Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

• Название: Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
• Автор: Митио Каку
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-9614-4066-9

Описывая жизнь Альберта Эйнштейна, Митио Каку погружает нас в бурлящую атмосферу первой половины XX в. – две мировые войны, революция в Германии, создание атомной бомбы. Он показывает читателю невидимый обычно за триумфальной стороной открытий и озарений мир ученого – этапы становления, баталии в научном мире, зачастую непростые отношения с близкими. В книге представлен свежий взгляд на новаторскую деятельность Эйнштейна, перевернувшего представления человечества о пространстве и времени. Автор книги, Митио Каку, – всемирно известный физик и популяризатор науки. Его умение доносить научные знания до самого широкого читателя сродни великому Эйнштейну, любившему повторять, что новая теория никуда не годится, если не базируется на зримом образе, достаточно простом, чтобы понять его мог даже ребенок. В своей книге Митио Каку не только удается увлекательно рассказать о жизни великого гения, но и дать четкое представление об открытиях Альберта Эйнштейна даже тем, кто далек от науки.

---

Эйнштейн, конечно, был подавлен, но, когда он в тот вечер возвращался домой, мысли его по-прежнему вращались вокруг все того же вопроса. В частности, он запомнил, как ехал в автобусе по Берну и смотрел на знаменитую башню с часами, возвышающуюся над городом. Он представил себе, что произойдет, если вдруг автобус разгонится до скорости света и начнет уноситься прочь от башни. Тут он понял, что часы на башне показались бы ему остановившимися, поскольку свет от них не смог бы догнать автобус, но что его собственные часы в автобусе шли бы совершенно нормально.

Его внезапно осенило, появился ключ к решению всего парадокса. «В голове разразилась настоящая буря», – вспоминал Эйнштейн. Ответ оказался простым и элегантным: время в разных точках Вселенной может идти с разной скоростью в зависимости от того, как быстро вы движетесь. Представьте себе множество часов, разбросанных по всей Вселенной, причем каждые часы показывают свое время и идут с собственной скоростью. Секунда на Земле отличается по длительности от секунды на Луне или на Юпитере. Более того, чем быстрее вы движетесь, тем сильнее замедляется время. (Эйнштейн однажды пошутил, что, размышляя над теорией относительности, он поместил отдельные часы в разные точки Вселенной и все они шли с разной скоростью, а в реальной жизни у него не было денег даже на одни часы.) Это означало, что события, происходящие в одной системе отсчета, не обязательно происходили одновременно и в другой, как считал Ньютон. Наконец-то он сумел проникнуть «в мысли Бога». Позже он вспоминал с неизменным возбуждением: «Решение пришло ко мне внезапно с мыслью о том, что наши концепции и законы пространства и времени могут претендовать на верность в той мере, в какой они состоят в ясных отношениях с нашим опытом… Пересмотрев концепцию одновременности и преобразовав ее в более гибкую форму, я добрался таким образом до теории относительности».

Вспомните, как в парадоксе с полицией и нарушителем полицейский для внешнего наблюдателя двигался вплотную за удирающим световым лучом, тогда как преследователь утверждал, что, как бы он ни разгонялся, луч уносился от него в точности со скоростью света. Единственный способ примирить эти две картины – заставить мозг полицейского замедлить работу. Время для полицейского замедляется. Если бы мы с обочины могли видеть, что показывают часы на руке полицейского, то увидели бы, что они почти остановились и что лицо его тоже застыло во времени. Таким образом, с нашей точки зрения было бы видно, что он несется «голова к голове» с лучом света, но его часы (и его мозг) почти остановились. Позже, поговорив с полицейским, мы выяснили, что, с его точки зрения, луч света стремительно уносился прочь только потому, что его мозг и часы работали во время погони намного медленнее.

Для завершения своей теории Эйнштейн включил в нее и сокращение Лоренца – Фицджеральда, но сжимались при этом само пространство, а не атомы, как думали Лоренц и Фицджеральд. (Суммарный эффект сжатия пространства и растяжения времени в настоящее время называется «преобразованием Лоренца».) Таким образом ему удалось окончательно разделаться с эфирной теорией. Подводя итоги своего пути к теории относительности, Эйнштейн напишет: «Максвеллу я обязан больше, чем кому-либо другому». Хотя Эйнштейн, вероятно, слышал что-то об эксперименте Майкельсона – Морли, озарение по поводу теории относительности пришло не со стороны эфирного ветра, а непосредственно от уравнений Максвелла[4].

На следующий день после откровения Эйнштейн вновь отправился к Бессо домой и, даже не поздоровавшись, выпалил: «Спасибо, я полностью решил ту задачку». Позже он с гордостью вспоминал: «Моим решением был анализ концепции времени. Время не может быть определено абсолютно, и существует неразрывная связь между временем и скоростью сигнала». Следующие шесть недель он яростно прорабатывал все математические детали своего блестящего озарения и писал статью, которая, несомненно, представляет собой одну из важнейших научных работ в истории человечества. По словам сына, после этого Эйнштейн отдал работу Милеве для проверки и поиска всевозможных математических неточностей – и свалился на две недели больным. Окончательный вариант статьи «К электродинамике движущихся тел»[5] представлял собой тридцать одну страницу не слишком разборчивого текста, но этим страницам суждено было изменить мировую историю.

