Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

• Название: Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
• Автор: Марк Перельман
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-397-02592-8

Все мы знакомы с открытиями, ставшими заметными вехами на пути понимания человеком законов окружающего мира: начиная с догадки Архимеда о величине силы, действующей на погруженное в жидкость тело, и заканчивая новейшими теориями скрытых размерностей пространства-времени.

Но как были сделаны эти открытия? Почему именно в свое время? Почему именно теми, кого мы сейчас считаем первооткрывателями? И что делать тому, кто хочет не только понять, как устроено все вокруг, но и узнать, каким путем человечество пришло к современной картине мира? Книга, которую вы держите в руках, поможет прикоснуться к тайне гениальных прозрений.

Рассказы «Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы» написаны человеком неравнодушным, любящим и знающим физику, искренне восхищающимся ее красотой. Поэтому книга не просто захватывает — она позволяет почувствовать себя посвященными в великую тайну. Вместе с автором вы будете восхищаться красотой мироздания и удивляться неожиданным озарениям, которые помогли эту красоту раскрыть.

Первая часть книги, «От Аристотеля до Николы Теслы», расскажет о пути развития науки, начиная с утверждения Аристотеля «Природа не терпит пустоты» и эпициклов Птолемея, и до гелиоцентрической системы Коперника и Галилея и великих уравнений Максвелла. Читатель проделает этот огромный путь рука об руку с гениями, жившими задолго до нас.

«От кванта до темной материи» — вторая часть книги. Она рассказывает о вещах, которые мы не можем увидеть, не можем понять с точки зрения обыденной, бытовой ЛОГИКИ' о принципе относительности, замедлении времени, квантовании энергии, принципе неопределенности, черных дырах и темной материи. История загадочной, сложной и увлекательной современной физики раскроется перед читателем.

Итак, вперед — совершать открытия вместе с гениями!

---

В первой же статье по этой теме Эйнштейн принимает два постулата:

1. Все законы физики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета.

2. В любой инерциальной системе отсчета скорость света одинакова вне зависимости от движения того тела, которое этот свет испускает. (Этот постулат иногда формулируется как невозможность скорости, большей скорости света в пустоте.)

Из этих постулатов сразу же следуют правила преобразования систем координат, включающие сокращение длины в направлении движения и замедление хода времени, т. е. преобразования Лорентца (Лорентц не понял математической, так называемой групповой природы этих преобразований — ее выявили независимо Пуанкаре и Эйнштейн).

С общенаучной точки зрения чрезвычайно важным оказалось утверждение СТО об относительности понятия «одновременности»: те события, которые представляются одновременными одному наблюдателю, могут казаться разновременными другому — из-за конечности скорости распространения информации, сигнала становится невозможным установить «истинную» последовательность близких по времени событий в пространственно разделенных точках.

Трудность усвоения новых понятий хорошо иллюстрируется анекдотом, популярным в ту эпоху — Артуру Эддингтону, автору наиболее серьезной книги по теории относительности, задают вопрос: «Сэр, говорят, что Вы один из трех людей в мире, понимающих эту теорию?» Эддингтон морщит лоб и спрашивает: «А кто же третий?» Однако сейчас основы теории относительности часто включаются в школьные программы и никаких особых сложностей они уже не вызывают.

Из этих преобразований следует, что сокращения длины и замедление времени зависят от квадрата отношения скорости движения к скорости света, которая равна примерно 300 тыс. км/с. Поэтому для используемых нами двигателей и скоростей, ими развиваемых, всеми такими изменениями можно пренебречь.

Тем не менее, все выводы Эйнштейна удалось проверить в эксперименте. Для особо неверующих точные атомные часы помещали на самолет и чуть ли не неделями держали в полете — отставание часов (это микросекунды, скорость самолета мала в сравнении со скоростью света) точно соответствовало теории. Для физиков достаточны и более простые способы проверки: частица мюон (или мю-мезон) живет, в среднем, две миллионные доли секунды и распадается на электрон или позитрон и два нейтрино, однако те мюоны, которые рождены солнечными космическими лучами в верхних слоях атмосферы, успевают все же долететь до поверхности Земли — распадаются они «по собственным часам», а из-за их скорости, близкой к световой, за это же время, прошедшее по их часам, на Земле проходит в несколько раз больший промежуток времени, и поэтому их можно наблюдать, а рассчитывая их скорости, сравнивают это время с рассчитываемым по формуле лоренцевского сокращения, т. е. в соответствии с СТО.

Аналогично проверено и сокращение размеров тел вдоль линии движения с ростом скорости: два протона, разогнанные навстречу друг другу в ускорителе, взаимодействуют не как шарики, а как диски, сжатые в направлении движения согласно тем же формулам. Отметим также, что уже при определении точных координат спутников приходится учитывать эффекты СТО, иначе можно ошибиться на несколько километров.

Все эти вопросы, вопросы кинематики, составляют примерно половину первой статьи Эйнштейна, вторая половина посвящена электродинамике. При этом оказывается, что электродинамика Максвелла настолько опередила свое время и была такой завершенной, что полвека спустя Эйнштейн смог почти без изменений включить ее в СТО.

