Альберт Ейнштейн — символічна постать у фізиці XX ст. Його праці назавжди змінили наші уявлення про природу світу. «Ньютоне, пробачте мені, будь ласка», — говорив Ейнштейн, оскільки його теорія відносності перекреслювала абсолютність часу і простору, яку верховний суддя всіх фізичних явищ прийняв понад два століття тому.
«Усі з дитинства знають, що те й те неможливе. Але завжди знаходиться невіглас, який цього не знає.
Саме він і робить відкриття».Альберт Ейнштейн
Маючи за плечима відхилену докторську дисертацію, цей 26-річний експерт патентного бюро, який у вільний час займався дослідженнями, наважився стверджувати, що фізики тих часів «мислили поверхово». Крім спеціальної та загальної теорій відносності, його праці сприяли народженню квантової механіки та сучасної статистичної фізики. Сучасна революція в біотехнології також багато в чому завдячує праці Ейнштейна, яка надала свідчення існування молекул та їхньої поведінки.
Дивовижно,
але більшість своїх теоретичних праць він опублікував протягом лише одного
1905 р. Історія не знає інших настільки плідних періодів діяльності
вченого. Відомо лише, що в 1665-1666 рр. Ісаак Ньютон, зачинившись від
чуми в заміському будинку, почав викладати основи диференціального та інтегрального
числення, закону тяжіння й теорії кольорів.
На відзначення століття від появи теорії Ейнштейна міжнародна спільнота фізиків оголосила 2005 р. Всесвітнім роком фізики.
Протягом усього XX ст. вчені перевіряли, втілювали в життя та впроваджували в практику ідеї, що випливають із праць Ейнштейна. Усім відомо, що його формула E = mc2 стала ключем до створення атомної бомби й основою всього подальшого розвитку фізики. Запропоноване Ейнштейном пояснення зовнішнього фотоефекту лягло в основу низки технологій — від фотодіодів до передавальних трубок телевізійних камер.
Минуло чимало років, перш ніж його теорії були повністю експериментально підтверджені, що свідчить про геніальність ученого. Багато найцікавіших сучасних праць у галузі фізики ставлять іще грандіозніші цілі — піти далі за Ейнштейна й розв'язати завдання, подібні до тих, над якими він безуспішно бився останні 30 років свого життя, буквально до смертної години.
Зрозуміло, що загальна теорія відносності та фізика частинок не дають повного опису світу, оскільки остання за своєю суттю є квантовою, а кванти й загальна теорія відносності, як вода й олія, не змішуються. Десятки років Ейнштейн намагався знайти теоретичні основи об'єднання теорії відносності з електромагнетизмом. Сучасне покоління вчених розробляє теорії, озброївшись повнішим, ніж те, яким розпоряджався Ейнштейн, описом фундаментальних фізичних сил, і підходить до розв'язання завдань без його упереджень щодо квантової механіки. Для фізиків, які досягнуть успіху, це може означати безсмертя, подібне до безсмертя Ейнштейна й Ньютона, або нове уявлення про природу та нові технології, настільки ж нереальні сьогодні, як чорні діри й квантові комп'ютери 100 років тому.
Навесні 1905 р. молодий «раб патентів», як називав себе сам Ейнштейн, надіслав своєму другові Конраду Габіхту (Conrad Habicht) листа, у якому повідомляв, що збирається послати йому «безглуздий лепет», представлений у вигляді статей. (Одна з праць цієї серії, яку Ейнштейн назвав революційною, не стосувалася теорії відносності, але принесла йому в 1922 р. Нобелівську премію.) У дослідженні «Про одну евристичну точку зору, що стосується виникнення та перетворення світла» («U..ber einen die Erzengung und Verwandlung des Lichtes betreftenden heuristischen Gesichtpunkt»), завершеному в березні, Ейнштейн запозичив і розвинув ідею Макса Планка про кванти — про те, що енергія гарячого тіла може випромінюватися й поглинатися лише певними дискретними порціями.
