Теория относительности Эйнштейна

В 1905 году в немецком научном журнале «Annalen der Physik» появилась небольшая статья 26‑летнего Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», в которой была изложена специальная теория относительности, сделавшая вскоре этого молодого человека знаменитым. В том же году и в том же журнале появилась еще одна его статья «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», дополняющая первую.

Альберт Эйнштейн

Принцип относительности – это фундаментальный принцип, согласно которому все физические процессы в инерционных системах отсчета протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Простейший пример: наблюдая полет птицы с платформы или из окна поезда, мы получаем разную величину скорости этого полета, но сам характер движения остается тем же, – движение остается все время равномерным и прямолинейным. Точно так же, находясь в вагоне поезда, движущегося равномерно и прямолинейно, мы можем играть в мяч, вызывая какие угодно его движения: они будут протекать совершенно так же, как если бы поезд стоял неподвижно.

Таким образом, равномерное и прямолинейное движение какой‑либо системы тел (в данном случае поезда) не отражается на механических процессах, происходящих внутри этой системы. Эти процессы проистекают точно так же, как если бы система была неподвижна.

Конечно же, специальная теория относительности Эйнштейна появилась не на пустом месте. Она выросла из решения электродинамической проблемы движущихся тел, над которой работали многие ученые.

В своих «Математических началах натуральной философии» еще Исаак Ньютон сформулировал принцип относительности следующим образом:

...

«Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком‑либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения».

При этом он считал, что той абсолютно покоящейся системой отсчета, относительно которой нужно рассматривать «истинные» движения тел, должен служить некий «неподвижный эфир». А под эфиром понималась гипотетическая всепроникающая среда, которую еще в античные времена называли «заполнителем пустоты».

Согласно воззрениям Ньютона, во Вселенной должны быть «нормальные часы», которые отсчитывают ход «абсолютного времени». Кроме того, должно существовать и «абсолютное движение», то есть «перемещение тела из одного абсолютного места в другое абсолютное место».

В течение 200 лет эти базовые принципы Ньютона считались верными. Более того, в XIX веке учение об эфире стало таким популярным, что ни один ученый и не думал подвергать его сомнению.

Первым, кто начал открыто критиковать догмы классической (ньютоновской) физики, стал австрийский физик Эрнст Мах (1838–1916), проводивший эксперименты со звуковыми волнами и изучавший явление инерции.

Мах попытался опровергнуть понятия «абсолютное пространство», «абсолютное движение» и «абсолютное время». Он утверждал, что все эти категории субъективны по своему происхождению, а мир – это «комплекс ощущений», соответственно, задача науки состоит в описании этих «ощущений».

Отметим, что Эйнштейн был знаком с трудами Маха, и это сыграло непоследнюю роль в его работе над теорией относительности.

В экспериментальной физике ньютоновские исходные понятия также были поставлены под сомнение. Рассуждения при этом строились примерно таким образом. Земля движется по своей орбите вокруг Солнца, а Солнечная система движется в мировом пространстве. Следовательно, если световой эфир покоится в «абсолютном пространстве», а небесные тела проходят через него, то их движение по отношению к эфиру должно вызывать заметный «эфирный ветер». А это, в свою очередь, значит, что его можно обнаружить с помощью чувствительных приборов.

В 1881 году физический опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен американским физиком прусского происхождения Альбертом Майкельсоном (1852–1931) по идее, высказанной за 12 лет до этого британским физиком Джеймсом Максвеллом (1831–1879). При этом Майкельсон рассуждал следующим образом: если земной шар движется сквозь абсолютно неподвижный эфир, тогда луч света, пущенный с поверхности Земли, при определенных условиях будет отнесен назад «эфирным ветром», который дует навстречу движению Земли. Что же касается «эфирного ветра», то он должен возникать только благодаря перемещению Земли относительно эфира.

