Давид Ласерна - Эйнштейн. Теория относительности. Пространство – это вопрос времени.

• Название: Эйнштейн. Теория относительности. Пространство – это вопрос времени.
• Автор: Давид Ласерна
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015

Альберт Эйнштейн – один из самых известных людей прошлого века. Отгремело эхо той бурной эпохи, в которую ученому выпало жить и творить, эхо мировых войн и ядерных атак, но его гениальные открытия и сегодня не потеряли остроты: закон взаимосвязи массы и энергии, выраженный знаменитой формулой Е = mc² , поистине пионерская квантовая теория и особенно теория относительности, навсегда изменившая наши, до того столь прочные, представления о времени и пространстве.

---

Родители Альберта – Герман и Паулина Эйнштейны.

Самая ранняя сохранившаяся фотокарточка Альберта Эйнштейна.

Эйнштейну 14 лет, Мюнхен.

Мальчик не смог найти общего языка и с одноклассниками, которые считали его неприязнь к подвижным играм подозрительной, однако дома он всегда находил любовь и защиту. 18 ноября 1881 года родилась единственная сестра Эйнштейна, Мария, которую в семейном кругу стали звать Майей. Вначале Альберт не выказывал сильных эмоций в связи с появлением нового члена семьи (говорят, что первым делом он поинтересовался, нет ли у нее колесиков), но позже именно сестра стала его ближайшим другом. Семьи Германа и Якоба жили вместе в великолепном доме в пригороде Мюнхена, совсем недалеко от фабрики. Перед домом был разбит пышный просторный сад, который дети называли маленьким английским – большой находился в самом Мюнхене. Эйнштейны не слишком тесно общались с соседями и предпочитали устраивать семейные вылазки в горы или к озерам.

В начале пути Эйнштейна в науку находятся два предмета: компас, подаренный Альберту отцом на день рождения в четыре года, и том «Начал» Евклида. Намагниченная стрелка указывала на тайны природы, а аксиомы и постулаты древнего грека – на возможности человеческого разума в разгадке этих тайн. Компас и учебник Евклида предсказали Эйнштейну его научную судьбу: магнетизм можно объяснять как чистый феномен относительности, а саму теорию относительности – как геометрическое видение реальности.

Будучи достаточно скороспелым юношей, я рано понял тщету тех страстей и надежд, которые беспрестанно осаждают большинство людей на протяжении всей их жизни.

Альберт Эйнштейн

Согласно другому мифу, столь утешительному для многих школьников, Эйнштейну не давалась математика. Но на самом деле эта наука стала одним из первых его увлечений. Недаром девиз Ульма, где родился ученый, звучит так: Ulmenses sunt mathematici (лат. «Все уроженцы Ульма – математики»). Эйнштейну нравилось предугадывать содержание каждой новой школьной темы, и он изобретал собственные способы объяснения, которые отличались от изложенных в учебниках. Эта детская привычка переросла в независимость мышления – одну из главных особенностей, характеризовавших взрослого Эйнштейна. Усилиться этой черте помогали и шутливые поддразнивания дяди, который, задавая племяннику сложную задачку, любил посомневаться вслух в способности юного Альберта решить ее.

Несмотря на то что проекты Якоба заводили их общее с Германом предприятие все дальше и дальше в тупик, на племянника Якоб оказал превосходное влияние. Так и видится, как мальчик приходит на фабрику и его неугомонный дядя- изобретатель показывает ему, каким образом работает каждая из его машин. Альберт мог играть с гальванометрами и электрохимическими батареями и ставить вместе с дядей бесконечные опыты и эксперименты. Образ Эйнштейна-теоретика невольно заставляет нас думать о нем как о мечтателе, человеке не от мира сего. Одним из самых больших увлечений этого ученого с детских лет были машины. Еще мальчиком он любил игры-конструкторы, обожал копаться в недрах механизмов, а став взрослым, запатентовал ряд изобретений, спроектировал новую модель холодильника и измеритель электрического напряжения, поддерживал оживленную переписку с другими любителями технических поделок.

Эйнштейну было десять лет, когда он познакомился со вторым своим духовным покровителем – Максом Тэлмеем, польским студентом-медиком, который бывал в гостях у Германа и Паулины. Практически каждый четверг в течение пяти лет он появлялся в доме Эйнштейнов к обеду и участвовал в беседах с членами семейства. Несмотря на разницу в возрасте (Макса и Альберта разделяло 12 лет), они сдружились благодаря общим интересам и взаимной симпатии. Тэлмея глубоко поразил особый ум мальчика, и он решил помочь юному другу найти ответы на волновавшие того вопросы. Макс вручил Альберту «Силу и материю» Людвига Бюхнера, «Космос» Александра фон Гумбольдта и популярную серию трудов по естествознанию авторства Аарона Бернштейна. Альберт проглотил эти книги с той же страстью, с какой другие дети читали Жюля Верна.

