Сергей Нечаев - Удивительные открытия
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 МинковскийЛетом 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».
