На главную
Физика - одна из самых удивительных наук! Физика столь интенсивно развивается, что даже лучшие педагоги сталкиваются с большими трудностями, когда им надо рассказать о современной науке. Данный ресурс поможет эффективно и интересно изучать физику. Учите физику!
   

Обучение и материалы
Физический справочник
Формулы по физике
Шпаргалки по физике
Энциклопедия
Репетиторы по физике
Быстрый устный счет
Виртуальные лабораторные
Опыты по физике
ЕГЭ онлайн
Онлайн тестирование
Ученые физики
Необъяснимые явления
Ваша реклама на сайте
Разное
Контакты
Спецкурс
Фейнмановские лекции

В мире больших скоростей

Введение в теорию относительности

Лекции по биофизике
Лекции по ядерной физике
Ускорение времени...
Лазеры
Нанотехнологии
Книги
полезное
Смешные анекдоты о физике
Готовые шпоры по физике
Физика в жизни
Ученые и деньги
Нобелевские лауреаты
Фото
Видео
Карта сайта
На заметку
Если вам понравился сайт, предлагаем разместить нашу кнопку
Кнопка сайта All-fizika.com
Дополнительно
Компьютерные программы
по физике
Программы по физике


Физика и юмор
Физика и юмор


Онлайн тестирование
по физике
Онлайн тестирование по физике



-









V. Альберт Эйнштейн

Все существенное, чего я добивался за свою жизнь, группируется вокруг вопроса: к каким методическим следствиям в физике ведут универсальный закон распространения света и равенство инертной и тяжелой массы? 
Принстон, 31 января 1955 г.

А. Эйнштейн

Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 г. в городе Ульме в Германии в семье торговца. Среднее образование ему далось нелегко. Дело дошло до того, что учитель латинского языка говорил ему: «Эйнштейн, из вас никогда не выйдет ничего путного». Зубрежка не давалась Эйнштейну. Выделяло его среди учеников увлечение математикой и физикой. В автобиографии Эйнштейн пишет: «В возрасте 12—16 лет я ознакомился с элементами математики, включая основы дифференциального и интегрального исчисления. При этом, на мое счастье, мне попались книги, в которых обращалось не слишком много внимания на логическую строгость, зато хорошо была выделена везде главная мысль».
 
Уже в те годы у Эйнштейна возникли идеи, которые позднее привели его к созданию теории относительности. Он пишет, что пришел к теории относительности после десяти лет размышлений над парадоксом, на который натолкнулся уже в 16 лет. «Парадокс заключается в следующем. Если бы я стал двигаться вслед за лучом света со скоростью с (с — скорость света в пустоте), то я должен был бы воспринимать такой луч света как покоящееся, переменное в пространстве электромагнитное поле. Но ничего подобного не существует; это видно как на основании опыта, так и из уравнений Максвелла. Интуитивно мне казалось ясным с самого начала, что с точки зрения такого наблюдателя все должно совершаться по тем же законам, как и для наблюдателя, неподвижного относительно  Земли».
 
В школьные годы у Эйнштейна зародилась любовь к музыке, занятия которой остались для него главным отдыхом от напряженной умственной работы. Со своей скрипкой Эйнштейн не расставался до конца своей жизни, используя свободные минуты для музицирования как наедине, так и с друзьями. Однажды он дал даже открытый концерт в пользу беженцев из гитлеровской Германии. Любимыми его композиторами были Бах, Вивальди, Моцарт и Шуберт. Ни один подарок не радовал его больше, чем полученная к 75-летию коллекция долгоиграющих пластинок с произведениями выдающихся композиторов.
 
17-летним юношей Эйнштейн поступает в Цюрихскую высшую техническую школу. Свое учение он характеризует следующим образом.
 