Однако из своих же исследований фотоэффекта он знает, что уравнения Максвелла не являются абсолютно универсальными, и поэтому формулирует свой принцип относительности в более общем виде, чем нужно для этих уравнений. Здесь возникает очень любопытный психологический парадокс: практически одновременно в статье о квантах он отказывается от волновой теории света, а в определении скорости света в СТО именно на нее и опирается — такой дуализм (позднее именно он станет основой квантовой механики) говорит о безграничной вере Эйнштейна в свою физическую интуицию.

С публикацией первой статьи научная «изоляция» Эйнштейна, скромного эксперта Патентного бюро, кончилась — посетивший его первым Макс фон Лауэ позднее вспоминал: «Встретивший меня молодой человек произвел очень неожиданное впечатление. Я не мог поверить, что разговариваю с создателем теории относительности». Далее он пишет, что единственная комната, где живут Эйнштейны, завешана детскими пеленками, а сам он пишет, согнувшись у кухонного стола, и одновременно покачивает кроватку с ребенком.

За несколько десятилетий до объяснения эффекта Доплера Э. Мах, пытаясь объяснить этот принцип в акустике некоему научному собранию, привел своих оппонентов на железнодорожный вокзал и уговорил машиниста проехаться взад и вперед с включенным гудком. Оппоненты были посрамлены: частота звука заметно менялась. Сейчас эффект Доплера используется полицией для определения скорости автомобилей по изменению частоты отраженного радиолуча.

Любопытно заметить, что в этой статье Эйнштейн вообще не упоминает об эксперименте Майкельсона-Морли: то ли он его еще не знает, то ли считает, что важнее всего разобраться с кинематикой и с формой уравнений Максвелла.

Отметим, что СТО вместе с идеями Эйнштейна о квантах сразу же объяснила известный эффект X. Доплера (1803–1853), согласно которому частота света (или звука) повышается, когда источник движется навстречу наблюдателю, и уменьшается, когда источник удаляется.

Минковский (1864–1909) преподавал Эйнштейну математику в Швейцарском политехникуме. Он был невысокого мнения о своем студенте и изумлялся его научным достижениям. Сам Эйнштейн в автобиографии кается в том, что уделял в юные годы недостаточное внимание математике.

И действительно, поскольку скорость кванта света при любом движении источника постоянна, то добавление или уменьшение его энергии (за счет кинетической энергии источника) ведет, согласно формуле Планка, к изменению частоты.

Первым теорию Эйнштейна приветствовал Макс Планк, он же первым продолжил ее развитие. Вероятно, наибольший вклад в ее описание внес известный математик Герман Минковский: он переписал результаты Эйнштейна в более современной математической форме (через тензоры), показал их геометрический смысл, ему, в частности, принадлежат вошедшие во всеобщее пользование термины «световой конус», «мировая линия» и т. д. Поэтому описание СТО как геометрии пространства-времени часто называют геометрией Минковского.

б. Парадокс близнецов

До проявления интереса к СТО Минковский был не очень высокого ценил о физику. Он полушутливо говорил, что единственная польза, которую он из нее извлек, состояла в том, что ранее ему было неприятно садиться в трамвае на только освободившееся теплое сидение, но когда он понял, что тепло — это всего лишь движение молекул, чувство брезгливости исчезло (это высказывание Эйнштейн приписывал М. Гроссману).

Парадоксальные выводы теории относительности долго будоражили научные и околонаучные круги (до сих пор находятся дилетанты, пытающиеся ее опровергнуть).

Наиболее долго в печати обсуждался такой парадокс. Предположим, что один из пары близнецов отправляется на сверхбыстрой ракете в дальнее путешествие, часы у него в ракете идут медленнее, чем у брата, оставшегося на Земле, возвратившись, он оказывается моложе своего брата-близнеца. Здесь пока никакого противоречия нет — все в согласии с теорией относительности.

Теория относительности вызвала громадный поток публикаций, особенно возросший после окончания Мировой войны 1914–1918 гг.: письма ее автору доходили с написанным адресом «Европа, Эйнштейну». Знаменитый философ А. Бергсон (1859–1941, Нобелевская премия по литературе 1927) пишет книгу «Длительность и одновременность» и пробует вместить содержание теории относительности в рамки своей концепции интуитивизма, а известный этнограф В. Г. Тан-Богораз пытается доказать, что основные ее положения близки к представлениям чукотских шаманов о путешествиях душ в моменты медитации. Между этими крайними проявлениями была масса иных, не менее экзотических трактовок, популярностью пользовались и такие стишки: «Юная леди по имени Кэт\ Двигалась много быстрее, чем свет.\ Но попадала всегда не туда… \ Быстро помчишься — \ Придешь во вчера» — они должны были ясно показать справедливость второго постулата Эйнштейна, невозможность скорости, большей, чем скорость света! (Цит. по: Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М.: Наука, 1989.)

Но, говорят оппоненты, давайте обострим ситуацию. Пусть эти близнецы расстаются не на Земле, а в стыкованных рядом ракетах. Тогда ведь путешествовавший брат мог считать, что движется не он, а второй брат, и поэтому при встрече тот должен быть моложе!