В статье Эйнштейн не ссылается ни на какого из физиков; он только благодарит Микеле Бессо. (Эйнштейн был знаком с ранней работой Лоренца по этому предмету, но ничего не знал непосредственно о сокращении Лоренца, к которому пришел независимо от него.) В конце концов статья была опубликована в 17-м томе «Анналов физики» в сентябре 1905 г. Более того, в том знаменитом томе (то есть в комплекте выпусков журнала за год) были опубликованы одна за другой три выдающихся статьи Эйнштейна. Его коллега Макс Борн писал, что том 17 представляет собой «один из самых замечательных томов среди всей научной литературы. Он содержит три статьи Эйнштейна, каждая из которых посвящена отдельному вопросу и признана сегодня шедевром». (Несколько экземпляров этого знаменитого тома в 1994 г. были проданы с аукциона за $15 000.)

С захватывающим дух размахом Эйнштейн начал свою статью с заявления о том, что его теории не только описывают свойства света, но раскрывают истины о самой Вселенной. Замечательно, что он сделал все выводы из двух простых постулатов, относящихся к инерциальным системам отсчета (то есть к объектам, движущимся с постоянной скоростью относительно друг друга):

1. Законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

2. Скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета.

Эти два обманчиво простых принципа знаменуют глубочайшее проникновение в природу Вселенной со времен Ньютона. Из них можно вывести совершенно новую картину пространства и времени.

Одним мастерским ударом Эйнштейн элегантно доказал, что если скорость света действительно является физической константой, то самым общим решением является преобразование Лоренца. Затем он показал, что уравнения Максвелла в самом деле удовлетворяют этому принципу и, наконец, что скорости складываются довольно необычным образом. Хотя Ньютон, наблюдая за движением парусных судов, сделал вывод о том, что скорости можно складывать без ограничений, Эйнштейн заключил, что скорость света – это максимально возможная во Вселенной скорость. Представьте на мгновение, что вы находитесь в ракете, несущейся прочь от Земли со скоростью, равной 90 % скорости света. А теперь выстрелите внутри ракеты пулей, скорость которой тоже составляет 90 % скорости света. Согласно физике Ньютона, пуля должна лететь относительно Земли со скоростью, равной 180 % скорости света, то есть намного обгонять свет. Но Эйнштейн показал, что, поскольку длины всех объектов в ракете уменьшаются, а время замедляется, сумма этих скоростей для внешнего наблюдателя на самом деле будет близка к 99 % скорости света. Более того, Эйнштейн сумел показать, что, как бы вы ни старались, вам никогда и ни при каких обстоятельствах не удастся разогнаться до скорости, превышающей скорость света. Скорость света – абсолютный предел скорости во Вселенной.

Мы никогда не видели этих странных искажений в собственной жизни, потому что мы не умеем передвигаться со скоростями, близкими к скорости света. Для привычных нам скоростей законы Ньютона прекрасно работают. В этом и состоит главная причина того, что первую поправку к законам Ньютона нашли только через пару сотен лет. Но представьте, как обернулось бы дело, если бы скорость света равнялась всего лишь 30 км/ч. Тогда машина, ехавшая по улице, казалась бы сплюснутой в направлении движения; она была бы сжата, как меха аккордеона, и была бы в длину, возможно, всего пару сантиметров, хотя по высоте оставалась бы прежней. Поскольку пассажиры при этом были бы сплюснуты вместе с машиной до толщины в пару сантиметров, можно было бы ожидать, что они будут вопить и визжать, чувствуя, как дробятся кости. На самом же деле пассажиры при этом не замечают ничего необычного, поскольку все внутри автомобиля, включая и атомы в человеческих телах, тоже сжимается в этой плоскости.

При торможении и остановке автомобиля он медленно расширился бы обратно от пары сантиметров до нескольких метров, и пассажиры вышли бы наружу как ни в чем ни бывало. Кто на самом деле был сжат? Вы или автомобиль? Согласно теории относительности, определить это невозможно, потому что концепция длины не имеет абсолютного смысла.

Задним числом понятно, что другие ученые подходили к открытию теории относительности невероятно близко. Лоренц и Фицджеральд получили ту же формулу, но совершенно неверно интерпретировали результат; они решили, что происходит электромеханическая деформация атомов, а не тонкое изменение самого пространства и времени. Анри Пуанкаре, признанный величайшим французским математиком своего времени, тоже приблизился к открытию. Он понял, что скорость света должна быть константой во всех инерциальных системах, и даже показал, что уравнения Максвелла сохраняют форму при преобразовании Лоренца. Однако он тоже не смог отказаться от ньютоновского подхода, от эфира, и считал, что все эти искажения связаны исключительно с электричеством и магнетизмом.