«Там у меня были прекрасные преподаватели (например, Гурвич, Минковский), так что, собственно говоря, я мог бы получить солидное математическое образование. Я же большую часть времени работал в физической лаборатории, увлеченный непосредственным соприкосновением с опытом. Остальное время я использовал главным образом для того, чтобы дома изучать труды Кирхгофа, Гельмгольца, Герца и т. д.» Говоря о физике, он пишет дальше: «Огромное количество недостаточно увязанных эмпирически фактов действовало и здесь подавляюще. Но здесь я скоро научился выискивать то, что может повести в глубину и отбрасывать все остальное, все то, что перегружает ум и отвлекает от существенного. Тут была, однако, та загвоздка, что для экзамена нужно было напихать в себя — хочешь не хочешь —всю эту премудрость. Такое принуждение настолько меня запугивало, что целый год после сдачи окончательного экзамена всякое размышление о научных проблемах было для меня отравлено. При этом я должен сказать, что мы в Швейцарии страдали от такого принуждения, удушающего настоящую научную работу, значительно меньше, чем страдают студенты во многих других местах. Было всего два экзамена: в остальном можно было делать более или менее то, что хочешь. Особенно хорошо было тому, у кого, как у меня, был друг, аккуратно посещавший лекции   и   добросовестно   обрабатывающий   их   содержание. Это давало свободу в выборе занятия вплоть до нескольких месяцев перед экзаменом, свободу, которой я широко пользовался; связанную же с ней нечистую совесть я принимал как неизбежное, притом значительно меньшее зло. В сущности почти чудо, что современные методы обучения еще не совсем удушили святую любознательность, ибо это нежное растеньице требует наряду с поощрением прежде всего свободы,— без нее оно неизбежно погибает». Ясно, что такая открытая, хотя и оправданная оппозиция в отношении существовавшей системы обучения привела к несколько неприятным результатам. Высшую техническую школу Эйнштейн оканчивает со средней оценкой 4,91 (при шестибальной системе). Выпуск состоял из четырех студентов, из которых трое сразу же получили места ассистентов в той же школе. Только Эйнштейна ни один профессор не пожелал оставить у себя. Два года он работает от случая к случаю школьным учителем, затем получает место эксперта в Бернском бюро патентов.
 
В эти годы начинается научное творчество Эйнштейна. Первое исследование, в котором рассмотрены явления капиллярности, выходит из печати в 1901 г. Последующие статьи, как выяснилось позднее, повторяют появившиеся ранее труды Гиббса, которых Эйнштейн не знал. Но вот в 1905 г. появляются три статьи 26-летнего ученого; каждой из них было достаточно, чтобы войти в историю физики. Это были работы по квантовой теории, о броуновском движении и теории относительности.
 
Статья «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света», законченная в марте, явилась одним из важнейших этапов создания теории квантов. Понятие световых квантов ввел в физику Макс Планк в 1900 г. Планк считал, что источники света излучают свет не непрерывно, а маленькими порциями, так называемыми квантами. Эйнштейн смело пошел дальше. Согласно Эйнштейну, порции света проявляются не только при излучении или поглощении, а составляют сущность природы света. Сам свет, независимо от источника, состоит из квантов, которые справедливо могут быть названы частицами света. Точка зрения Эйнштейна получила множество опытных подтверждений. Квантовую природу света давно считают доказанным фактом.
 
Существовавшая до этого теория света не могла объяснить фотоэффект, т. е. явление, в котором с поверхности освещаемого вещества вылетают электроны. Опираясь на свой новый взгляд на сущность света, Эйнштейн сумел полностью объяснить явление фотоэффекта. Позднее, в 1921 г., он получил за эти работы Нобелевскую премию.
 
В последующие годы Эйнштейн еще раз возвращался к теории квантов. В 1917 г. он нашел связь между вероятностью излучения и поглощения света. Открытый Эйнштейном закон носит его имя. Вместе с индийским физиком Бозе он разработал правила применения методов статистики к изучению световых квантов. Дальше, одда-ко, происходит нечто странное. Все ученые за небольшим исключением приветствуют быстрое развитие теории квантов, а Эйнштейн неожиданно занимает противоположную позицию. Многие годы он спорит с одним из создателей теории атома — Нильсом Бором, утверждая, что физическая картина, которую дает эта теория, несовершенна. Этого мнения он придерживался до конца своей жизни.
 
