Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
Шрифт:
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
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.
Это было по меньшей мере поразительно! При помощи простого микроскопа Эйнштейн сумел вычислить, что в одном грамме водорода содержится 3,03 x 1023 атомов, что достаточно близко к реальной величине. Статья называлась «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» (18 июля 1905 г.). В этой несложной статье, по существу, было дано первое экспериментальное доказательство существования атомов. (По иронии судьбы всего через год после того, как Эйнштейн вычислил размер атомов, физик Людвиг Больцман покончил с собой, отчасти из-за постоянных насмешек, которым он подвергался за развитие атомной теории.)
После написания этих трех исторических статей Эйнштейн передал одну из своих более ранних работ (о размере молекул) своему консультанту профессору Альфреду Кляйнеру в качестве диссертации. В тот вечер они прилично выпили вместе с Милевой.
Поначалу диссертация Эйнштейна была отвергнута. Однако 15 января 1906 г. Цюрихский университет присвоил-таки Эйнштейну степень доктора философии. Теперь он мог называть себя «д-р Эйнштейн». Рождение новой физики произошло в жилище Эйнштейнов по адресу Берн, улица Крамгассе, 49. («Дом Эйнштейна» можно увидеть там и сегодня. Можно заглянуть в красивое эркерное окно, выходящее на улицу, и прочесть надпись на табличке, в которой говорится, что за этим окном была создана теория относительности. На другой стене можно увидеть изображение атомной бомбы.)
Таким образом, 1905 г. стал в истории науки настоящим annus mirabilis [7] . Если мы попытаемся отыскать еще один чудесный год, сравнимый с этим, нам придется вернуться в 1666 г., когда 23-летний Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, предложил интегральное и дифференциальное исчисление, формулу бинома и теорию цвета.
Эйнштейн за 1905 г. успел изложить фотонную теорию, дать доказательство существования атомов и обрушить основы ньютоновой физики. Каждое из этих достижений было достойно международного признания. Однако, к разочарованию автора, все это было встречено оглушительным молчанием. Казалось, его работу попросту никто не заметил. Обескураженный Эйнштейн продолжал жить своей жизнью, растить ребенка и спокойно работать в патентном бюро. Может быть, мысль об открытии новых миров в физике – всего лишь несбыточная мечта.
7
Годом чудес (лат.). – Прим.
В начале 1906 г., однако, внимание Эйнштейна привлек первый проблеск реакции. Он получил одно-единственное письмо, но пришло оно от самого, может быть, значительного физика того времени Макса Планка, мгновенно разглядевшего радикальные следствия работ Эйнштейна. В теории относительности Планка привлекло то, что некая величина – скорость света – возводилась в ранг фундаментальной физической константы. Постоянная Планка, к примеру, отделяла мир классической физики от субатомного квантового мира. Мы, люди, защищены от странных свойств атомов благодаря тому, что постоянная Планка очень мала. Планк почувствовал, что Эйнштейн тоже сделал из скорости света новую физическую константу. Получалось, что мы защищены от не менее причудливого мира космической физики громадностью этой константы.
По мнению Планка, эти две константы – постоянная Планка и скорость света – обозначили границы территории, на которой действовали «здравый смысл» и ньютонова физика. Мы не в состоянии увидеть таинственную и непонятную по природе своей физическую реальность из-за того, что постоянная Планка так мала, а скорость света так огромна. Если теория относительности и квантовая теория противоречили здравому смыслу, то только потому, что мы проживаем всю свою жизнь в крохотном уголке Вселенной – в защищенном мире, где скорости малы по сравнению со скоростью света, а объекты настолько велики, что мы никогда не сталкиваемся с постоянной Планка. Природе, однако, нет дела до нашего здравого смысла, она создала Вселенную на основе элементарных частиц, которые постоянно летают со скоростями, близкими к скорости света, и подчиняются формуле Планка.
Летом 1906 г. Планк поручил своему помощнику Максу фон Лауэ посетить скромного государственного служащего, который вынырнул, казалось, ниоткуда, чтобы бросить вызов наследию Исаака Ньютона. Они должны были встретиться в приемной патентного бюро, но, как ни смешно, не обратили друг на друга внимания, потому что фон Лауэ ожидал увидеть перед собой внушительного авторитетного мужчину. Когда же Эйнштейн наконец представился, фон Лауэ был удивлен: перед ним стоял совершенно другой, удивительно молодой и небрежно одетый чиновник. Они подружились на всю жизнь. (Однако фон Лауэ разбирался в сигарах. Когда Эйнштейн предложил ему сигару, фон Лауэ постарался незаметно выбросить ее в реку Ааре, когда тот отвернулся; в этот момент молодые люди, беседуя, шли по мосту.)
Получив благословение Макса Планка, работа Эйнштейна начала постепенно привлекать внимание и других физиков. По иронии судьбы особенно сильно работой бывшего студента заинтересовался один из старых профессоров Эйнштейна из Политехникума, называвший его в свое время за пропуски лекций «ленивой собакой». Математик Герман Минковский тоже взялся за дело и доработал уравнения относительности, пытаясь переформулировать наблюдение Эйнштейна о том, что по мере разгона время превращается в пространство, и наоборот. Минковский перевел все это на язык математики и пришел к выводу, что пространство и время образуют некую четырехмерную сущность. Внезапно все вокруг заговорили о четвертом измерении.
На карте для определения положения точки необходимы две координаты (широта и долгота). Если добавить третье измерение – высоту, можно определить положение в пространстве любого объекта, хоть кончика собственного носа, хоть конца Вселенной. Таким образом, видимый мир вокруг нас трехмерен. Некоторые писатели, такие как Герберт Уэллс, и раньше в своих книгах рассматривали время как четвертое измерение; в этом случае любое событие можно определить тремя координатами и моментом времени, в который это событие произошло. Например, если вы хотите встретиться с кем-то в Нью-Йорке, можно сказать: «Встречаемся в доме на углу 42-й улицы и Пятой авеню, на двенадцатом этаже, в полдень». Четыре числа точно определяют любое событие. Но четвертое измерение Уэллса было всего лишь идеей без всякого математического или физического содержания.