Н.Э.Коган, ЦО № 345, г. Москва
Альберт Эйнштейн
14 марта 1879 г. – 18 апреля 1955 г.
В мае 2005 г. исполнилось 100 лет со дня выхода в свет статьи Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», перевернувшей представления об устройстве Вселенной. Говорят, что жизнь человека укладывается в прочерк между двумя датами. Что содержит этот прочерк? Какую дорогу прошёл этот человек, известный всему миру? Что он оставил нам и последующим поколениям?
Альберт Эйнштейн был первенцем в весьма светской еврейской семье Германа Эйнштейна и Паулины Кох. Он родился в Германии, в городке Ульм. Отец и дядя занимались производством динамо-машин, электроламп и электрических инструментов. В 1888 г. Альберт пошёл учиться в католическую школу. Дядя занимался с ним математикой, а мать вводила его в мир музыки и литературы, учила игре на скрипке. Любовь к музыке Эйнштейн сохранил на всю жизнь. Любимым его композитором был Моцарт, чьи произведения мальчик нередко исполнял на домашних концертах.
Конфликты с учителями привели к тому, что Альберт бросает учёбу в гимназии, не получив аттестата. В 1895–1896 гг. он учится в технической школе швейцарского города Аарау, успешно сдаёт выпускные экзамены и становится студентом Политехникума в Цюрихе. Там он много занимается математикой и физикой, в первую очередь экспериментальной. В физике и технике к этому времени было сделано много из того, что было способно подтолкнуть заинтересованного и вдумчивого учёного к открытию:
1832 г. Майкл Фарадей опубликовал теоретико-экспериментальную работу по основам электромагнетизма.
1857–1864 гг. Джеймс Максвелл облёк открытия Фарадея в математическую форму.
1860–1880 гг. В Германии на улицах, железных дорогах и в домах установлено электрическое освещение.
1870 г. Георг Сименс организовал Индо-Европейский телеграф.
1882 г. Томас Альва Эдисон начал массовое строительство генераторных станций.
1886 г. Генрих Герц экспериментально показал, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света.
1900 г. Макс Планк нашёл формулу, исключившую «ультрафиолетовую катастрофу» – драматическое противоречие между термодинамикой и электродинамикой. Планк ввёл в физику понятие кванта.
В 1901–1905 гг. Эйнштейн работает в Швейцарском патентном бюро, и эта работа его вполне устраивает. Он много общается с друзьями-физиками и думает о свойствах мироздания.
«Я развивался очень медленно, и поэтому представления о пространстве и времени, которые ребёнок усваивает бессознательно, заинтересовали меня уже в сознательном возрасте».
Из письма другу детства Конраду Габихту: «Я обещаю прислать тебе четыре статьи. Четвёртая работа основывается на концепции электродинамики движущихся тел и предполагает поправку в теорию пространства и времени». В 1905 г. эта статья была опубликована. Интересно, что в ней нет ссылок на использованную литературу, статья содержит только новые положения, противоречащие традиционным, ньютоновским представлениям о пространстве и времени, и опирается на экспериментальные факты. Ньютоновская теория утверждает: пространственные и временные интервалы абсолютны, а скорость света относительна. Одновременность абсолютна. В противовес этому эйнштейновская частная (special – у нас обычно переводится как специальная. – Ред.) теория относительности утверждает обратное: скорость света абсолютна, а временные и пространственные интервалы относительны. Одновременность относительна.
Эйнштейн хорошо понимал, насколько революционна его теория: «Прости меня, Ньютон! Ты нашёл единственно возможный для твоего времени путь, который был доступен человеку величайшей силы мысли. Но сегодня мы уже знаем, что для более глубокого постижения мировых связей мы должны заменить твои понятия другими, более далёкими от среды непосредственного опыта».
Формулы преобразования промежутков времени и длин, полученные Лоренцом и носящие его имя, Эйнштейн наполнил новым содержанием. Он писал: «Пространство как что-то, независимое от объекта, занимающего это пространство, не имеет смысла. То, что называют пространством, есть определённая последовательность материальных объектов, и ничего более!»
Частная теория относительности показывает, что нельзя говорить и о времени вне материи, нет единого для всех тел потока времени. События могут быть одновременными или нет в зависимости от того, к какой из систем отсчёта они относятся. Закон сложения скоростей Галилея оказался неприменимым в условиях движения с околосветовыми скоростями. Эйнштейн вводит другой закон сложения скоростей, отлично объясняющий «странные» результаты опытов Физо и Майкельсона–Морли, продемонстрировавших независимость скорости света от движения системы отсчёта – Земли. Скорость света во всех системах отсчёта остаётся постоянной. Почему? Этот вопрос ещё ждёт своего ответа.