Первая экспериментальная установка была построена и испытана Майкельсоном в Берлине, все приборы были смонтированы на каменной плите и могли поворачиваться как единое целое.

Затем опыты были перенесены в Америку и выполнялись при участии близкого друга и сотрудника Майкельсона Эдварда‑Уильямса Морли (1839–1923). Учеными был создан зеркальный интерферометр, который мог зарегистрировать даже самый слабый «эфирный ветер» (или скорость движения Земли относительно эфира).

Результаты всех опытов, проведенных потом еще и в 1887 году, не показали существования какого бы ни было «эфирного ветра». По словам Альберта Эйнштейна, опыты Майкельсона – Морли имели огромное значение для рождения теории относительности, став ее основанием и первым экспериментальным подтверждением.

Однако не все физики были согласны с тем, что эфир не существует и что исходные понятия Ньютона должны быть забыты навсегда. В частности, в 1895 году попытался «спасти» эфир голландский физик Хендрик‑Антон Лоренц (1853–1928). Согласно его теории, существовал неподвижный эфир, но скорость света относительно эфира не зависела от скорости его источника. А еще он высказал предположение о том, что быстро движущиеся тела испытывают сокращение.

А за четыре года до Лоренца подобное же предположение сделал профессор Дублинского университета Джордж‑Фрэнсис Фицджеральд (1851–1901), но Лоренц об этом не знал. Оба ученых утверждали, что все предметы «под давлением» эфира сплющиваются (сокращаются, укорачиваются), и величина всех этих сплющиваний такова, что уравновешивает действие «эфирного ветра». Впрочем, как‑то доказать свои предположения эти ученые не могли.

Осенью 1904 года знаменитый французский физик, математик и астроном Жюль‑Анри Пуанкаре (1854–1912) попытался развить мысли Лоренца, дать им правильную математическую формулировку и оформить в виде более или менее стройной теории.

Надо сказать, что еще в 1898 году, то есть задолго до Эйнштейна, Пуанкаре в своей работе «Измерение времени» коснулся общего принципа относительности, однако он продолжил придерживаться концепции эфира, хотя и высказал предположение о том, что его никогда не удастся обнаружить.

Под влиянием критики Пуанкаре Хендрик‑Антон Лоренц в 1904 году предложил новый вариант своей теории, в котором говорилось о том, что при больших скоростях механика Ньютона нуждается в поправках.

В ответ в июне 1905 года Жюль‑Анри Пуанкаре в своей статье «О динамике электрона» достаточно четко сформулировал всеобщий принцип относительности для всех физических явлений. В этом смысле, Пуанкаре намного опередил Лоренца.

К сожалению, Жюль‑Анри Пуанкаре не выразил свою теорию «с резкостью» и не рискнул пойти «до конца», продолжая признавать возможность использования эфира как абсолютной системы отсчета. Впрочем, справедливости ради следует отметить, что он не только сделал революционное предположение о том, что пресловутый эфир необнаружим, но в одной из своих лекций даже сформулировал не менее революционный вопрос: «А есть ли он вообще, наш эфир?»

К счастью, «до конца» смог пойти Альберт Эйнштейн (1879–1955), которому удалось вывести физику из тупика и направить ее в совершенно новое русло. В «Курсе истории физики» П. С. Кудрявцева читаем:

...

«Истинным создателем теории относительности был Эйнштейн, а не Пуанкаре, не Лоренц (…) и не кто‑либо другой. Дело в том, что все эти авторы не отрывались от электродинамики и не рассматривали проблему с более широкой точки зрения… Иное дело – подход Эйнштейна к этой проблеме. Он взглянул на нее с принципиально новых позиций, с совершенно революционной точки зрения».

А вот что по этому поводу написал в 1912 году сам Хендрик‑Антон Лоренц:

...

«Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первый высказал принцип относительности в виде всеобщего строго и точно действующего закона».

Эйнштейн не только предложил вовсе отказаться от рассмотрения эфира как излишней для рассуждений сущности, но и перевел принцип относительности из ранга гипотезы в ранг фундаментального закона природы.