Статтю вчений закінчив у березні 1905 р., і вона стала однією з трьох опублікованих у журналі Annalen der Physik від 7 червня, де Ейнштейн застосував концепцію квантів для пояснення зовнішнього фотоефекту — випромінювання електронів зарядженим металом під дією світла. Пояснення полягало в тому, що пучок світла складається з частинок, названих фотонами, тоді як у той час переважала думка, що світло має лише хвильову природу. Стаття сприяла визнанню подвійної природи світла — як потоку хвиль і частинок — і тим самим заклала основи квантової механіки.
Докторську дисертацію Ейнштейна було оцінено Цюрихським університетом як посередню.
У 1902 р. Цюрихський університет відхилив докторську дисертацію Ейнштейна, оцінивши її як посередню працю про сили притягання між молекулами газу. Учений, однак, не відмовився від ідеї здобути докторський ступінь і влітку 1905 р. здійснив другу спробу. За словами його сестри Маї, спочатку він подав свою працю зі спеціальної теорії відносності, але університет відхилив і її. Тоді Ейнштейн запропонував дослідження «Нове визначення розмірів молекул», яке він закінчив 30 квітня й опублікував у журналі Annalen der Physyk від 7 червня. Розповідали, що ідея статті виникла, коли Ейнштейн розмовляв із найкращим другом Мішелем Бессо (Michele Besso) за чашкою чаю. Розмірковуючи про зв'язок в'язкості рідини з розмірами розчинених молекул цукру та розглядаючи їхню сукупність, учений вивів математичний вираз, що визначає швидкість дифузії. Зіставивши коефіцієнт дифузії з в'язкістю розчину, учений визначив розміри молекул цукру.
На той час Ейнштейн закінчив статтю, яку він також присвятив «точному визначенню розміру атома», існування якого деякі ще ставили під сумнів. Дослідження називалося «Про рух завислих у нерухомій рідині частинок, що випливає з молекулярно-кінетичної теорії теплоти» («U..ber die von molekularkinetischen Theorie der Wa..rme geforderte Bewegung von in ruhenden Flu..ssigkeiten suspendierten Teilchen») і було опубліковане в тому самому номері Annalen der Physik від 7 червня. У ньому передбачалися кількість і маса молекул у певному об'ємі рідини та характер їхнього переміщення. Безладний рух був відомий під назвою броунівського, за ім'ям Роберта Броуна (Robert Brown), який ще на початку XIX ст. уперше спостерігав рух частинок пилку рослин у воді. Ейнштейн припустив, що рух молекул води настільки інтенсивний, що вони безперервно підштовхують завислі частинки, блукання яких і спостерігаються під мікроскопом. Праця поклала початок сучасній статистичній механіці та дала змогу розробити методи, що знайшли застосування в найширшому колі дисциплін.
Наступна стаття, завершена наприкінці червня, називалася «До електродинаміки рухомих тіл» («Zur Elektrodynamik der bewegter Ko..rper»). Ідея відносності зародилася за століття до Ейнштейна. У 1632 р. Галілео Галілей припустив, що всі фізичні закони однакові незалежно від руху спостерігача, якщо швидкість цього руху не змінюється: для людини на палубі корабля, що рухається з постійною швидкістю, камінь, випущений з верхівки щогли, має летіти прямо вниз, так само, як він падав би на нерухомому кораблі. Такий принцип відносності був справедливий для всіх законів механіки, сформульованих Ньютоном у середині XVII ст. Однак цю струнку картину було порушено наприкінці XIX ст., коли було відкрито електромагнетизм. Рівняння Максвелла показали, що електромагнітне випромінювання поширюється у вигляді хвиль, і фізики припустили, що це відбувається в певному середовищі, названому ефіром, подібно до того, як звукові хвилі поширюються в повітрі. Максвелл показав, що у вакуумі світло та інші електромагнітні коливання мають поширюватися зі швидкістю 300 тис. км/с відносно спостерігача в системі відліку, нерухомій відносно ефіру. Однак у світі ефіру принцип відносності для світла не виконувався. Для рухомого спостерігача швидкість світла вже не мала дорівнювати 300 тис. км/с. Однак експерименти не виявили такої відмінності для рухомих об'єктів. Швидкість світла залишалася однаковою в усіх випадках.