Все парадоксальные результаты частной теории относительности были впоследствии экспериментально подтверждены в опытах на ускорителях элементарных частиц. Изменения времени жизни частиц и энергии, необходимой для их разгона, в точности рассчитывались по формулам изменения промежутков времени и массы тела.
Самым известным выводом Эйнштейна и на сегодняшний день остаётся связь между массой тела и содержащейся в ней полной энергией. Возможность взаимного превращения массы и энергии, огромная энергия в триллионы джоулей, заключённая в каждом грамме вещества, – зародыш века атомной энергии в формуле Эйнштейна.
Под руководством И.В.Курчатова в нашей стране в 1946 г. был построен первый в Европе атомный реактор, а в 1954 г. – первая в мире атомная электростанция в г. Обнинске. Сегодня в России работают десятки атомных электростанций. Мировая практика показала, что атомные электростанции безопасны и экологически чисты, их активно строят для обеспечения электроэнергией крупных городов в Европе, в США, в Латинской Америке.
«Проблема не может быть решена в рамках той системы, в которой появилась».
В своей докторской диссертации в 1905 г. Эйнштейн дал математическое описание броуновского движения. Полученные им статистические закономерности находят в наши дни самые неожиданные применения.
Броуновское движение
производит частотную диаграмму, которая может
быть использована для предсказания поведения
объектов, описываемых большим количеством
данных, например, при расчёте цен и колебаний
биржевого курса. Частотные диаграммы, созданные
на основе броуновских чисел, используются в
фантастических фильмах для моделирования вида
инопланетных ландшафтов. На основе этих чисел
при помощи компьютера создаются картины холмов и
высокогорий, и эта техника весьма эффективна.
Формулы Эйнштейна для броуновского движения помогли построить микросепараторы, в которых мелкие броуновские частицы смещаются на гораздо большие расстояния, чем более крупные. Так можно сортировать вирусы, элементы ДНК, очищать воду от взвешенных в ней микрочастиц. Благодаря асимметричной структуре препятствий на пути потока разнородные частицы сортируются по размеру.
Последняя разработка на основе броуновского движения – броуновский молекулярный двигатель. Его синтезировала группа Келли в Бостоне. Основа этого двигателя – три молекулы бензола, действующие одновременно и как пропеллер, и как шестерёнка. Учёные пытаются включить в согласованную работу хаотически движущиеся атомы. Подобные броуновские двигатели работают внутри живых клеток – это молекулы белка, отдельные части которых вращаются благодаря изменениям внутреннего электрического поля. Так сокращаются мышечные волокна и переписывается наследственная информация. Учёные предлагают использовать броуновский двигатель для создания миниатюрного биоробота. Такие устройства смогут сканировать человеческий организм с целью обнаружения злокачественных клеток, переносить лекарства точно к больному органу. Первые такие работы могут появиться к концу нашего десятилетия.
«Я никогда не думаю о будущем. Оно наступает достаточно быстро».
Нобелевская премия по физике 2002 г. была присуждена за получение вещества в новом состоянии – так называемого конденсата Бозе–Эйнштейна. Предсказано оно было ещё в 20-е гг. ушедшего века, а реализовано всего лишь несколько лет назад. Непривычно короткая дистанция от открытия до столь высокой награды объясняется важным фундаментальным результатом, хотя физики с трудом представляют себе даже будущие практические его приложения, считая это делом «послезавтрашнего дня». Однако уже идут эксперименты, в которых новое состояние не только исследуют, но и пробуют в качестве основы сверхточных приборов. Особенность таких устройств заключается ещё и в их сверхминиатюрных размерах, ведь разговор идёт об атомно-молекулярных масштабах. Таким образом, конденсат призван внести свою лепту в идущее широким фронтом наступление нанотехнологий.
А.Эйнштейн |
Оказалось, что такой конденсат обладает необычными особенностями. Если сквозь него пропустить два лазерных луча, обладающих слегка разными энергиями и идущих в слегка разных направлениях, то атомы, первоначально покоившиеся, поглощают фотон более высокоэнергетичного луча, а потом излучают фотон, соответствующий менее энергетичному лучу. Разница энергий идёт на придание атому определённой скорости в направлении, совпадающем с направлением векторной суммы скоростей обоих пучков. Иными словами, под воздействием двух лазерных пучков все атомы конденсата приобретают одну и ту же – небольшую – энергию и начинают медленно двигаться, продолжая оставаться в одном и том же квантовом состоянии. Важно, что усиленный пучок атомов согласован, т.е. когерентен. А это значит, что такие пучки могут интерферировать и этот эффект можно использовать при физических, геодезических и других сверхточных измерениях. Только здесь сгущаться и разрежаться будут не магнитное и электрическое поля, а само вещество, т.е. будет изменяться его плотность. Первые результаты уже получены. Однако для широкого применения, как и в случае первых лазеров, понадобятся годы.