Альберт Эйнштейн… Кто не знает имени этого гениального ученого, одного из основателей современной теоретической физики, лауреата Нобелевской премии, почетного доктора двадцати ведущих университетов мира, члена множества академий наук, великого мыслителя и просто гения? Этот человек родился в семье мелкого коммерсанта, а когда ему исполнился год, его семья перебралась в Мюнхен. Там Альберт начал учиться в гимназии и вскоре в точных науках намного опередил своих сверстников.

В 1896 году Эйнштейн приехал в Швейцарию и стал студентом Цюрихского политехнического института. Там одним из его учителей был превосходный математик Герман Минковский (1864–1909). Кстати сказать, впоследствии именно он придаст специальной теории относительности Эйнштейна законченную математическую форму.

Герман Минковский

Летом 1900 года Политехникум был закончен, а в следующем году Эйнштейн получил швейцарское гражданство и стал работать техническим экспертом в Швейцарском патентном бюро в Берне. А в 1905 году в научном журнале «Annalen der Physik», как мы уже говорили, вышли работы Эйнштейна, принесшие ему мировую известность и ставшие поворотным пунктом в истории физики. Фактически с этого момента пространство и время навсегда перестали быть тем, чем были прежде, квант и атом обрели реальность, а масса тела, зависящая от скорости его движения, стала одной из форм энергии.

В статье «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн изложил свою специальную теорию относительности. В ее основе лежали два постулата: первое – в любых инерциальных (то есть движущихся без ускорения) системах все физические процессы протекают одинаково; второе – скорость света в вакууме тоже одинакова и не зависит от движения источника или наблюдателя.

Из постоянства скорости света вытекают два знаменитых следствия: относительность промежутков времени и относительность расстояний.

Относительность промежутков времени заключается в замедлении хода часов в быстродвижущейся системе по сравнению с часами, находящимися в покоящейся системе отсчета относительно первой.

...

Пример. Два удаленных друг от друга человека стреляют из пистолетов. Мы считаем, что эти события происходят одновременно. Теперь предположим, что стрелки находятся на корме и носу длинного парохода, который очень быстро (почти со скоростью света), но равномерно и прямолинейно движется по реке. И есть еще два человека: точно посередине парохода – капитан, а на берегу реки – бакенщик.

К капитану вспышки от выстрелов пришли вместе, и он утверждает, что выстрелы были произведены одновременно. А вот бакенщик не может признать этого. Почему? Да потому, что пока свет вспышек шел к капитану и бакенщику, пароход успел сместиться вперед относительно берега. Поэтому одна из вспышек прошла до бакенщика больший путь. То есть получается, что бакенщик признает выстрелы неодновременными. Для капитана промежуток времени между выстрелами равен нулю. Для бакенщика выстрелы разделены во времени.

Относительность расстояний заключается в том, что расстояние не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчета.

...

Пример. Тот же пароход движется мимо ленты, которую разложил на берегу бакенщик. По измерениям бакенщика длина ленты составляет, например, 100 метров.

Но капитан с этим не согласен. Для капитана лента короче. Почему? Потому что для того, чтобы измерить длину ленты с мчащегося корабля, капитан одновременно (для себя!) засекает на палубе точки, совпадающие с ее концами, а потом спокойно отмеряет расстояние между засечками. Но относительно бакенщика засечки были сделаны неодновременно. Сначала, по его мнению, было засечено начало ленты, а потом – конец. Между моментами засечек корабль успел переместиться вперед – вот и вышло, что на пароходе засечки ближе друг к другу, чем следовало бы по отсчетам бакенщика.

Однако ошибки в измерении у капитана не было! Разница же итогов измерений стала результатом относительности одновременности. Точно так же и бакенщик, стоящий на берегу, измеряя таким же способом длину парохода, найдет его более коротким, чем находящийся на нем капитан.

