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.

---

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.

Эйнштейн же пошел дальше и совершил следующий судьбоносный прыжок. В конце 1905 г. он написал небольшую, почти тезисную статью, которой суждено было изменить мировую историю. Если линейки и показания часов искажаются тем сильнее, чем быстрее вы движетесь, то все, что можно измерить при помощи линейки и часов, тоже должно искажаться, включая вещество и энергию. Более того, вещество и энергия могут превращаться друг в друга. Эйнштейн сумел показать, что масса объекта увеличивается тем сильнее, чем быстрее он движется. (Мало того, его масса станет бесконечной, если он разгонится до скорости света – что невозможно и доказывает недостижимость скорости света.) Это означает, что энергия движения каким-то образом трансформируется в увеличение массы объекта[6]. Таким образом, вещество и энергия взаимозаменяемы. Если расписать математически, сколько энергии переходит в массу, то в несколько простых строк можно получить, что E = mc2. Это самое знаменитое уравнение в истории. Поскольку скорость света – фантастически большое число, а его квадрат еще больше, получается, что даже из крохотного количества вещества может высвободиться громадное количество энергии. Так, в нескольких чайных ложечках вещества содержится энергия нескольких водородных бомб. А объема вещества размером с дом может оказаться достаточно, чтобы расколоть Землю пополам.

Формула Эйнштейна была не просто академическим упражнением. Он считал, что с ее помощью можно объяснить занятный факт, обнаруженный Марией Кюри: то, что всего 28 г радия излучают 4000 калории в час в течение неопределенно долгого времени, нарушая, казалось бы, первый закон термодинамики, который гласит, что полное количество энергии всегда постоянно, то есть сохраняется. Эйнштейн заключил, что масса радия по мере излучения энергии должна чуть-чуть уменьшаться (настолько чуть-чуть, что измерить это уменьшение средствами 1905 г. было невозможно). «Это удивительная и соблазнительная мысль; но не смеется ли над ней Всевышний и не мистифицирует ли меня – этого я не могу знать», – писал он. В конце следовал вывод о том, что непосредственная проверка его гипотезы «пока, вероятно, лежит за пределами возможного».

Но почему раньше никто не задумывался о таких запасах энергии? Эйнштейн сравнил это с ситуацией, когда сказочно богатый человек держит свое добро в секрете и никогда не тратит из него ни единого цента.

Банеш Хоффман, бывший студент, писал: «Представьте себе дерзость такого шага… Любой комок земли, любое перо, любая пылинка становится чудесным резервуаром неосвоенной энергии. В то время не было никакого способа это проверить. Тем не менее, представляя в 1907 г. свое уравнение, Эйнштейн говорил о нем как о важнейшем следствии теории относительности. Его необычайная способность видеть далеко вперед подтверждается тем фактом, что это уравнение было проверено… только через 25 лет».

Принцип относительности заставил кардинально пересмотреть классическую физику. Прежде физики верили в сохранение энергии, в первый закон термодинамики, согласно которому энергия не появляется и не исчезает. Теперь же они рассматривали как постоянную величину суммарное количество вещества и энергии.

В том же году беспокойный ум Эйнштейна разобрался еще с одной проблемой – проблемой фотоэлектрического эффекта. Еще в 1887 г. Генрих Герц заметил, что луч света, падая на металл, при определенных обстоятельствах вызывает слабый электрический ток. Здесь работает тот самый принцип, на котором основана значительная часть современной электроники. Солнечные батареи преобразуют обычный солнечный свет в электрическую энергию, которой питаются, к примеру, наши калькуляторы. Телекамеры воспринимают световые лучи от объекта и превращают их в электрические токи, которые в конечном итоге образуют телевизионную картинку на экране.