Интерференция в конденсате Бозе–Эйнштейна
Пока же налицо выдающийся экспериментальный результат – получение как бы одного гигантского атома, состоящего из множества атомов в одном квантовом состоянии.
«Всё должно быть максимально просто, но не проще».
В 1915 г. Эйнштейн сформулировал основы общей теории относительности, распространяющей положения частной теории относительности на ускоренное движение. Из теории вытекало, что пространство может искривляться и растягиваться от точки к точке. Искривление пространства в работе Эйнштейна связано с понятием тяготения. Так, лучи света от далёких звёзд, проходящие около Солнца, должны отклоняться от привычной прямой. В 1919 г. наблюдения полного солнечного затмения дали результат, хорошо совпадающий с предсказанным теоретически. Эйнштейн был очень горд этим обстоятельством. Также из его теории следовал вывод о замедлении времени в сильных гравитационных полях. Во второй половине XX в. эффект замедления времени был обнаружен на Земле: время шло по-разному при облёте нашей планеты с запада на восток и с востока на запад. Мощные поля тяготения должны, по теории Эйнштейна, возникать вблизи поверхности так называемых чёрных дыр – остатков сверхмассивных звёзд, претерпевших коллапс, в результате которого вся материя этих звёзд уходит в область, ограниченную гравитационным радиусом (для Солнца этот радиус равен 3 км). Само название чёрная дыра (предложено Дж.А.Уилером) соответствует тому факту, что ни одно тело, ни даже световой луч не может оторваться от поверхности чёрной дыры. Поэтому внешний наблюдатель не видит этот объект. В пространстве вблизи гравитационного радиуса чёрной дыры сверхсильное поле тяготения способно рождать из вакуума пары других частиц.
Представление о гравитационных волнах в вакууме родилось вместе с общей теорией относительности, хотя сам Эйнштейн колебался в отношении их существования и возможности обнаружения. Гравитационные волны должны испускаться любыми двойными звёздами или планетарными системами. Но гравитационное взаимодействие является самым слабым из известных, обнаружить его очень сложно. Появления мощных всплесков гравитационного излучения можно ожидать от пульсаров и коллапсирующих звёзд с образованием нейтронных звёзд или чёрных дыр. Обнаружение гравитационных волн и самих носителей тяготения – гравитонов – ещё раз подтвердит справедливость общей теории относительности и даст человечеству новые возможности в технике.
«Если я хочу создать что-нибудь новое, мне необходимо мыслить по-другому».
В 1922 г. Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия за теоретическое обоснование явления фотоэффекта. Он показал, что энергия электромагнитного поля всегда существует в виде квантов. Эйнштейна не смущало, что электромагнитное излучение одновременно проявляет свойства, объяснимые либо только волновой, либо только квантовой теорией. Гений позволил дать объяснение конкретным экспериментальным фактам, взглянуть на явление с непривычной точки зрения. В наши дни фотоэффект – как внутренний, так и внешний –широко используется в солнечных батареях, различных индикаторах, в робототехнике, во множестве устройств, вошедших в быт.
В 1917 г. Эйнштейн применяет к теоретической модели атома, созданной Нильсом Бором, статистический метод. Он заметил, что акты излучения и поглощения света подчиняются вероятностным закономерностям. Так был сделан шаг к лазерам. В 1954 г. Н.Г.Басов и А.М.Прохоров в Москве и Ч.Таунс с Дж.Гордоном и Х.Цайгером в Нью-Йорке добились генерации радиоволн с помощью молекулярных квантовых генераторов – мазеров. Вскоре после этого родились первые лазеры. В наши дни лазеры применяют в машиностроении, медицине, связи, в самых разных областях науки и техники – везде, где необходима высокая концентрация энергии, где используется строгая когерентность излучения.
Луи де Бройль подхватил идею Эйнштейна и в 1923 г. в докладе Парижской академии наук ввёл волны материи, вероятностные волны вещества. Началось бурное развитие квантовой механики.
«Все знают, что это невозможно, но находится один, который этого не знает, и он делает открытие».
Но не только квантовая механика обязана своим развитием гению Эйнштейна. Все современные космогонические теории вызваны к жизни вопросами, поставленными Эйнштейном.
В 1916 г. Альберт Эйнштейн создаёт теоретическую модель статической Вселенной.
В 1917 г. Вильям де Ситтер предлагает модель ускоренно расширяющейся Вселенной.
В 1922 г. Александр Фридман строит модель пульсирующей Вселенной.
В 1929 г. Эдвин Хаббл, опираясь на астрономические наблюдения, открывает расширение Вселенной.
В 1938 г. Сол Перльмуттер и Брайан Шмидт сообщают об открытии ускорения расширения Вселенной.
