Страницы истории науки и техники
Шрифт:
…Отставание в области экспериментальной проверки ОТО обусловлено как малостью эффектов, доступных наблюдению на Земле и в пределах Солнечной системы, так и сравнительной неточностью соответствующих астрономических методов. Сейчас, однако, положение изменилось в результате применения межпланетных ракет, «проб» радиометодов и т. д. Поэтому перспективы проверки ОТО с погрешностью порядка 0,1–0,01 % представляются сейчас весьма хорошими.
Если будет показано (горячо на это надеюсь), что с экспериментальной проверкой ОТО в поле Солнца «все в порядке», то вопрос о такой проверке перейдет совсем в другую плоскость. Останется вопрос о справедливости
Две последние фразы были написаны пять лет назад и фигурировали в предыдущем издании книжки. Тогда и вопрос о сплющенности Солнца оставался еще неясным и эффект отклонения лучей и запаздывания сигналов в поле Солнца был измерен с погрешностью в несколько процентов. Сейчас, когда все три эффекта, предсказанные ОТО для слабого поля, в пределах достигнутой точности в 1 % сходятся с теорией, именно проверка ОТО в сильном поле уже вышла на первый план» [314] .
314
Гинзбург В. Л. О физике и астрофизике. 3-е изд., перераб. М., 1980, с. 90–92.
В заключение сказанного о теории относительности заметим следующее. Многие ученые считают, что в ходе дальнейшего ее развития придется встретиться со сложными задачами. В настоящее время общая теория относительности в известном смысле является классической теорией, в ней не используются квантовые представления. Однако теория гравитационного поля — в этом не приходится сомневаться — должна быть квантовой. Вполне возможно, что именно здесь и придется встретиться с главными проблемами дальнейшего развития общей теории относительности.
Теперь мы переходим к другому разделу физики, вклад Эйнштейна в который очень весом, а именно к квантовой теории.
Основоположником квантовой теории является прославленный немецкий физик, член Берлинской академии паук, почетный член Академии наук СССР Макс Планк (1858–1947). Планк учился в Мюнхенском и Берлинском университетах, слушая лекции Гельмгольца, Кирхгофа и других крупных ученых, работал преимущественно в Киле и Берлине. Основные работы Планка, вписавшие его имя в историю науки, относятся к теории теплового излучения.
Известно, что излучение телами электромагнитных волн может происходить за счет различных видов энергии, по часто это тепловое излучение, т. е. его источником является тепловая энергия тела. Теория теплового излучения, говоря несколько упрощенно, сводится в основном к тому, чтобы найти зависимость между энергией излучения и длиной электромагнитной волны (или частотой излучения), температурой и затем определить полную энергию излучения во всем диапазоне длин волн (частот).
До тех нор пока энергия излучения рассматривалась как непрерывная (а не дискретная, от лат. discretus — прерываю, т. е. изменяющаяся порциями) функция определенных параметров, например длины электромагнитной волны (или частоты излучения) и температуры, не удавалось достигнуть совпадения теории и эксперимента. Опыт отвергал теорию.
Решающий шаг был сделан в 1900 г. Планком, который предложил новый (совершенно не отвечающий классическим представлениям) подход: рассматривать энергию электромагнитного излучения величиной дискретной, могущей передаваться только отдельными, хотя и малыми порциями (квантами).
Е = hv,
где Е, эрг — порция (квант) энергии электромагнитного излучения, v, с– 1 — частота излучения, h = 6,62·10– 27 эрг е— постоянная, получившая впоследствии наименование постоянной Планка, или кванта действия Планка.
Догадка Планка оказалась чрезвычайно удачной, или, лучше сказать, гениальной. Планку не только удалось получить уравнение теплового излучения, отвечающее опыту, но его представления явились основой квантовой теории — одной из наиболее всеобъемлющих физических теорий, в которую входят теперь квантовая механика, квантовая статистика, квантовая теория поля.
Необходимо сказать, что уравнение Планка справедливо только для абсолютно черного тела, т. е. тела поглощающего все падающее на него электромагнитное излучение. Для перехода к другим телам вводится коэффициент — степень черноты.
Как уже сказано, Эйнштейн внес большой вклад в создание квантовой теории. Именно Эйнштейну принадлежит идея, высказанная им в 1905 г., о дискретной, квантовой структуре поля излучения. Это позволило ему дать объяснение таким явлениям, как фотоэффект (явление, как мы уже однажды говорили, связанное с выделением электронов твердым телом или жидкостью под действием электромагнитного излучения), люминесценция (свечение некоторых веществ — люминофоров, избыточное по сравнению с тепловым излучением и возбужденное каким-либо другим источником энергии: светом, электрическим полем и пр.), фотохимические явления (возбуждение химических реакций под действием света).
Придание электромагнитному полю квантовой структуры было смелым и дальновидным действием Эйнштейна. Противоречие между квантовой структурой и волновой природой света, введение понятия фотонов, представляющих собой, как уже говорилось, кванты электромагнитного поля, нейтральные элементарные частицы, создание фотонной теории света было важным шагом, хотя и получило разъяснение только в 1928 г.
В области статистической физики, кроме создания теории броуновского движения, о чем уже говорилось, Эйнштейн совместно с известным индийским физиком Шатьендранатом Бозе, разработал квантовую статистику для частиц с целым спином [315] , получившую название статистики Бозе — Эйнштейна. Заметим, что для частиц с полуцелым спином имеется квантовая статистика Ферми-Дирака.
315
Под спином (от англ, spin — вращение) понимается собственный момент количества движения микрочастицы, имеющей квантовую природу и не связанный с движением частицы-как целого
В 1917 г. Эйнштейн предсказал существование ранее неизвестного эффекта — вынужденного испускания. Этот эффект, позднее обнаруженный, определил возможность создания лазеров.
Строение вещества
Квантовая теория
Первые попытки представить себе, как устроено вещество (какова его структура, из каких «кирпичиков» оно состоит), отделены от нашего времени многими столетиями. Сейчас трудно сказать, кто первый произнес слово «атом»; возможно, это был древнегреческий мыслитель Демокрит, живший в V–IV вв. до н. э.