Во второй работе Эйнштейна, опубликованной в 1905 г. (она была закончена в мае), говорилось о беспорядочном движении взвешенных в жидкости частичек вещества (так называемое броуновское движение), которое может быть прослежено под микроскопом. Эта статья объясняла броуновское движение как следствие столкновения с молекулами жидкости и вела к опытному подтверждению существования молекул. Основываясь на этой работе, оказалось возможным опытным путем определить число молекул газа в данном объеме.
 
30 июня 1905 г. редакция журнала «Annalen der Physik» получила от Эйнштейна третье его исследование за 1905 год. Работа, которая была написана за пять-шесть недель, носит название «К электродинамике движущихся тел». В ней изложены основные положения специальной теории относительности. Работа отличается удивительной ясностью, так что ее и сейчас считают одним из лучших изложений специальной теории относительности.
 
Лоренц, Пуанкаре и некоторые другие исследователи пытались объяснить результат опыта Майкельсона —Морли   с   помощью   различных   искусственных   гипотез (например, предполагали, что с возрастанием скорости размеры электрона в направлении движения уменьшаются), придерживаясь при этом старых представлений о пространстве и времени. Эйнштейн же, напротив, ясно видел, что новая теория прежде всего должна быть новой теорией пространства и времени. В основу новой теории он положил два постулата, находящихся в согласии с опытными данными.

  1. Законы   природы выражаются во всех инерциальных системах одинаково.
  2. Скорость  света  в  пустоте  одна  и  та же во всех инерциальных системах.
Из этих двух постулатов совершенно строго следует вся теория относительности.

Маленькое изображение
 

В течение четырех лет после появления специальной теории относительности царит молчание. Только в 1909 г. хлынули лавиной научные статьи о теории относительности. Многим физикам выводы теории относительности казались настолько необычными, что свыкнуться с ними представлялось невозможным. Возникла исключительно бурная дискуссия. В ответ на небольшую статью в научной литературе появилось множество работ с высказываниями как за теорию относительности, так и против нее. Кажется курьезом, что в 1938 г., когда Айве опубликовал результаты описанного в нашей книге опыта, он сам еще не верил в теорию относительности, а пытался результаты измерений объяснить с помощью классической физики. Между тем опыт Айвса оказался одним из надежных подтверждений специальной теории относительности. Любопытно также, что Эйнштейну не решились присудить Нобелевскую премию за теорию относительности, хотя именно она имеет наибольшее научное значение по сравнению с остальными его работами.
 
Нужно сказать, что попытки выступлений против теории относительности продолжаются и в наши дни. Нет-нет да и появится в научной литературе отдельная статейка, в которой пытаются пренебречь теорией относительности.
 
Эти попытки выглядят настолько беспомощными, что останавливаться на них нет смысла.
 
В течение многих лет по поводу теории относительности высказывались все, как посвященные, так и невежды. Известный немецкий физик Лауэ   в   своей книге «История физики» писал следующее: «Очень характерен факт, что от Аристарха до Эйнштейна ни одна физическая теория не смогла так всколыхнуть широкие круги общественности, как теория касавшаяся привычных взглядов на пространство и время».
 
Интересно полушутливое высказывание Эйнштейна о создании им теории относительности: «Когда я спрашиваю себя, как получилось, что именно я пришел к теории относительности, то ответ, кажется мне, кроется в следующем: нормальный взрослый человек не думает о проблемах пространства и времени. Он считает, что обдумал все, о чем здесь можно думать, уже в ранней юности, Я же, напротив, развивался так медленно, что начал задумываться о времени и пространстве лишь тогда, когда стал уже взрослым. Естественно, что мне удалось глубже проникнуть в эти проблемы, чем это делает обычно ребенок.»
 