Саме до цього протиріччя між електромагнетизмом і рештою фізики й звернувся Ейнштейн, якого не влаштовувало, що принцип відносності не може пояснити електромагнітні явища так, як він пояснює механіку. У статті про спеціальну теорію відносності, опублікованій у серпні 1905 р., Ейнштейн підтвердив застосовність цього принципу до всієї фізики, показавши його застосування до електромагнетизму, і довів сталість швидкості світла. Однак, розв'язавши один парадокс, стаття поставила вчених перед новим, який спростовував інтуїтивні уявлення про природу речей. Швидкість світла виявлялася однаковою як для того спостерігача, що сидить у кріслі на веранді, так і для іншого, який мчить на фантастичному космічному кораблі з постійною швидкістю, близькою до світлової.
Сталість швидкості світла зруйнувала наші уявлення про абсолютність і незмінність часу та простору. Швидкість — це відношення пройденого відстані до часу, за який її було подолано. Щоб швидкість у лівій частині рівняння залишалася незмінною, час і відстань для спостерігача, який сидить у кріслі та стежить за об’єктом в іншій системі відліку (у космічному кораблі), мають змінюватися. Зокрема, домосідові в кріслі-гойдалці плин часу в астронавта, який пролітає над ним, видаватиметься уповільненим, а розмір космічного лайнера в напрямку його руху — зменшеним.
Якби земний спостерігач зміг якось виміряти масу тих людей, що перебувають у космосі, він виявив би, що вона стала більшою, ніж була до старту корабля.
П’ята й остання стаття Ейнштейна, що вийшла в 1905 р. у тому самому Annalen der Physik у листопаді, була доповненням до праці про спеціальну теорію відносності. У ній Ейнштейн стверджував, що маса тіла є «мірою його енергетичного вмісту». Цю концепцію він сформулював у 1907 р. у вигляді найвідомішого рівняння всіх часів: E = mc2, застосовного до кінетичної енергії, енергії руху. Що швидше рухається космічний корабель відносно людини в кріслі, то більша його кінетична енергія, яка поводиться як маса, ускладнюючи розгін. З наближенням швидкості корабля до швидкості світла додаткова енергія, необхідна для його подальшого руху, стає такою великою, що розгін виявляється практично неможливим, і це одна з причин, через які подорожі зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, залишаються надбанням наукової фантастики.
Але найзначніша праця з’явилася після 1905 р. Загальна теорія відносності, опублікована Ейнштейном у 1916 р., затьмарила всі відкриття, зроблені ним як до того (і досягнення всіх інших фізиків, за винятком, можливо, Ньютона), так і згодом. Математик Анрі Пуанкаре (Henri Poincare') майже випередив Ейнштейна, однак не зміг зробити останнього, але життєво важливого кроку — відмовитися від ефіру. Спеціальна теорія відносності усунула суперечності між механікою Ньютона й електромагнетизмом Максвелла, але тільки для тіл, що рухаються з постійною швидкістю по прямій. Для реального світу, у якому тіла змінюють напрямки та швидкості свого руху, потрібна була загальна теорія відносності. Інакше кажучи, потрібно було врахувати вплив прискорень, зокрема найуніверсальнішого з них — гравітаційного. Ньютон вважав, що сила тяжіння діє миттєво на будь-яких відстанях, але Ейнштейн представив її як властивість простору й часу. Зоря або будь-яке інше масивне тіло викривляє ейнштейнівський простір і час навколо себе, і планети рухаються в просторово-часовому континуумі криволінійними траєкторіями.
Через три роки після опублікування загальної теорії відносності спостереження сонячного затемнення виявило передбачене нею гравітаційне відхилення Сонцем світлових променів від зір. Підтвердження теорії миттєво зробило Ейнштейна героєм засобів масової інформації, хоча більшість обивателів не могли усвідомити, що ж він відкрив. Лондонська Times зауважила, що в усьому світі лише 12 людей зрозуміли його теорію. Звичайно, це було певним перебільшенням. Одразу ж з’явилося безліч його палких шанувальників.
Журнал Scientific American навіть профінансував конкурс на найзрозуміліше пояснення відносності з призом у $5 тис., який привабив сотні учасників. Ейнштейн пожартував, що він один у ньому не брав участі. «Я боявся, що не впораюся», — зауважив він.
