История лазера

Бертолотти Марио

В отличие от результатов фундаментального характера, изложенных в его диссертации, она вызвала необычный интерес. Это объяснялось большими практическими выводами, следующими из нее, по сравнению с другими работами Эйнштейна. Из свойств частиц в суспензии следовали выводы, применимые к движению частиц песка в бетонных смесях (важность для строительной индустрии), мицеллы казеина в молоке (важность для пищевой индустрии), аэрозоли в облаках (важность для экологии) и т.д.

Эйнштейн оставался на своей должности в Берне до конца 1909 г., когда он в первый раз получил академическую позицию доцента в университете Цюриха. В то время его научный авторитет уже был достаточно высок. Кроме результатов по квантам света, броуновского движения и теории относительности, Эйнштейн, двумя годами позже, опубликовал первую квантовую теорию удельной теплопроводности твердых тел. Теория тепла, основанная на рассмотрении энергии движения, либо сталкивающихся частиц газа, либо внутренних

колебаний твердых тел, имела большой успех, к началу XIX в. встретила серьезные трудности. Статистическая механика позволяет рассчитать количество тепла, которое нужно сообщить телу для увеличения его температуры на один градус (т.н. удельная теплоемкость). В случае твердых тел ожидалось теоретически, что эта величина примерно одинаковая для всех тел и не зависит от температуры. Эксперимент противоречил этому заключению, демонстрируя, что теплоемкость растет при увеличении температуры, достигая значения, предсказываемого статистической механикой, лишь при высоких температурах (закон Дюлонга— Пти). В 1907 г. Эйнштейн пришел к заключению, что если серьезно принять идею Планка, ее следует считать справедливой для всех видов колебаний и, применив эту концепцию к колебаниям атомов, он вывел правильную зависимость удельной теплоемкости от температуры. В том же 1907 г. Иоганн Штарк (1874— 1957), главный редактор Jahrbuch der Radiaktivitat und Elektronik, попросил Эйнштейна написать обзор по теории относительности. При работе над этой важной статьей, Эйнштейн вспомнил, что когда он сидел в Патентном бюро, он размышлял: «Если человек свободно падает, он не ощущает своего веса». Так, для наблюдателя, падающего с крыши дома, не существует гравитационного поля, по крайней мере, в ближайшем окружении. Действительно, если этот наблюдатель роняет какое-нибудь тело, оно остается относительно его в состоянии покоя или равномерного движения, независимо от его природы. Поэтому наблюдатель имеет право рассматривать свое состояние как «состояние покоя». Благодаря таким интуитивным соображениям частный экспериментальный закон, что в гравитационном поле все тела падают с одним и тем же ускорением (найденном еще Галилеем), сразу же приобретает глубокий физический смысл. Наблюдатель не имеет никаких средств, которые позволили бы ему установить, что он свободно падает в гравитационном поле. На основе таких размышлений Эйнштейн выдвинул теорию гравитации. Он пришел к заключению, что удовлетворительная теория гравитации должна включать фундаментально и естественным образом эквивалентность между инерционной и гравитационной массами и тот факт, уже установленный Галилеем, что все тела падают с одним и тем же ускорением. Гравитация и инерция по существу одно и то же, решил Эйнштейн, и поэтому удовлетворительная теория гравитации требует обобщения структуры пространство-время его теории относительности, поскольку, если гравитация принимается во внимание, концепция конечной и строго инерциально покоящейся системы координат уже неадекватна.

Его академическая карьера

Некоторое время спустя после декабря 1907 г. началась академическая карьера Эйнштейна. Первым шагом было требование, обычное в то время, получить разрешение преподавать (быть доцентом) в университете, которое давалось при определенном числе студентов. Это требование было отвергнуто университетом Берна как формалистика. Эйнштейн не включил в представляемые документы (докторская диссертация и 17 опубликованных работ) специальное сочинение Habilitation thesis, которое он еще не подготовил. Он представил необходимую работу в начале 1908 г. и получил звание.

Однако он все еще работал в Патентном Бюро и поэтому был вынужден читать лекции в свое нерабочее время. В 1908 г. он читал лекции в субботу и во вторник утром с 7 до 8 часов трем студентам, один из которых был Бессо, работающий с ним в Патентном Бюро. В 1908—1909 гг. он читал второй и последний курс каждую среду вечером с 6 до 7 часов четырем студентам.

Профессор Эйнштейн

Наконец в 1909 г. Эйнштейн стал профессором теоретической физики в университете Цюриха. Это был новый пост: с уходом Клаузиуса в 1867 г. не было профессора теоретической физики. Эйнштейна представил собранию факультета профессор А. Кляйнер, который очень хорошо говорил о нем. О его выступлении на фоне антисемитских выпадов коллег сохранилось такое свидетельство:

«Эти выражения нашего коллеги Кляйнера, основанные на многолетнем знакомстве, более ценны для комитета и факультета, чем то, что г. д-р. Эйнштейн является иудеем, так как иудеям, среди преподавателей присущи (во многих случаях, хотя и не всегда) все неприятные особенности такие, как назойливость, наглость и менталитет лавочника».