За короткое время число научных работ Эйнштейна сильно возросло. К концу 1907 г. вышли из печати уже 22 его научных статьи, но он по-прежнему служил в Бюро патентов. Сам Эйнштейн считал, что научной работой можно заниматься везде. Выступая много лет спустя в Лондоне по вопросу о бежавших из гитлеровской Германии ученых, он обратил внимание на то, что для них помимо университетов имеется еще много рабочих мест. В качестве примера он привел работу смотрителя маяка, у которого должно оставаться много времени для научных исследований.
 
Успех новой теории приводит Эйнштейна к тесному общению с учеными. В 1908 г. он получил право чтения лекций в Бернском университете. Зимой 1908—1909 гг. он читает там свой первый курс «Теория излучения» аудитории, состоявшей из четырех слушателей. Осенью 1909 г. Эйнштейн уже экстраординарный профессор теоретической физики Цюрихского университета, а в 1911 г.— ординарный профессор Немецкого университета в Праге. Летом 1912 г. Эйнштейн возвращается в Цюрих, где начинает работать профессором математической физики в той самой Высшей технической школе, которую он окончил за 12 лет до этого. В 1913 г. его избрали членом Прусской Академии наук, а годом позже он становится директором только что открытого Физического института  имени  кайзера  Вильгельма   (теперь институт имени Макса Планка). В то же время он является профессором Берлинского университета.
 
В эти годы Альберт Эйнштейн начинает особенно интенсивно работать над созданием общей теории относительности. По рассказам одного из ближайших сотрудников Эйнштейна — польского физика Л. Инфельда — проблема, «что происходит в свободно падающем лифте», возникла у Эйнштейна, когда ему было всего 16 лет. К более глубокому изучению подобных проблем он приступил вскоре же после создания специальной теории относительности.
 
Потребность в специальной теории относительности чувствовали многие физики в начале столетия, иначе обстояло дело с общей теорией относительности. Можно сказать, что Эйнштейн был единственным человеком, который видел ограниченность специальной теории относительности и необходимость более общей теории. Даже Макс Планк говорил Эйнштейну: «Все теперь так хорошо объяснено, зачем вы еще занимаетесь этими проблемами?» Но Эйнштейн не отказался от своего замысла. Закон тяготения Ньютона не следовал из специальной теории относительности, и это побуждало Эйнштейна искать новые пути. В результате напряженных исследований в 1916 г. работой «Основы общей теории относительности» было заложено начало общей теории относительности в том виде, в котором мы ее теперь знаем. Сам Эйнштейн считал, что без него общая теория относительности, вероятно, не была бы создана и до наших дней, и в этом он, по всей вероятности, был прав. Специальная теория относительности была бы вскоре создана, по-видимому, и без него, а создания общей теории относительности пришлось бы ждать гораздо дольше.
 
Одним из самых существенных результатов общей теории относительности было открытие неевклидовой) характера окружающего нас пространства (т. е. его искривленности) . В реальном мире действуют вовсе не такие простые законы геометрии, как думали тысячелетиями. Материалистам особенно важен вывод теории относительности, что геометрические свойства пространства определяются распределением и движением масс. Установление этих истин произвело в воображении ученых революцию в полном смысле этого слова, революцию, которую можно сравнить с другим происшедшим   ранее   переворотом,   а   именно: с открытием факта, что Земля не плоская, а шарообразная. К тому, что поверхность Земли искривлена, мы все уже давно привыкли. Однако мы еще далеко не привыкли к тому, что и мировое пространство может быть искривленным.
 
Общая теория относительности вызвала еще более бурный обмен мнениями, чем предшествовавшая ей специальная теория относительности. В 1921 г. Макс Лауэ писал: «Много похвал, и брани много — вот удел общей теории относительности в настоящее время. Характерно при этом, что наиболее громкие крикуны как с одной стороны, так и с другой стороны почти ничего в ней не понимают». В наши дни положение в значительной мере изменилось, но все же и сейчас появляются статьи, авторы которых пытаются решать проблемы гравитации, обходя общую теорию относительности. По логической строгости и математическому изяществу ни одна из этих работ не может сравниться с теорией относительности.
 