Вопрос о дальнейшей судьбе Вселенной определяется величиной её плотности. Расширение, сжатие или стабильность? Именно этот вопрос стоит перед современной физикой. Ответ может быть найден при создании единой теории всех известных взаимодействий для микро-, макро- и мегамиров – так называемой единой теории поля. Эйнштейн мечтал об этой теории, но и спустя 50 лет после смерти великого мыслителя, далеко опередившего своё время, ответа пока нет…
«Гравитация не может отвечать за тех, кого любовь сбивает с ног».
Великий гений физики XX в. был Человеком, и ничто человеческое не было ему чуждо. Первый брак Эйнштейн заключил со своей сокурсницей Милевой Марич, в нём родились двое сыновей. Через девять лет брак распался. Нобелевскую премию Эйнштейн целиком отдал детям. Второй брак его, с двоюродной сестрой Эльзой, был бездетным.
Эйнштейн находил вкус в чтении: среди уважаемых им авторов – У.Шекспир, Г.Гейне, Л.Н.Толстой, Ф.М.Достоевский. Эйнштейн любил и понимал природу. Обожал музыку, благоговел перед Моцартом. Никогда не ценил денег. Всю жизнь переезжал с места на место и не имел дома. Фашисты, придя к власти, сжигали его книги. За его голову было обещано 50 тыс. марок. Эйнштейн был вынужден уехать в Америку.
Рукопись по специальной теории относительности, составляющую около тридцати печатных листов, Эйнштейн написал за пять недель. Когда антифашисты собирали средства для помощи испанцам-республиканцам, он переписал текст от руки (оригинал потерялся), продал рукопись коллекционерам и передал деньги испанцам.
Много сил учёный посвятил агитации против фашизма и сбору средств во время Второй мировой войны. Создание атомной бомбы Эйнштейн считал аморальным, бомбардировку Хиросимы переживал, как тяжёлое физическое страдание. Эйнштейновский фонд борьбы за мир существует и в наши дни.
«Мне известны две бесконечные вещи: Вселенная и глупость. Хотя насчёт Вселенной я не уверен».
Экспериментальные работы, лежащие в основе теории магнетизма, объяснение броуновского движения, частная и общая теории относительности, теория тяготения, квантовая теория теплоёмкости, попытки построения единой теории поля и единой теории строения Вселенной – научными идеями Эйнштейна уже сто лет «питается» современная физика. Сердце Эйнштейна перестало биться 18 апреля 1955 г. Дух его переживёт века. Глаза Эйнштейна обладали чистотой, редко свойственной взгляду человека. Эта чистота была полна знания и опыта, сочетания силы и простоты.
Литература
Краус А., Тернер М. Наследие Альберта Эйнштейна. – Физика («ПС»), № 3–5/05.
Львов В. Жизнь Альберта Эйнштейна. – М.: Молодая гвардия, 1959.
Паркер Б. Мечта Эйнштейна. – С-Пб.: Амфора, 2001.
Радунская И. Крушение парадоксов. – М.: Молодая гвардия, 1971.
Френкель В.Я., Явелов Б.Е. Эйнштейн: изобретения и эксперимент. – М.: Наука, 1990.
http://www.nature.wen/ru .
http://www.astrocat.ru .
http://www.ibmh.msk.ru .
Нелли Эммануиловна Коган – выпускница физического факультета МГПИ им. В.И.Ленина 1975 г., педагогический стаж 30 лет, все годы работала в школах (государственных и частных, профильных и общеобразовательных). С детства мечтала стать учительницей, только не знала «по какому», выбирая между историей, физикой и биологией. Победил интерес к общим законам природы – к физике; интерес к биологии превратился в увлечение и профессиональные занятия психологией и массажем, а интерес к истории – в систему подготовки сообщений учащихся об условиях, в которых совершались открытия, и об их творцах. За 27 лет в благополучном, счастливом браке с однокашником вырастили сына-программиста и дочь-специалиста по компьютерной предпечатной подготовке. Если позволяет время, читает фантастику, является давним поклонником журнала «Если». С интересом следит за творчеством М. и С.Дяченко, С.Лукьяненко и Г.Олди. Часто обменивается с учащимися книгами и впечатлениями о них. Собственные дети активно формируют музыкальные пристрастия семьи: фолк, бардовская песня, «металл». Бах – для раздумий, Бетховен – для страстей, Моцарт – для счастья. Последнее увлечение – работа на школьном радиоузле, подготовка программ о школьной жизни, её буднях и праздниках. В студии работают около 25 человек из 7–11-х классов – проводят опросы, берут интервью, пишут статьи, подбирают музыкальное сопровождение и сами в прямом эфире ведут передачи перед уроками.