Теория относительности Эйнштейна за 1 час - Наталья Сердцева

«Весь мир представляется разложенным на такие мировые линии, – говорил Минковский, – физические законы могли бы найти свое наисовершеннейшее выражение как взаимоотношения между этими мировыми линиями». Для того чтобы работать с новой моделью пространства, Минковский к обычным трем осям координат х, у и z, обозначающим ширину, глубину и высоту, добавил четвертую величину – время, которое он обозначил традиционной для физики буквой t. В формуле, описывающей местоположение тела в новой системе координат, присутствовал еще одни член, с – скорость света, которая постоянно равна 300 тысячам км в секунду.

Четырехмерный мир был создан математиком для того, чтобы решать физические задачи, связанные с высокими скоростями, приближенными к скорости света, – этим уже занимался Альберт Эйнштейн. Он создал специальную теорию относительности и был на пороге нового прорыва – общей теории относительности (в которой специальная теория – лишь частный случай). Четырехмерная модель Минковского стала для Эйнштейна настоящей находкой, позволившей ему продолжить исследования.

Макс Планк, первооткрыватель кванта

Немецкий ученый Макс Планк стал основоположником квантовой физики почти случайно: он работал над теорией теплового излучения и обнаружил, что все математические расчеты приходят в упорядоченное состояние только в том случае, если предположить, что свет излучается не сплошным потоком, а небольшими дискретными частицами. Позже эти частицы были названы квантами. Некоторое время он сам не верил в свое открытие, но развитие физики показало, что он был абсолютно прав.

В первые годы после выпуска из Берлинского университета Планк занимался в основном термодинамикой – разделом физики, изучающим теплоту, механическую энергию и их преобразования. Вся термодинамика зиждется на нескольких фундаментальных законах, и по одному из них – второму началу термодинамики – Макс Планк защитил докторскую диссертацию. Позже он разрабатывал тему применения термодинамики в сфере физической химии и электрической химии, эти исследования принесли ему известность в научных кругах.

В 1887 году Планку выпустил в свет работу «Принцип сохранения энергии», где рассмотрел возникновение и эволюцию в науке этого фундаментального закона природы. Особое внимание он уделил принципу суперпозиции, который гласит: полную энергию системы можно разбить на сумму независимых компонент. «Принцип суперпозиции играет во всей физике чрезвычайно важную роль, – писал Планк, – без него все явления смешались бы друг с другом, и совершенно невозможно было бы установить зависимость отдельных явлений друг от друга; ибо если каждое действие нарушается другим, то, естественно, прекращается возможность познать причинную связь».

Проблемы электромагнитного излучения были очень актуальны на рубеже XIX–XX веков, ими занимались многие передовые ученые. Макс Планк тоже заинтересовался этой областью физики. В то время лаборатория Государственного физико-технического университета в Берлине работала над измерением теплового излучения тел. Любое тело, в котором есть тепло, испускает электромагнитные волны, и при высоком нагреве излучение можно увидеть. Повышение температуры меняет цвет тела сначала на красный, потом на оранжевый и при самых высоких показателях – на белый. Кроме температуры, на излучение влияют структура поверхности тела и его цвет.

Для исследований и измерений в качестве эталона используется такой объект, как абсолютно черное тело, полностью поглощающее лучи и совершенно их не отражающее. Идеального черного тела в природе не существует, но для этой роли подходит замкнутая непрозрачная сферическая оболочка с небольшим отверстием. Приходящее извне излучение падает на отверстие, попадает внутрь полости и многократно отражается от ее стенок. Вероятность того, что оно выйдет наружу, близка к нулю, так что оболочка вполне может выполнять функцию абсолютно черного тела в опытах и экспериментах.

Само черное тело может излучать электромагнитные волны и может, вопреки названию, иметь визуальный цвет. Вопрос о количестве и свойствах излучаемой им энергии получил в физике XIX века наименование проблемы черного тела.

Эксперименты с нагревом абсолютно черного тела, проводимые для подсчета излучаемой им энергии, выявили две закономерности. Во-первых, оказалось, что чем короче длины волн испускаемых лучей, тем больше их накапливается внутри тела. Во-вторых, чем выше частота волны, тем больше ее сохраняется внутри черного тела и тем больше энергии она в себе несет. Соединение этих закономерностей давало странный результат: получалось, что энергия излучения внутри абсолютно черного тела бесконечна. Это противоречащее всем законам физики утверждение ученые окрестили ультрафиолетовой катастрофой (потому что высокочастотные волны находятся в ультрафиолетовой части спектра).