Отметим, что эффекты, описанные выше, ученые называют релятивистскими, и они наблюдаются при скоростях движения, близких к скорости света.

Естественно, эта теория привела к ломке многих основополагающих понятий, в том числе абсолютности пространства и времени.

Исходя из нее, Эйнштейн в том же 1905 году открыл закон взаимосвязи массы и энергии, и его математическим выражением стала знаменитая формула E = mc2. А это, в свою очередь, позволило упростить все законы сохранения. Оба закона – сохранения массы и сохранения энергии – до этого существовавшие раздельно, превратились в один общий закон: для замкнутой материальной системы сумма массы и энергии остается неизменной при любых процессах. Этот закон Эйнштейна теперь лежит в основе всей ядерной физики.

В 1909 году Эйнштейн стал профессором теоретической физики Цюрихского университета, а затем перешел на кафедру теоретической физики Немецкого университета в Праге, где долгие годы работал Эрнст Мах.

Летом 1912 года Эйнштейн возвратился в Цюрих, где он занялся разработкой математического аппарата, необходимого для дальнейшего развития его теории относительности. Потом он перебрался в Берлин и проработал там 19 лет, читая лекции, ведя семинары и участвуя в различных научных симпозиумах.

Примерно в 1915 году Эйнштейн завершил создание своего нового шедевра – общей теории относительности. В ней было не только сделано обобщение специальной теории относительности [16], но и излагалась новая теория тяготения. Энштейн предположил, что все тела не притягивают друг друга, как считалось со времен Исаака Ньютона, а искривляют окружающее пространство и время.

На основе этого, среди прочих явлений, было предсказано отклонение световых лучей в гравитационном поле.

Однажды Эйнштейн не без иронии сообщил известному физику Джеймсу Франку (1882–1964):

...

«Почему именно я создал теорию относительности? Когда я задаю себе такой вопрос, мне кажется, что причина в следующем. Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли, когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему, чем ребенок с нормальными наклонностями».

Многие «нормальные взрослые люди» не понимали и даже опасались революционных теорий Эйнштейна. В частности, его неоднократно номинировали на Нобелевскую премию по физике, однако даже члены Нобелевского комитета долгое время не решались дать ему эту награду за теорию относительности. В конце концов, был найден компромиссный выход: премия за 1921 год была присуждена Эйнштейну за теорию фотоэффекта, то есть за бесспорную и хорошо проверенную экспериментально работу. При этом секретарь Шведской академии наук Кристофер Аурвиллиус написал Эйнштейну:

«Королевская академия наук (…) приняла решение присудить Вам премию по физике за прошедший (1921) год, отмечая тем самым Ваши работы по теоретической физике, в частности открытие закона фотоэлектрического эффекта, не учитывая при этом Ваши работы по теории относительности и теории гравитации, которые будут оценены после их подтверждения в будущем».

В дальнейшем Эйнштейн сделал еще множество разных открытий (квантовая теория излучения, единая теория поля и т. д.) и стал знаменит на весь мир. Между тем политическая ситуация в Германии становилась все более напряженной. Когда к власти в стране пришел Адольф Гитлер, Эйнштейн вынужден был переехать в США, где он вскоре получил американское гражданство.

За выдающиеся заслуги перед наукой Эйнштейну были присвоены почетные докторские степени многочисленных университетов (Женевы, Цюриха, Мадрида, Лондона, Оксфорда, Кембриджа, Гарварда, Принстона, Сорбонны и т. д.). Он был награжден многими орденами и медалями.

Умер Эйнштейн в Принстоне (США) 18 апреля 1955 года. Его прах был развеян друзьями в месте, которое осталось неизвестным. Посмертно он был включен в список «самых влиятельных личностей в истории», а в 1999 году известный американский еженедельник «Time» назвал его «Личностью века».

То, что открыл и внес в физику Альберт Эйнштейн, – поистине революционно, и одним из первых, кто понял это, стал выдающийся немецкий физик Макс Планк (1858–1947), который написал:

...