Общая теория относительности исключительно богата по содержанию. В научной литературе непрерывно появляются работы, посвященные дальнейшему развитию этой теории, но предстоит сделать еще очень много.
 
После того как произведенные во время солнечного затмения 1919 г. измерения подтвердили предсказание общей теории относительности об искривлении светового луча в поле тяготения Солнца, Эйнштейн достиг вершины своей славы. Сам он замечал это, может быть, меньше всех. Продолжалась усердная работа над вопросами общей теории относительности. В то же время он принимает участие (во многих научных и пацифистских конгрессах, путешествует и выступает с лекциями в разных городах и университетах. Эйнштейна избирают членом многих научных обществ мира. В 1926 г. он избирается почетным членом Академии наук Союза ССР. Весь этот внешний успех не мешает Эйнштейну заниматься наукой благодаря его большой энергии и исключительной способности сосредоточиваться. Советский академик А. Ф. Иоффе, например, рассказывает: «Я часто вспоминаю случай, показавший, как Эйнштейн строит свое миропонимание: как-то он заинтересовался моими исследованиями свойств кристаллов и просил изложить их ему. В 3 часа дня я приступил к этой задаче и через два часа закончил ее. Тогда начался поразительный процесс освоения  новых фактов и идей, сопоставление их с самыми разнообразными сторонами существовавшей у Эйнштейна физической картины, и этот процесс продолжался в течение 9 часов — до 2 часов ночи. Все это время Эйнштейн до того был поглощен своими мыслями, что все окружающее им почти не воспринималось: ужинал он, например, так, что по команде жены брал на вилку пищу и отправлял ее в рот, вряд ли сознавая, что он ест».

Исключительную сосредоточенность Эйнштейна показывает еще следующий эпизод на его лекции в Цюрихском университете, о котором рассказывает один из слушателей: «За все время, как мне помнится, у Эйнштейна только один раз произошла заминка. Эйнштейн остановился вдруг во время лекции и сказал: «Здесь должно быть одно простое математическое преобразование, которое я сейчас никак не могу найти. Может быть, кто-нибудь из вас, господа, видит его?» Разумеется, мы его не видели. «Тогда оставьте четверть страницы! Не стоит терять времени. Результат будет такой...» Примерно через десять минут Эйнштейн воскликнул, прервав рассуждение: «Нашел!» Мы сначала не поняли, что он нашел. Проводя дальнейшие сложные выводы, он нашел еще время думать о том, как могло выглядеть забытое преобразование. Это была типичная черта Эйнштейна». Этот же слушатель лекций рассказывает еще один интересный случай: «Я посетил его на следующий день. Он сидел в своей рабочей комнате перед кипой бумаг, исписанных математическими формулами. Правой рукой он писал, левой держал своего младшего сына и при этом успевал отвечать старшему сыну, игравшему в кубики. Со словами «минутку, я сейчас» он передал мне должность няньки на несколько минут и продолжал работать дальше».
 
Плодотворная работа Эйнштейна в Берлине была неожиданно прервана приходом к власти фашистов. В то время Эйнштейн находился в Швеции. В марте 1933 г. он заявляет, что не вернется больше в страну, где господствуют насилие и реакция. В знак протеста он выходит из Прусской и Баварской академий. Баварскую академию он обвиняет в том, что она оставалась равнодушной к преследованию ученых и студентов. «Я не могу принадлежать ни к одному объединению, которое так поступает, даже если его принуждают к этому»,— пишет он в своем письме.

Маленькое изображениеАльберт Эйнштейн в последние годы жизни

Гитлеровская Германия не хотела признавать ученого-неарийца и его теорию относительности. Реакционные выступления под лозунгами критики теории относительности, по словам А. Зоммерфельда, «сводили уровень научных собраний к уровню антисемитских митингов». Нападки фашистов на теорию относительности и Эйнштейна можно сравнить только с преследованием инквизицией Галилея и его учения.
 
