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.

---

Эта невидимая среда удерживала в себе заряды, которые постоянно воздействовали на нее и изменяли ее эластическую структуру самим своим присутствием и движениями. Конфигурация поля в конкретной области предопределяла участь конкретной частицы, но при этом каждая из частиц определяла участь поля, а значит, свою собственную и других частиц. Максвелл вывел точные закономерности этого непрекращающегося диалога между полями и зарядами.

Джеймс Клерк Максвелл родился в Эдинбурге в 1831 году – именно тогда Фарадей пришел к идее силовых линий. Для многих Фарадей, сын кузнеца и крестьянки, был не более чем чудо-ремесленником. Возможно, из-за этого снобизма его теоретические рассуждения никто не принимал всерьез.

Пример скалярного поля: карта распределения температур в атмосфере (слева). Интенсивность цвета в каждой точке определяется числовым значением температуры. Пример векторного поля: распределение ветра над территорией Италии (справа).

Максвелл же отвечал всем общественным требованиям. В его родословной можно было найти представителей аристократии, а сам он учился в университетах Эдинбурга и Кембриджа. В последнем он даже вступил в элитное полутайное общество «Кембриджских апостолов». Впоследствии Максвелл преподавал естественную философию в лондонском Королевском колледже и возглавлял Кавендишскую лабораторию.

Высокое происхождение ученого не помешало ему воспринять идеи Фарадея всерьез. При помощи математически точного рейсфедера Максвелл начертил те линии поля, которые физик-самоучка почувствовал в узорах железных стружек. Прибегнув к помощи частных производных, он вывел законы, управлявшие структурой и эволюцией полей при любом возможном сочетании зарядов, токов и магнитов. Максвелл объяснил все макроскопические электромагнитные явления, объединив в одну систему открытия Ампера, Кулона, Фарадея и Эрстеда. Однако даже самые революционные манифесты пишутся на унаследованном от прошлого языке. Так и Максвелл для того, чтобы вывести уравнения, описывающие поведение электрических и магнитных полей, опирался на «леса» из механических моделей. Приведем слова английского физика Фримена Дайсона:

«Ученые той эпохи, включая Максвелла, пытались представить себе поля в виде механических структур, составленных из огромного количества круговоротов и завихрений, которые распространялись в пространстве. Предполагалось, что эти структуры изображали механическое напряжение, передающееся по электрическому или магнитному полю между зарядами и токами. Для того чтобы поля соответствовали уравнениям Максвелла, система круговоротов и завихрений должна была быть в высшей степени замысловатой».

Оставив в стороне круговороты, завихрения и прочие формальности, необходимо сказать, что уравнения Максвелла содержали удивительное пророчество. Если привести в движение заряд, появится переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление переменного магнитного поля, приводящего к возникновению переменного электрического поля… Открытия Эрстеда и Фарадея связаны между собой: одно неизбежно влечет за собой другое.

Работая с уравнениями, Максвелл пришел к выводу, что распространяющееся движение подчиняется математической модели движения звука или любой другой волны. Ученый смог с точностью вычислить скорость этого движения; она соответствовала частному электромагнитной и электростатической величин заряда и примерно равнялась 300000000 м/сек.

Представьте себе, что он почувствовал, когда сформулированные им дифференциальные уравнения показали, что электромагнитные поля распространяются в форме волн и со скоростью света! Мало кому в этом мире повезло испытать подобное.

Эйнштейн об эмоциях Максвелла, вызванных открытием

Эта величина была не просто цифрой. В 1849 году француз Ипполит Физо (1819-1896) поймал луч света в ловушку зеркального лабиринта и, вооружившись тонким измерительным механизмом, установил скорость света в воздухе. Согласно его данным, она равнялась 314858000 м/сек, но соотечественник Физо, Леон Фуко (1819-1868), уточнил число: 298000000 м/сек. Обычно великие ученые делают свои заявления с большой осторожностью, но, видя совпадение подобного масштаба, Максвелл не мог промолчать: «Скорость поля так близка к скорости света, что, мне кажется, есть серьезные причины сделать вывод: сам свет (включая тепловое излучение и другие виды радиации) обладает электромагнитной природой и распространяется в электромагнитном поле в форме волн, подчиняясь законам электромагнетизма».

