагаем, что наше время течет с той же скоростью, что и время соседа, но это верно только до тех пор, пока мы движемся так же, как наш сосед.

Из теории относительности следует совершенно неожиданный факт. Два наблюдателя могут получать абсолютно разные результаты измерения расстояний в пространстве и интервалов во времени между двумя событиями, если они движутся друг относительно друга. Формулы для связи между разными значениями этих величин, так называемые преобразования Лоренца, были выведены еще в 1887 году Вольдемаром Фогтом (1850–1919) на основе уравнений Максвелла, а позднее — Хендриком Лоренцом (см. рис. 14.3), заложившим математический фундамент для теории относительности. Как мы помним, константа с появилась уже в уравнениях Максвелла. Любопытно, что первой релятивистской теорией была электромагнитная теория Максвелла, созданная еще до самой теории относительности! Когда Максвелл выводил свои знаменитые уравнения, он не подозревал, что в них скрыто сокровище — теория относительности.