В это время в США в Принстоне организовался новый научно-исследовательский институт («Институт высших исследований»), работать в котором пригласили ряд эмигрировавших из Германии математиков и физиков. Эйнштейн принял приглашение, и с 1933 г. до конца жизни его домом становится Принстон. Здесь с помощью нескольких ближайших сотрудников — большой школы у Эйншейна никогда не было — он продолжает развивать дальше общую теорию относительности и успешно завершает ее. Основное внимание он все же уделяет другому.
 
Эйнштейн всегда видел в природе единое целое и соответственно считал, что физика должна представлять собой единую систему. Поискам этой системы он посвящает около 40 последних лет своей жизни. Эйнштейн пытался создать единую теорию, которая описывала бы с единой точки зрения как электромагнитное, так и гравитационное поле. По его мнению, эти два поля образуют вместе единый физический объект, одно поле. Но, увы, в работе по созданию единой теории поля, по словам самого Эйнштейна, счастье покинуло его. Несколько раз ему кажется, что цель достигнута, но позднее выясняется, что результаты все же неудовлетворительны. Эйнштейн характеризует процесс создания единой теории поля следующими словами: «Существует только одна истина, число же заблуждений бесконечно».
 
В 1945 г. Эйнштейн выходит в отставку, однако напряженная работа по созданию единой теории поля продолжается. К 1953 г. создается впечатление, что начала теории заложены, основные уравнения найдены. Правда, сам Эйнштейн отмечает, что он не знает, как решить эти уравнения, более того, он не знает даже, как показать, что эти уравнения вообще имеют решение. Несмотря на это, он настроен оптимистически в отношении будущего. Этот оптимизм не разделяют большинство физиков, которые считают  попытки создания единой теории поля бесплодными. Здесь, однако, еще рано подводить итоги. Сама проблема фундаментальна, и соответственно этому окончательное ее решение может потребовать еще много времени. Многое говорит за то, что постановка проблемы все же правильна.
 
Эйнштейну всегда были дороги идеи гуманизма, мира и благосостояния человечества — их он защищал, не жалея сил, в течение всей своей жизни. Глупо обвинять Эйнштейна в появлении атомной бомбы — теория относительности, дескать, указала источники энергии для атомной бомбы. Эйнштейн всегда был категорически против применения атомной энергии в военных целях. В 1939 г. он обращается к президенту США Ф. Д. Рузвельту с письмом, в котором предупреждает, что нацистам, вероятно, вскоре удастся изготовить атомную бомбу. Это письмо, несомненно, содействовало форсированию атомных исследований в Соединенных Штатах. Эйнштейн не жалел сил, чтобы удержать от злоупотреблений атомной энергией. После войны он пишет: «На нас, ученых, развязавших эту чудовищную силу, лежит огромная ответственность за то, чтобы направить атомную энергию на служение благу человечества, а не на разрушения». Сотни выступлений, статьи и интервью характеризуют Эйнштейна как одного из первых в рядах прогрессивных сил мира.
 
В 1954 г. научный мир отмечал 75-летие Эйнштейна. Летом 1955 г. ожидались еще большие торжества по случаю 50-летия со времени создания специальной теории относительности. Неожиданно эти намерения были омрачены трауром: 18 апреля 1955 г. скончался Альберт Эйнштейн. Умер человек, о котором А. Зоммерфельд сказал: «С глубокомыслием и последовательностью философского мышления, не встречавшихся никогда до сих пор в умах естествоиспытателей, с математической силой, которая напоминает Гаусса и Римана, Эйнштейн возвел в течение десяти лет здание, перед которым мы стоим, чувствуя изумление и головокружение».




Социальные комментарии Cackle


 
 
© All-Физика, 2009-2016
При использовании материалов сайта ссылка на www.all-fizika.com обязательна.