Это открытие пробило в научном объяснении мира брешь, сравнимую по размерам с эффектом от появления дарвиновского «Происхождения видов». Наконец все обретало смысл. Действие на расстоянии уступало место полям, в чьих пределах любое изменение распространяется с конечной скоростью в форме волн. Уравнения Максвелла стали одной из первых попыток унифицировать физическую науку: к электричеству и магнетизму, соединенным благодаря Эрстеду, теперь добавлялся и свет. Сближение было неожиданным: свет считался явлением, далеким от вопросов функционирования батарей, проводов и магнитов.

Длина и цвет

Если понимать свет как волну, то скорость его распространения в вакууме не поддается изменениям, в отличие от самой волны, которую можно растянуть или сжать. Таким образом, мы будем менять размер повторяющегося шаблона, который называется длиной волны, X.

Чем больше X при постоянной скорости распространения, тем ниже частота v, с которой повторяется шаблон. Поэтому X и v – величины обратно зависимые; их отношение выражено в формуле с = X • v, где X измеряется в единицах расстояния, a v – в обратных единицах времени. Если говорить о видимом излучении, то изменение длины волны глаз отмечает как изменение цвета. Если взять фиолетовую волну и начать ее растягивать, то получится синяя, потом зеленая, желтая, оранжевая, красная… и так пока она совсем не исчезнет. То же произойдет и при сжатии. Диапазон волн превышает возможности наших органов зрения и образует два невидимых для нас сектора – инфракрасный и ультрафиолетовый.

Прочтя работу Максвелла, немецкий физик Генрих Герц решил начать охоту на ускользающие электромагнитные волны. Герц доказал, что они действительно были светом – но невидимым: человеческое зрение не может воспринять волны этой длины.

Физики и инженеры быстро освоили уравнения Максвелла, и их практическому применению не мешала предполагаемая уравнениями сложнейшая система круговоротов и вихрей. В конце концов эта система отошла в небытие сама по себе, подобно уже не нужным лесам, разобранным по окончании строительства. Эйнштейн, со свойственным ему лаконизмом, объяснил произошедшее так:

«В течение десятилетий большинство ученых-физиков считали, что должна найтись механическая структура, которая сделала бы теорию Максвелла наглядной. Но провал всех усилий привел к тому, что новое понятие поля было признано неразлагаемым. Другими словами, ученые решили смириться с отсутствием механического основания теории полей».

Понятие поля не только отвечало на вопрос, как может одно тело оказывать воздействие на другое: оно просто было удобным и потому широко использовалось. Однако оно вызвало к жизни новую задачу: можно ли переформулировать теорию тяготения, которая до сих пор опиралась на закон мгновенного действия? И чтобы решить эту задачу, Эйнштейну пришлось изобрести теорию нового образца – общую теорию относительности.

В горе и в радости

Теоретический авангард науки подготовил почву для позднейших технологических внедрений. За Кулоном, Эрстедом, Ампером, Фарадеем и Максвеллом пришли Маркони, Грэхем Белл, Морзе, Тесла и Эдисон, а также целая толпа коммерсантов, желавших сколотить состояние на научных открытиях. Якоб и Герман Эйнштейны также подошли к электромагнитным полям за своей долей прибыли.

Когда братья открыли в Мюнхене первое дело, все предвещало великолепное будущее. В 1885 году они подписали контракт на обеспечение Октоберфеста (первый раз в истории!) электрическим освещением, в 1891 году приняли участие в международной электротехнической выставке во Франкфурте.

Электротехническая промышленность переживала головокружительный подъем. В десятилетие между 1880 и 1890 годами спрос на новые коммуникации был так велик, что на солидную прибыль могли рассчитывать даже скромные предприниматели. Однако большие немецкие компании постепенно оттеснили семейные предприятия на периферию рынка, а позже изгнали их и оттуда. В 1894 году электротехнический завод Якоба Эйнштейна и К- впервые стал банкротом. Итальянский представитель фирмы, Лоренцо Гарроне, предложил перенести дело в Павию. Пока Герман взвешивал за и против в таком важном решении, горящий энтузиазмом Якоб уже взял билеты на поезд, следующий в Италию.