З 1916 до 1925 р. Ейнштейн зробив внесок у квантову теорію, написавши працю про вимушене випромінювання, що згодом стало основою фізики лазерів. Однак він розчарувався в квантовій механіці, яка для пояснення явищ у субатомному світі використовувала ймовірнісні категорії, а не строгі причинно-наслідкові зв’язки. Усе своє подальше життя він присвятив створенню теорії єдиного поля, яка мала не тільки представити електромагнітне та гравітаційне поля двома проявами єдиної сутності, а й пояснити існування елементарних частинок і таких констант, як одиничний заряд і швидкість світла.
Однак його праця не увінчалася успіхом. Можливо, це пояснюється тим, що Ейнштейн відкинув новий поворот квантової фізики, а почасти й тим, що в той час природа двох фундаментальних ядерних сил — сильної та слабкої взаємодій — ще не була добре зрозуміла. «Навіть найвідданіші шанувальники Ейнштейна не заперечують того, що наука, очевидно, нічого б не втратила,якби найвидатніший фізик останні 30 років свого життя (приблизно після 1926 р.) просто подорожував», — зауважив Альбрехт Фельзінг (Albrecht Fu..lsing) у біографії Ейнштейна, виданій у 1993 р. Інші біографи були милосерднішими. «Найзначнішою спадщиною Ейнштейна став пошук теорії великого об’єднання, який триває й досі», — сказав Зеєв Розенкранц (Ze'Ev Rosenkranz), колишній хранитель праць Ейнштейна.
Це завдання й донині залишається головним для видатних представників теоретичної фізики, які продовжують застосовувати найскладнішу математику, намагаючись пояснити сили природи. Вони навіть використали праці Теодора Калуци (Theodor Kaluza) й Оскара Кляйна (Oscar Klein), які розглядали п’ятивимірний Всесвіт, — припущення, що зацікавило Ейнштейна в його пошуках єдиної теорії. Можливо, у результаті експериментальних пошуків порушень теорії відносності вдасться зрозуміти, як поєднати квантову механіку та гравітацію в єдину струнку теорію. А відродження космологічної сталої Ейнштейна, сили відштовхування, що протидіє тяжінню, залишається найважливішою проблемою космології, яка намагається розгадати таємницю темної енергії.
Ейнштейн дивувався, чому весь світ так захоплювався теорією відносності, яка лише описує фізичний світ і не має жодного стосунку до суб’єктивних психологічних поглядів релятивістів у культурі на час і простір. «Я ніколи не міг зрозуміти, чому теорія відносності, проблеми й концепції якої такі далекі від практичного життя, так довго викликає жвавий інтерес у широкої громадськості», — казав Ейнштейн.
Учений часто звертався до проблем, пов’язаних із пацифізмом, зі світовим урядом, сіоністською державою, закликав не допустити створення нацистами ядерної бомби. «Ейнштейн жив прагненням до об’єднання — у політиці, у суспільних поглядах і навіть у повсякденних справах», — каже Джералд Голтон (Gerald Holton), видатний учень Ейнштейна з Гарвардського університету.
Якби Ейнштейн завдяки якомусь чудесному викривленню часу й простору несподівано опинився серед нас, його мало зворушило б усесвітнє святкування сторіччя його відкриттів. Він би ухилився від урочистостей Року фізики в Єрусалимі, Цюриху, Берліні чи Принстоні, щоб дати консультації щодо гравітаційних хвиль, постульованих загальною теорією відносності. А потім він вирушив би до Стенфордського університету, щоб обговорити з ученими дані, отримані від «гравітаційного зонда B» (Gravity Probe B) NASA, які можуть підтвердити передбачення теорії відносності про те, що масивні тіла, які обертаються, наприклад Земля, захоплюють за собою простір і час.
Безсумнівно, Ейнштейн зацікавився б відродженням відкинутої ним космологічної сталої, яку тепер намагаються використати для того, щоб пояснити, чому розширення Всесвіту прискорюється. Можливо, він висловив би захоплення працями в галузі суперструн, мембран, М-теорії та петльової квантової гравітації — усіма спробами об’єднати квантову механіку з гравітацією, що входить до загальної теорії відносності. Його, звичайно, потішило б, що фізики прагнуть вивести послідовну картину світу, яка дала б змогу пояснити явища в усіх масштабах — від субатомного до загальнокосмічного.
Автор: Гарі Стікс
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):