Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Шрифт:
Первый «бессмысленный» физический результат получили американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли в 1887 году, пытаясь измерить движение Земли в пространстве, определяя, с какого направления свет приходит с наибольшей скоростью. Естественно, ожидалось, что свет быстрее всего приходит с того направления, куда мы движемся. Это вытекает из нашего каждодневного опыта движения сквозь воздух. Майкельсон и Морли вычислили, что время, необходимое лучу света для преодоления пути туда и обратно между двумя параллельными зеркалами, должно иметь максимальное значение, когда линия, соединяющая центры зеркал, параллельна направлению движения Земли; и это время будет минимальным, когда луч света между зеркалами распространяется перпендикулярно движению планеты (рис. 14.1 и 14.2).
Рис. 14.1. (а) Альберт Майкельсон (1852–1931) и (б) Эдвард Морли (1838–1923).
Рис. 14.2. Интерферометр Майкельсона. Свет от источника расщепляется на два луча с помощью полупрозрачного зеркала. Лучи расходятся в перпендикулярных направлениях и отражаются от двух зеркал. Отраженные лучи направляются через тоже полупрозрачное зеркало в телескоп. Анализируя интерференционные полосы, возникшие при сложении этих двух лучей, можно определить, как зависит скорость света от движения Земли в пространстве.
По оценкам Майкельсона и Морли, разность времен прохождения света в их опыте должна быть маленькой, но измеряемой. Однако в эксперименте никакой разницы замечено не было. Пришлось сделать вывод, что свет распространяется всегда с одинаковой скоростью, независимо от движения измерительного прибора. Определяя скорость света, покоящийся наблюдатель получает такое же значение, как и те, которые приближаются или удаляются от источника света.
Путешествие на лодке по реке служит хорошей аналогией этого опыта, иллюстрирующего странную нечувствительность движения света к «эфирному потоку». В соревновании двух лодок одна из них движется туда и обратно поперек реки, а вторая проходит такое же расстояние вниз по течению и обратно. Предполагается, что обе лодки имеют одну и ту же скорость относительно воды. Скорость второй лодки увеличивается, когда она плывет вниз по реке, и уменьшается, когда она движется против течения. Простые вычисления показывают, что лодка, пересекающая течение, совершает свой заплыв быстрее, чем ее соперница, плывущая вдоль реки. Но свет не ведет себя так же «логично».
Майкельсон и Морли, а также и другие экспериментаторы, доказали, что свет не является обычной волной, распространяющейся в обычной среде. Если бы эти эксперименты проводились со звуковыми волнами или любыми другими волнами, распространяющимися в среде (типа воды), то всегда можно было бы определить разность скоростей и направление движения. Максвелл считал, что свет можно представить как колебания электромагнитного поля, и полагал, что эти колебания происходят в эфире. Но теперь возникла необходимость ввести новое представление о природе пространства и времени, что и было сделано Альбертом Эйнштейном.
Эйнштейн родился в городе Ульм (Германия) в семье ювелира. Альберт с трудом вписывался в школьную систему и был вынужден покинуть школу в 16 лет. Его отец, надеясь, что сын займется бизнесом, искал иные пути продолжения его образования. Технический университет в Цюрихе принял Альберта без аттестата немецкой школы, но лишь со второй попытки. В 1900 году, в возрасте 21 года, он окончил университет, но далеко не сразу нашел работу. После двух лет поисков он стал техническим служащим в Патентном бюро г. Берн. Эта работа оказалась для него вполне подходящей: между делом Эйнштейн закончил свою диссертацию и защитил ее, преодолев некоторые проблемы.
Далее в карьере Эйнштейна не происходило ничего такого, что могло бы предвосхитить чудо 1905 года: три статьи в солидном журнале Annalen der Physik, сделавшие Эйнштейна, возможно, самым знаменитым ученым прошлого века и приведшие его к Нобелевской премии. Эти статьи были о броуновском движении, о «световом газе» и о частной (специальной) теории относительности. Первая статья приводила неопровержимые аргументы в пользу вещества, состоящего из атомов, факт, который никак не признавался в то время. Вторая статья давала новую интерпретацию природы света, и третья, наиболее известная статья, обсуждала новое виденье пространства и времени и, кроме всего остального, позднее привела к предсказанию огромных резервов энергии, скрытой в материи.
Исследования Эйнштейна не остались незамеченными, но понадобилось время, чтобы они приобрели широкую известность среди профессионалов. В 1908 году Эйнштейн стал доцентом в университете г. Берн, но его настоящая университетская карьера началась через год, когда он получил место адъюнкт-профессора в университете Цюриха. В 1911 году Эйнштейн переехал в Прагу. Проведенное там время стало знаменательным в карьере Эйнштейна, поскольку именно в Праге с помощью своего друга Георга Пика он познакомился с новыми математическими методами. Они были ему необходимы для следующего гигантского шага вперед в развитии физики.
Только через год Эйнштейн вернулся в Швейцарию, в свою alma mater в Цюрихе, где вместе с Марселем Гроссманом он начал разрабатывать общую теорию относительности. Это была новая теория гравитации, уточнявшая теорию Ньютона. Эйнштейн стал настолько знаменит, что в 1914 году его назначили главой физического отделения Института Кайзера Вильгельма в Берлине и выбрали членом Прусской академии. Здесь он в 1916 году опубликовал основы общей теории относительности. Во время солнечного затмения 1919 года британская экспедиция, организованная Артуром Эддингтоном, наблюдала искривление света, предсказанное Эйнштейном, и тем самым превратила теорию Эйнштейна в серьезного конкурента теории Ньютона.
Рис. 14.3. Альберт Эйнштейн (1879–1955) и Хендрик Лоренц (1853–1928) в Лейдене в 1921 году.
В наши дни имя Эйнштейна широко известно не только в связи с его научными открытиями (на рис. 14.3 изображен Эйнштейн в начале 1920-х годов). Против него велась кампания в связи с его еврейским происхождением. В 1922 году был убит его друг-еврей, и ходили слухи, что следующим будет он сам. Эйнштейн стал известен и своими антивоенными выступлениями. Но во время гитлеровского путча 1933 года Эйнштейн был уже в безопасности, в Калифорнии. Перед отъездом он отказался от своего германского гражданства. В Германии его поносили как врага государства, а его книги были сожжены среди другой литературы, считающейся опасной.
В 1934 году Эйнштейн поселился в Принстоне (штат Нью-Джерси) и прожил там весь остаток жизни, работая над объединением электромагнетизма и гравитации в рамках единой теории. Впрочем, ни ему, ни другим физикам это не удалось. В последние годы жизни Эйнштейн боролся за запрет ядерного оружия. Разработка этого оружия не только основывалась на эйнштейновском принципе эквивалентности массы и энергии, но и сама ядерная программа США началась в ответ на письмо Эйнштейна, посланное им в 1939 году президентур Рузвельту, где он предупреждал о работах по делению урана в Германии.