История лазера - Марио Бертолотти

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.

В этот год он вновь обратился к излучению черного тела и добился значительного прогресса. В ноябре 1916 г. он писал Бессо: «Чудесный свет пролился на меня в виде поглощения и испускания излучения». Его объяснения были изложены в трех статьях, две из которых появились в 1916 г., а третья в начале 1917 г. В этих работах, которые мы можем считать наиболее важным вкладом в квантовую теорию, Эйнштейн предложил статистическую теорию взаимодействия между атомами и фотонами, дал новую демонстрацию теории излучения Планка и ввел концепцию «индуцированного излучения», что обеспечило основу для открытия мазеров и лазеров, о чем мы будем говорить в следующей главе. В тот же год он обосновал современную космологию, науку о крупно масштабной структуре Вселенной, построив первую математически корректную модель Вселенной, содержащей однородно распределенное вещество, испытывающее гравитацию.

Частная жизнь Эйнштейна

После напряженной работы в предыдущие годы, в 1917 г. Эйнштейн серьезно заболел. Его кузина Эльза Эйнштейн, брак которой с торговцем по имени Ловенталь закончился разводом, ухаживала за Эйнштейном и в июне 1919 г. Альберт и Эльза поженились. Эльза, которая умерла в 1936 г., была счастлива заботиться об Эйнштейне; она гордилась его славой. Эйнштейн, обычно был не устроенный в бытовом отношении, наконец, обрел дом и заботу. Он хорошо выглядел и получал удовольствие, принимая гостей: ученых, художников, дипломатов и других близких друзей. Однако в других отношениях его жизнь была слишком тяжела для него. Посетивший его друг писал:

«Он, который всегда был несколько богемным, стал вести жизнь среднего класса... содержа дом, типичный для преуспевающей семьи в Берлине... в окружении прекрасной мебели, ковров и картин... Когда кто-нибудь посещает его...он находит Эйнштейна все еще остающимся «посторонним» в таком окружении — богемным гостем в доме среднего класса».

Все, что мы теперь знаем о его частной жизни, было разукрашено в последние годы благодаря доступу к его частным письмам и смертью тех, кто препятствовал их опубликованию. Из этих приватных эпизодов, которые никак не ограничивают нашей признательности его научных заслуг, мы узнаем, что когда ученик Эйнштейн влюбился в Мери Винтелер, молодую дочку его учителя греческого языка и истории, владельца квартиры, в которой он жил, он писал ее полные любви письма. Но быстро бросил это, когда она возвратила их. С Милевой вспыхнули бурные отношения, с рождением в 1902 г., до брака, дочки (вероятно, ее отдали на воспитание), и семья Эйнштейна сильно противилась его выбору. Этот брак закончился появлением его кузины Эльзы, которая после брака, наскучила ему, и он обращал внимание на других женщин. В поисках сенсации, один из его знакомых того периода выдвинул гипотезу, что Милева принимала участие в создании специальной теории относительности, но это не подтверждается какими бы то ни было письмами или тем, что мы знаем о научной жизни Милевой, которая не была отмечена событиями. В 1939 г. при разводе он взял под опеку своих двух сыновей и жену, и продолжал поддерживать всех трех. Более того, он решил отдать Милевой деньги из своей Нобелевской премии.

Теория относительности

Теория относительности, которая произвела революцию в наших представлениях о времени и пространстве, и которая приводит к очень важным следствиям, до 1918 г. (до конца конец Первой мировой войны) оставалась неизвестной широким кругам, за исключением немногих специалистов. Затем ситуация изменилась, и она привлекла всеобщее внимание благодаря новому способу мышления и новой философии.

Это случилось в то время, когда все устали от войны и победители и побежденные. Люди хотели чего-то нового. Теория относительность давала именно то, что было нужно, и она стала центральным аргументом преобразований. Это позволило людям забыть на время ужасы войны и проблемы, которые она вызвала.

Об относительности было написано фантастическое число статей в газетах и журналах. Никогда прежде и затем специфическая идея не вызывала такого огромного интереса. Большинство из того, что писалось и говорилось, относилось к общим философским идеям, а не являлось серьезным научным обсуждением. Было мало точной информации, но многие люди были счастливы изложить свои идеи.

В Великобритании только один человек, астроном и математик, сэр Артур Эддингтон (1882—1944) по-настоящему понял, что такое теория относительности, и стал авторитетнейшим специалистом в этой области в своей стране. Его крайне интересовали астрономические следствия теории и возможность проверки теории с помощью астрономических наблюдений. Три возможных проверки теории, основанные на предсказаниях Эйнштейна, были сделаны в его работе 1915 г. Первая связана с движением планеты Меркурий. Было установлено, что перигелий (точка траектории планеты, ближайшая к Солнцу) Меркурия смещается за оборот приблизительно на 43 угловые секунды. Это не укладывалось в теорию Ньютона и долго озадачивало астрономов.

Новая теория Эйнштейна точно предсказывала этот эффект, и измерения Эддингтона подтвердили эти предсказания. Это было большим успехом теории, но оставило Эйнштейна безучастным, когда он узнал о подтверждении Эддингтона, так как нисколько не сомневался в справедливости своей теории.

Второе подтверждение связано с отклонением света, который проходит вблизи Солнца. Теория гравитации Эйнштейна утверждает, что свет, проходящий вблизи Солнца, должен отклоняться. Согласно теории Ньютона, также должно быть отклонение, но оно в два раза меньше того, что предсказывается Эйнштейном (рис. 20). Поэтому, наблюдая звезды вблизи солнечного диска, чей свет проходит вблизи Солнца, прежде чем достигает Земли, можно проверить теорию. Однако мы можем наблюдать звезды вблизи солнечного диска только в момент полного затмения, когда свет Солнца блокирован Луной. Подходящее затмение происходило в 1919 г., и Эддингтон организовал две экспедиции для его наблюдения: одну в Бразилию под руководством А. С. Кроммелина (1865— 1939) из Гринвичской обсерватории, а другую на Принцевы Острова, около побережья Испанской Гвинеи, руководимую им самим. Обе экспедиции получили результаты, подтверждающие теорию Эйнштейна. В Лондоне, 6 ноября, на объединенном собрании Королевского Общества и Королевского астрономического общества, президент Королевского общества, нобелевский лауреат Дж. Дж. Томсон, услышав результаты Эддингтона, превознес работу Эйнштейна как «одно из высочайших достижений человеческой мысли».