Макс Планк, приступив к работе над проблемой излучения, пытался взглянуть на нее с точки зрения электромагнитной теории Максвелла, соединив ее с теорией теплоты. Но очень скоро он осознал, что классическая физика не может объяснить парадоксы излучения абсолютно черного тела.

В 1900 году Планк создал формулу, которая устраняла все несоответствия. Для того чтобы получить такой результат, он ввел новое понятие, противоречащее всем известным до этого принципам физики. В его формуле энергия колебаний изменяется не непрерывно, как это свойственно любой волне, а дискретно, шагами. Энергия каждого шага равняется некоей постоянной (позже эту постоянную стали называть постоянной Планка), помноженной на частоту. Дискретные порции энергии впоследствии назвали квантами, а формула, выведенная Планком, положила начало новой дисциплине – квантовой физике. С этого момента физика разделилась на «до» и «после». То, что было до открытия кванта, относится теперь к классической физике.

Открытия, совершенные на основе квантовой теории, – новая глава в науке.

Экспериментальные данные полностью подтвердили расчеты, получаемые при использовании формулы Планка. Формула работала, но ни ее создатель, ни другие ученые в то время не осознавали важности понятия «квант», которое впервые в ней появилось. Планк считал его средством, условной величиной, которая помогла вывести необходимую формулу. Он много раз пытался вернуться в рамки классической науки и «пересоздать» уравнение без кванта, но у него ничего не получалось. Зато получилось, используя формулу, вычислить количество атомов в одном моле вещества и найти электрический заряд электрона. Это были первые шаги квантовой физики.

В 1918 году Максу Планку была присуждена Нобелевская премия «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». В тот период уже было понятно, какое революционное значение имело открытие кванта. Сам Планк видел перспективы квантовой теории, но считал, что до ее развития пройдет еще очень много времени. «Введение кванта еще не привело к созданию подлинной квантовой теории», – сказал он в нобелевской лекции.

Последующие десятилетия ознаменовались грандиозными достижениями в квантовой физике, причем сам Планк, также как в первое время Эйнштейн, не хотел принимать новой интерпретации квантовой механики и неоднократно пытался вернуться к законам классической физики и примирить их с закономерностями квантовой теории. Но, как выяснилось, в мире квантов привычные законы не работали. Множество ученых, среди которых известные физики Эрвин Шредингер, Вернер Гейзенберг и Поль Дирак, занялись разработкой математического аппарата квантовой теории и проделали эту работу с успехом.

Вклад Макса Планка в развитие физики трудно переоценить, одного лишь открытия кванта и постоянной Планка хватило бы, чтобы сохранить его имя в истории, но его гению принадлежат и другие достижения. Он был одним из первых ученых, сразу принявших специальную теорию относительности Эйнштейна и посвятивших немало времени и сил ее популяризации. Его работы по этой теме послужили развитию и упрочению теории.

Планк создал новую формулировку второго начала термодинамики, приспособив его для решения задач физической химии. Работая в сфере релятивистской механики, он вывел уравнение динамики релятивистской частицы и заложил основы термодинамики. Он написал несколько трудов, посвященных проблемам оптики и теории дисперсии света. Кроме того, Планк был прекрасным педагогом, его перу принадлежат популярные учебники по физике.

Часть II. Как совершить переворот в науке: жизнь и открытия Эйнштейна

Отстающий ученик: детство будущего гения

Альберт Эйнштейн родился в семье немецких евреев со средним достатком, его отец был коммерсантом, мать занималась домом. Младенец отличался от своих сверстников: его голова была несоразмерно большой, и мать очень переживала, что это какое-то серьезное заболевание. Но врачи никаких отклонений не нашли, и позже пропорции тела пришли в норму. Были у маленького Альберта и другие отличия: он очень долго не разговаривал, держался замкнуто, не очень стремился играть с другими детьми. Сам Эйнштейн утверждал, что уже в три года выстраивал в голове длинные и сложные предложения, но высказать их вслух ему было трудно.