Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
Шрифт:
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
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.
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.
6
При последующем развитии физики эта концепция парадоксальным образом изменилась. Оказалось, что удобнее и корректнее говорить именно об энергии релятивистского тела, сохраняя массу неизменной – инвариантной. – Прим. пер.
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.