«Эйнштейновская концепция времени превосходит по смелости все, что до этого времени было создано в умозрительном естествознании и даже в философской теории познания».

В 1908 году немецкий математик Герман Минковский, учивший Эйнштейна в Цюрихском политехническом институте, создал для его специальной теории относительности математический аппарат. Следует отметить, что модель Минковского очень помогла Эйнштейну в разработке его общей теории относительности.

Следует также упомянуть еще одно имя – имя Милевы Марич (1875–1948), с которой Эйнштейн познакомился, когда учился в знаменитом Цюрихском политехническом институте (эта сербка была единственной женщиной‑студенткой этого учебного заведения).

Милева Марич была на три с лишним года старше Эйнштейна. Весной 1899 года их отношения переросли в настоящую любовь, а 1903 году они стали мужем и женой.

Милева Марич и Альберт Эйнштейн

Милева была очень одаренной в математике и физике женщиной, однако ей приходилось с большим трудом пробивать себе дорогу в науке. И удалось ей в этом смысле немногое. Зато на своего мужа она явно повлияла, причем весьма серьезно, и это подтверждает Фридрих Вайсенштайнер, который пишет:

...

«Можно с полным правом предположить, что Милева оказала на духовное и эмоциональное развитие Альберта Эйнштейна куда большее влияние, чем считалось до сих пор в кругах специалистов».

По словам этого биографа Милевы, Эйнштейн «высоко ценил ее математические познания, которые превосходили его собственные». И это, в самом деле, было так.

Милева выполняла для Эйнштейна огромное количество всевозможных расчетов. Многие специалисты даже говорят, что значительная часть математических доказательств его теории относительности принадлежит именно Милеве.

Во всяком случае, биографы Эйнштейна Роджер Хай‑филд и Пол Картер рассказывают о том, что Эйнштейн как‑то признался друзьям: «Математическую часть работы за меня делает жена». С другой стороны, Джордже Крстич в своей книге «Милева и Альберт Эйнштейн: любовь и общая научная работа» полагает, что Милева занималась наукой вместе с Эйнштейном «спокойно, скромно и незаметно для глаз людских».

В качестве доказательства роли Милевы Марич обычно приводится одно из писем Эйнштейна, в котором он прямо указывает на соавторство:

...

«Как счастлив и горд я буду, когда мы вдвоем доведем работу по относительности движения до победного конца».

В других письмах он также часто использовал подобные формулировки: «если в результате мы выведем закон природы…», «мы пошлем статью в…» и т. д.

В пользу этой гипотезы свидетельствуют слова «отца советской физики» А. Ф. Иоффе (1880–1960), который утверждал, что в 1905 году видел подготовленные для журнала «Annalen der Physik» рукописи, и они были подписаны двумя именами: Эйнштейном и Марич. А вот при публикации, по неизвестным причинам, имя Милевы «потерялось».

Кроме того, обычно ссылаются на доктора Эвана‑Харриса Уолкера, который заявляет:

...

«Есть основания полагать, что изначальная идея теории относительности принадлежит именно ей».

Доктор Уолкер вообще уверен, что роль Эйнштейна состояла лишь в том, что он сумел должным образом эту идею формализовать.

С другой стороны, и противников гипотезы о решающей роли Милевы Марич в создании теории относительности также немало. Например, во многих биографиях Эйнштейна ее имя либо вообще не упоминается, либо упоминается один‑два раза и в совсем другом контексте.

В 1919 году Эйнштейн и Милева Марич развелись. Но через несколько лет, получив Нобелевскую премию, Эйнштейн выделил из нее определенную сумму своей бывшей жене. Одни в этом факте видят доказательство того, что Милева Марич была не просто женой Эйнштейна, а другие этот поступок называют чисто джентльменским жестом великого гения.

Date: 2015-09-05; view: 561; Нарушение авторских прав