6 июля 1909 г. Эйнштейн получил отставку в Патентном Бюро и перешел в университет. Профессор Эйнштейн появился в классе в обычной одежде, часто носил слишком короткие

брюки и приносил маленькую бумажку размером с визитную карточку, по которой читал свои лекции. Между 1907 и 1911 гг. Эйнштейн потерял интерес к теории гравитации. Вместо этого он был полностью поглощен квантовой теорией. Он писал в 1908 г. своему сотруднику Лаубу (1882—1962):

«Я целиком занят вопросом сущности излучения ... Эта квантовая проблема имеет настолько исключительно важную значимость и так сложна, что она должна интересовать каждого».

И в следующем году:

«Я еще не нашел решения вопроса о свете и квантах. В то же время я стараюсь понять, смогу ли я разработать эту мою любимую проблему».

Тем не менее, позднее он временно оставил свои усилия в отношении теории света, обратился снова к теории гравитации. В 1910 г. Эйнштейн принял кафедру в Немецком университете в Праге, куда он перебрался в марте 1911 г. Теперь он старался обобщить специальную теорию относительности, включив в нее гравитацию. Теория гравитации была его главным интересом до 1916 г. В то время как большинство физиков уже признали специальную теорию относительности, считая ее прочной частью основ физики, Эйнштейн был занят поиском пределов ее применимости и математическим представлением более глобальным и более применимым ко многим физическим явлениям.

В Праге в 1911 г. он выдвинул предположение, что световые волны искривляются гравитационными полями, но необходимо было ждать до 1914 г. когда экспедиции могли бы проверить это предсказание во время солнечного затмения. Первая мировая война прервала эти наблюдения, и первые измерения могли быть сделаны лишь в 1919 г.

В 1911 г. Эйнштейн был также занят написанием важной лекции по квантовой физике на Первом Сольвеевском Конгрессе (30 октябрь — 3 ноябрь 1911 г.). После 18 месяцев, проведенных в Праге, Эйнштейн возвратился в Цюрих в конце 1912 г. на должность полного профессора в Политехникуме, где он учился двенадцать лет назад. В Цюрихе, в соавторстве с Марселем Гроссманном, который стал профессором математики, Эйнштейн опубликовал в 1913 г. предварительную версию новой теории гравитации.

В конце 1913 г., по инициативе немецких физиков Макса Планка и Вальтера Нернста (1864-1941) (нобелевского лауреата по химии за 1920 г. «За признание его работ по термохимии») Эйнштейну было сделано почетное предложение стать членом Королевской Прусской Академии в Берлине, быть профессором Берлинского университета без обязанности преподавать и стать директором вновь создаваемого Физического института кайзера Вильгельма. Задачей Эйнштейна было организовать исследовательскую работу. Его не обязывали преподавать, но он мог это делать по своему желанию. Эйнштейн не любил формальное преподавание, а живая научная атмосфера в Берлине привлекала его. Так что он принял приглашение.

Во время визита Макса Планка и Вальтера Нернста в Цюрих с целью предложить Эйнштейну новое положение он по просьбе Планка описал состояние своей работы по общей теории относительности, и Планк, который первым распознал в нем гения, сказал: «Как более старший, должен предостеречь вас; сперва вы не добьетесь успеха, и даже если и добьетесь, никто не поверит вам».

Когда Планк и Нернст ушли, Эйнштейн так прокомментировал эту встречу своему ассистенту Отго Штерну: «Эти двое напоминают мне людей, гоняющихся за редкой почтовой маркой».

Вскоре после прибытия в Берлин Эйнштейн развелся со своей женой Милевой; ему было 34 года, и он был звездой первой величины на научном небосклоне.

В Берлине, несмотря на многие контакты с коллегами, в частности с Максом Планком, Максом фон Лауэ, Вальтером Нернстом и, позднее, с Эрвином Шрёдингером и многими другими, он чувствовал себя изолированным и чужим. Он не выступал с лекциями, но активно участвовал в обсуждениях, которые следовали за научными семинарами. Как пацифист и противник национализма, он чувствовал себя еще более изолированным во время Первой мировой войны. Он полностью сосредоточился на теории гравитации и, после значительных усилий, добился успеха к концу 1915 г. в формулировке, которая до сих пор рассматривается как замечательнейшая часть классической физики. Эта теория выдержала все экспериментальные проверки, выполненные до сих пор.

В 1915 г. он также заинтересовался экспериментом, проводимым вместе с голландским физиком Вандером Иоганном де Гаазом (1878—1960) (зятем Лоренца). В этом эксперименте использовался цилиндр (например, железа), подвешенный на упругой нити, и исследовалось закручивание при быстром намагничивании; сегодня это известно как эффект Эйнштейна—де Гааза.

Тяготы войны его не слишком затронули, эти годы были наиболее продуктивными и творческими в его карьере. Он опубликовал книгу и около 50 статей. В 1916 г. Эйнштейн написал десять научных работ, среди которых были наиболее важный синтез общей теории относительности, обсуждение теории излучения света с введением спонтанного и индуцированного излучения, первая работа по гравитационным волнам и другие, которые мы обсудим в дальнейшем. Он также закончил свою популярную книгу по теории относительности.