Однако в начале XX в. все это было полной загадкой. Луч света каким-то образом вышибал электроны из металла, но как он это делал? Ньютон в свое время считал, что свет состоит из крохотных частиц, которые он называл «корпускулами», но теперь физики убедились в том, что свет – это волна и, согласно классической волновой теории, его энергия не зависит от его частоты. К примеру, хотя частоты красного и зеленого света различны, сами лучи должны, по идее, обладать одинаковой энергией, а следовательно, когда они падают на металл, энергия выбиваемых электронов тоже должна быть одинаковой. Аналогично классическая волновая теория утверждала, что если увеличить интенсивность света, просто добавив ламп, то энергия этих электронов должна возрасти. Работа Филиппа Ленарда, однако, продемонстрировала, что энергия выбиваемых из металла электронов строго зависит от частоты или цвета светового луча, а не от его интенсивности, что противоречило утверждениям волновой теории.

Эйнштейн попытался объяснить фотоэлектронный эффект при помощи новой «квантовой теории», которую в 1900 г. предложил в Берлине Макс Планк. Надо отметить, Планк предпринял едва ли не самый радикальный отход от классической физики; он предположил, что энергия – не непрерывная величина, подобная жидкости; она существует в виде определенных дискретных пакетов, называемых «квантами». Энергия каждого кванта пропорциональна частоте света, а коэффициент пропорциональности представляет собой новую физическую константу, известную сегодня как «постоянная Планка». Одна из причин того, что мир атома и кванта такой причудливый, заключается в том, что постоянная Планка – очень маленькое число. Эйнштейн рассуждал, что если энергия существует в виде дискретных пакетов, то и свет может оказаться квантованным. (Пакет, или «квант света» по Эйнштейну, позже, в 1926 г., химик Гильберт Льюис окрестил «фотоном», или частицей света.) Эйнштейн рассуждал, что если энергия фотона пропорциональна соответствующей частоте света, то энергия выбитого из металла электрона тоже должна быть пропорциональна этой частоте, в противоположность классической физике. (Забавно отметить, что в популярном телесериале «Звездный путь» экипаж «Энтерпрайза» выпускает во врага «фотонные торпеды». В реальности простейшим пусковым устройством для фотонных торпед является обычный фонарик.)

Предложенная Эйнштейном новая картина – квантовая теория света позволяла делать прямые предсказания, которые можно было проверить экспериментально. Увеличивая частоту светового луча, можно было, если верить этой теории, измерить плавный рост генерируемого в металле напряжения. Эта историческая статья (которая со временем удостоится Нобелевской премии по физике) была опубликована 9 июня 1905 г. под заголовком «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». Выход этой статьи означал «рождение фотона», а также квантовой теории света.

Еще в одной статье, написанной все в том же 1905 «чудесном году», Эйнштейн разобрал проблему атома. Хотя атомная теория показывала замечательные результаты в определении свойств газов и химических реакций, прямых доказательств существования атомов по-прежнему не было, на что любили указывать Мах и другие критики. Эйнштейн рассудил, что существование атомов, возможно, удастся доказать, понаблюдав их действие на крохотные частицы в жидкости. Понятие «броуновское движение», к примеру, относится к небольшим случайным перемещениям маленьких частиц, взвешенных в жидкости. Это явление было открыто в 1828 г. ботаником Робертом Броуном, который, наблюдая пыльцу под микроскопом, заметил, что мельчайшие зерна пыльцы совершают странные хаотичные движения. Поначалу он решил, что эти зигзагообразные движения аналогичны движению мужских половых клеток – сперматозоидов, но затем обнаружил, что такие же странные дерганые движения можно наблюдать во взвеси крохотных зерен стекла или гранита.

Некоторые ученые предполагали, что броуновское движение, возможно, вызывается случайными столкновениями молекул, но никто не мог сформулировать разумную теорию этого явления. Однако Эйнштейн сделал следующий шаг, который оказался решающим. Он рассудил, что, хотя атомы слишком малы, чтобы их можно было видеть, их размер и поведение можно оценить исходя из суммарного воздействия на более крупные объекты. Если всерьез поверить в атомную теорию и разумно применить ее, то можно, анализируя броуновское движение, рассчитать физические размеры атомов. Предполагая, что случайные движения частички пыли в воде вызваны случайными ударами триллионов и триллионов молекул воды, он сумел вычислить размер и вес атомов, получив таким образом экспериментальное доказательство существования атомов.