Атмосфера того времени способствовала тому, что Эйнштейн беспрепятственно знакомился с последними технологическими достижениями эпохи. Например, в 1861 году Джеймс Клерк Максвелл вывел уравнения электромагнитного поля. А всего в одном квартале от дома Альберта рабочие электротехнического завода Якоба Эйнштейна и К- собирали и заряжали бобины, резисторы и конденсаторы. Казалось, сам воздух был пронизан электричеством.

Век электричества

Удивление четырехлетнего Эйнштейна при виде компаса было сродни чувству, которое человек с незапамятных времен испытывал при виде электростатических явлений. Само слово «электричество» происходит от греческого elektron – «янтарь»; точная этимология слова «магнетизм» неизвестна, возможно, оно происходит от названия фессалийской области Магнесия. У нас нет точных данных о том, когда именно человек обратил внимание на то, что его волосы становятся дыбом, если потереть о них кусочком ископаемой смолы. Сам компас изобрели китайцы, скорее всего в эпоху династии Хань, около 200 года до н. э., однако объяснение этот феномен получил только в XVI веке: связь прибора с магнитным полем Земли расшифровал придворный врач Елизаветы I, Уильям Гильберт.

Интерес к явлениям электромагнетизма пережил заметный взлет в эпоху Просвещения, но только в XIX веке началось исследование его внутренних законов. Сделанные открытия запустили промышленность, которая, в свою очередь, повлекла за собой реформу английской системы патентования, рационализацию агрикультуры и изобретение парового двигателя. Технологический переворот XX века в огромной степени обязан своей основной движущей силе – электричеству.

Теоретизировать на сей счет первым начал французский ученый Шарль Огюстен Кулон (1736-1806), сформулировавший закон электростатической силы: сила притяжения или отталкивания электрических зарядов прямо пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В этой формулировке нельзя не заметить присутствие идей Ньютона. А если опустить эффект отталкивания и заменить заряды на массы, то мы увидим практически закон всемирного тяготения.

В 1800 году, пытаясь воспроизвести способ получения электричества, который используют некоторые рыбы (например, скат), Алессандро Вольта изобрел химическую батарею. Изобретение стало настоящим подарком исследователям: имея под рукой источник постоянного тока, можно было конструировать цепи, а это открывало огромное поле для экспериментов. Приведем лишь один пример: без химической батареи был бы невозможен электролиз – один из главных производственных процессов, во время которого с помощью электрического тока вещества расщепляются на составные части.

Благодаря этому изобретению ученые открыли, что электричество и магнетизм, до тех пор шедшие разными дорогами, имеют тайную связь. В 1820 году датчанин Ганс Кристиан Эрстед (1777-1851) продемонстрировал своим студентам – которые, впрочем, выказывали не слишком много энтузиазма к учению, – что электрический ток заставляет отклоняться стрелку компаса. Ранее считалось, что таким эффектом обладают только постоянные магниты. В отличие от студентов Эрстеда, ученое сообщество бурно отреагировало на его открытие: с первого момента существования мира сила магнетизма проявляла себя исключительно во взаимодействии между массами, заряженными телами и магнитами.

Что соединило электричество…

Поскольку вещество, соединяющее между собой атомы, имеет электрическую природу, прохождение сквозь него тока может оказать противоположный эффект и разделить компоненты. На протяжении XVIII и XIX веков были чрезвычайно популярны различные методы разложения материи и попытки идентифицировать ее основные элементы, и электролиз стал мощнейшим из них. Он впервые позволил расщепить вещество до таких элементов, которые до того противились любому чисто химическому воздействию. Процесс заключается в помещении полярных электродов в емкость с веществом, которое необходимо расщепить. Для создания токопроводящей среды вещество растворяется в воде либо расплавляется. Рассмотрим электролиз обыкновенной соли (NaCI). При комнатной температуре отрицательные ионы хлора (CI-) и положительные ионы натрия (Na+) образуют структуру твердого вещества. Сначала необходимо нагреть соль примерно до 800 °С, чтобы она расплавилась, а связи между ионами ослабли. Затем, при наличии достаточного напряжения, отрицательные ионы хлора благодаря притяжению элекронов начнут двигаться к положительному электроду. Здесь они превратятся в нейтральные молекулы ядовитого газа – хлора. Положительные ионы натрия соберутся у отрицательного электрода, где получат недостающие электроны, чтобы превратиться в простой натрий (2Na), который всплывет на поверхность. Английский химик Хамфри Дэви (1778-1829) подверг электролизу карбонат калия, карбонат натрия и оксид кальция (негашеную известь), в первый раз выделив в чистом виде натрий, калий (щелочные металлы) и кальций (щелочноземельный металл). Фарадей вывел формулы законов, описывающих процесс электролиза и позволяющих вычислить количество вещества, получаемого или высвобождаемого на каждом из электродов.