Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас

◻ а. Статическая Вселенная, лишенная материи

◻ б. Сжимающаяся Вселенная с материей

◻ в. Расширяющаяся Вселенная, лишенная материи

4. Какое открытие не сделал Хаббл?

◻ а. Млечный Путь состоит из звезд

◻ б. Туманность Андромеды – это галактика

◻ в. Большинство галактик удаляются друг от друга

5. Что описал Эйнштейн вместе с де Ситтером?

◻ а. Плоская расширяющаяся Вселенная

◻ б. Искривленная статическая Вселенная

◻ в. Вселенная с космологической постоянной

Ответы: 1б, 2б, 3в, 4a, 5a

При попадании высокоэнергетического излучения на металлическую пластину ее поверхность заряжается отрицательно. Эйнштейн обнаружил, почему так происходит: отдельные «частицы» света (фотоны) выбивают электроны из металла. Это открытие произвело революцию в физике и было удостоено Нобелевской премии.

КУРЬЕЗЫ КВАНТОВОГО МИРА

«Мысль о том, что облученный электрон по собственной воле выбирает момент и направление, в котором он хочет отскочить, невыносима для меня. Если это действительно так, то я предпочел бы быть сапожником или даже крупье в казино, а не физиком»

Эйнштейн произвел революцию в понимании пространства и времени не только с помощью теории относительности, но и в более широком смысле. Ему также удалось по-новому взглянуть на микромир. Он доказал, что материя состоит из мельчайших частиц – атомов. И он обнаружил, что свет – это тоже не что-то непрерывное, он существует в форме квантов – крошечных порций энергии. Таким образом, Эйнштейн стал одним из основателей квантовой теории. Однако он не считал ее причудливые выводы последним словом науки. В частности, кажущаяся непостижимой случайность и «призрачные эффекты дальнего действия», как их называл Эйнштейн, указывали ему на то, что должна существовать более глубокая реальность и, следовательно, более фундаментальная теория. Физики ищут их и по сей день. Но никто еще не сделал то, о чем мечтал Эйнштейн: не создал единую теорию поля или «теорию всего».

Существование атомов

В 1905 году Эйнштейн, тогда еще никому не известный чиновник патентного бюро в Берне, не только обновил здание физики с помощью специальной теории относительности, но и внимательно осмотрел его фундамент – и, как вскоре выяснилось, – готовился хорошенько пошатнуть его. В публикации «Новое определение размеров молекул», которая позже была признана в Цюрихе докторской диссертацией, он сделал далекоидущие выводы из чего-то совершенно обыденного… а именно из свойств воды, в которой был растворен сахар. Он показал, что из измерений вязкости или внутреннего трения раствора можно кое-что узнать о размере и количестве молекул. (Кстати, эта статья имеет множество применений в нефтехимии, и поэтому она была самой цитируемой публикацией Эйнштейна в научной литературе до 1980-х годов.)

Во второй статье Эйнштейн упомянул хаотические движения взвешенных частиц в жидкости, которые впервые заметил ботаник Роберт Броун[116] в 1827 году. Эйнштейн нашел объяснение для этого: дело было в ударах быстро движущихся молекул самой жидкости.

Хаотическое движение взвешенных частиц в жидкости указывает на существование атомов и молекул.

Это была не новая идея, но Эйнштейн смог подтвердить, что движение атомов и молекул зависит от температуры. Таким образом, он установил связь между свойствами невидимых молекул и взвешенных частиц, движение которых можно наблюдать в микроскоп и узнать зависимости их движения от температуры и вязкости растворителя. (Предсказания Эйнштейна подтвердил Жан Батист Перрен[117] в Париже в 1908 году.) Благодаря этой работе Эйнштейн – вместе с физиком Марианом Смолуховским[118] – стал одним из основателей статистической механики.

В то время существование атомов и состоящих из них молекул все еще было предметом ожесточенных споров; ведущие физики, такие как Вильгельм Оствальд[119]и Эрнст Мах, решительно отвергали это. А работа Эйнштейна позволяла подтвердить атомную гипотезу с помощью экспериментов. Существование атомов и молекул было доказано. Таким образом оказались правдой гипотезы древнегреческих философов Левкиппа[120] и Демокрита[121], высказанные 2500 лет назад, а также более поздние рассуждения Джона Дальтона[122] и Людвига Больцмана[123].

Открытие квантов

Не только материя, но и излучение и энергия выдаются «порционно». Эта идея Эйнштейна казалась еще более странной, и, высказав ее в 1905 году, ученый более десяти лет оставался в одиночестве. Коллеги сомневались и подшучивали над ним. Но потом его смелые мысли разделили Макс Планк и Нильс Бор[124], и это стало основанием квантовой физики.

В своей статье под провокационным названием «Об эвристической[125] точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» Эйнштейн предложил объяснение фотоэффекта или светоэлектрического эффекта. В чем он заключается? Если излучение достаточно высокой частоты попадает на металлическую пластинку, то ее поверхность заряжается отрицательно. Это было хорошо известно благодаря измерениям, в частности, проделанным лауреатом Нобелевской премии по физике Филиппом Ленардом[126] – впоследствии ярым противником Эйнштейна и членом национал-социалистической партии.

При этом решающее значение имеет не интенсивность излучения, а только частота.

Эйнштейн объяснил этот эффект тем, что излучение состоит из отдельных «частиц», каждая из которых может выбивать отдельные электроны из атомов металла. Эти кванты излучения или энергии (от латинского quantum – «сколько?») химик Гилберт Ньютон Льюис[127] в 1926 году назвал фотонами (от греческого phos – «свет»). Согласно Эйнштейну, свет – и, следовательно, любой тип электромагнитного излучения, от радиоволн до инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения – должен быть дискретен, как и вещество. Эта корпускулярная модель резко противоречила представлению о свете как волне, а его подтверждали давно известные явления дифракции[128], преломления[129]и интерференции[130].

Статья Эйнштейна 1905 года критиковала устоявшееся представление о том, что энергия электромагнитного излучения непрерывно распределяется в пространстве, как это предполагает теория поля Джеймса Клерка Максвелла. Эйнштейн утверждал, что существуют опыты, которые доказывают, что эта энергия состоит из отдельных порций – квантов, которые невозможно разделить дальше. Это был разрыв с классической физикой и опровержение утверждения о том, что «природа не совершает скачков»[131]. Когда-то оно казалось философам несомненным.

Акт отчаяния

Экспериментальная квантовая физика на самом деле довольно проста. Например, все, что вам нужно сделать, это включить электрическую плиту. Она станет теплой, потом горячей, и наконец раскалится до того, что начнет светиться красным.

Но хотя люди нагревали предметы с помощью огня более миллиона лет, до 14 декабря 1900 года физика не могла правильно описать этот