Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн
Шрифт:
Физика присутствует во всем, что нас окружает, и при этом большая часть современной физики непосредственно вытекает из теоретических идей, сформулированных Эйнштейном. Лазеры имеют множество практических применений: от промышленной резки материалов до проигрывателей компакт-дисков, от манипуляций с отдельными биологическими молекулами до всевозможных систем управления. Стоит иногда задуматься, что высказанная в 1916 г. идея Эйнштейна об обмене энергией и импульсом между атомами и квантами света привела к предсказанию процесса, лежащего в самой основе лазера, – процесса вынужденного излучения.
Допустим, вы не слушали сегодня компакт-диски и, таким образом, упустили возможность подумать о работе Эйнштейна 1916 г., но вы, наверное, смотрели телевизор {181} . Раз так, то представьте, что электроны в электронно-лучевой трубке разгоняются примерно до одной трети скорости света, и поэтому точный расчет их траекторий на пути к экрану требует анализа динамических уравнений специальной теории относительности, полученных Эйнштейном в июне 1905 г.
Но, возможно, вы решили не сидеть дома, а пойти за покупками. Тогда, вполне вероятно, вам придется
181
Мы подразумеваем телевизор «старого» типа с электронно-лучевой трубкой.
182
Согласно общей идее этой книги, мы фокусируемся здесь на вкладе Эйнштейна. Хотя, конечно, было бы еще более полезным вспомнить также, что фотоэлектрический эффект случайно обнаружил Генрих Герц в своих экспериментах с целью установить реальность электромагнитных волн. Следовало бы также подумать о всех тех ученых и инженерах, чьи «божественное любопытство и увлеченное стремление» существенным образом способствовали пониманию и использованию фотоэлектрического эффекта: в частности, Жана Перрена и Джозефа Джона Томсона, «открывших» электрон, и Филиппа Ленарда, обнаружившего существование пороговой частоты фотоэлектрического эффекта.
А может быть, вы сядете в машину и воспользуетесь системой глобального позиционирования GPS. Подумайте тогда, что общая теория относительности Эйнштейна лежит в основе работы этой системы, имеющей сегодня все большее число применений – от управления самолетами и кораблями до управления тракторами для вспашки огромных полей с сантиметровой точностью. Фактически позиционирование основано на передаче пользователю временных сигналов, излучаемых атомными часами на орбите вокруг Земли. Программное обеспечение системы GPS принимает в расчет пространственно-временную деформацию, вызванную массой Земли. Эта деформация приводит к тому, что часы на спутниках кажутся с Земли идущими быстрее. К этому добавляется эффект орбитальной скорости, из-за которого в соответствии с теорией относительности при наблюдении с Земли кажется, что часы на орбите идут медленнее. Эти два эффекта не компенсируют друг друга, но оба, хотя и являются весьма малыми, очень важны для достижения точности хронометража, необходимой, чтобы система функционировала {183} . Если не учитывать эффектов, возникающих согласно двум теориям относительности, система GPS станет непригодной через несколько минут.
183
Влияние каждого «релятивистского эффекта» на кажущуюся частоту часов имеет порядок 10– 9, что по абсолютной величине весьма мало, но все же в 10 000 раз больше, чем точность атомных часов (порядка 10– 13 или лучше).
Можно привести и другие примеры. Например, если учесть, что Эйнштейн был первым физиком, серьезно рассмотревшим идею квантов, и не только для света, но и, как мы видели, для возможных энергетических уровней материальных осцилляторов, то можно было бы вспомнить о нем в связи с многочисленными приложениями квантовой физики, и в частности, с физикой твердого тела {184} .
Наконец, исследование научных статей, опубликованных до 1912 г. и получивших наибольшую цитируемость между 1961 и 1975 гг., показало, что из 11 статей, оказавших наибольшее влияние, четыре принадлежат Эйнштейну, а семь других написаны семью разными авторами {185} . Что еще более примечательно, в этот список наиболее значимых научных статей XX в. не входит ни статья о квантах света, написанная в марте 1905 г., ни статья о теории относительности, написанная в июне 1905 г. На самом деле, эти две статьи были настолько основополагающими и важными и настолько изменили курс науки XX в., что спустя 50 лет после появления их просто перестали цитировать! Они стали самой сутью современной физики. Именно поэтому с удивлением обнаруживаешь, что в список статей, имеющих наибольшее влияние, вошли другие работы Эйнштейна: в частности, статьи, написанные в течение чудесного 1905 г., о которых мы не говорили выше. Так, в 1905 г. Эйнштейн написал диссертационную работу на тему «нового метода определения молекулярных размеров» и инновационную статью о броуновском движении зерен пыльцы или коллоидных частиц в суспензии. Эти работы нашли и до сих пор находят применение в самых разных областях, начиная от экологических исследований дисперсии аэрозолей в атмосфере и заканчивая исследованиями поведения частиц казеина в молоке в процессе изготовления сыра!
184
Детальное обсуждение текущего состояния физики и его значения для человечества см.: Ален Аспект и др. Физика завтра (Alain Aspect et al., Demain, la physique, Paris, 'Editions Odile Jacob, 2004).
185
Тони Каукелл и Юджин Гарфилд «Оценка влияния Эйнштейна на науку на основе анализа цитирования» в сборнике «Эйнштейн: первые сто лет», с. 32 (Tony Cawkell et Eugene Garfield, Assessing Einstein’s Impact on Science by Citation Analysis, dans Einstein: The First Hundred Years (London, 1980), p. 32). Здесь я руководствуюсь материалом начала седьмой главы книги Альбрехта Фольсинга
Конечно, помимо этого невероятно широкого перечня технологических приложений работ Эйнштейна (от лазера до изготовления сыра), важно осознавать абсолютный передел идейного научного пейзажа, произошедший благодаря его теориям: от Большого взрыва до квантовых состояний фотона, не забывая о черных дырах, двойных пульсарах, гравитационных волнах, темной энергии, управлении отдельными атомами с помощью радиационных переходов, конденсатов (Бозе –) Эйнштейна, запутанных состояниях Эйнштейна – Подольского – Розена и т. д. Наука и техника начала XXI в. имеет мало общего с основанными на ньютоновской механике и термодинамике Карно и Клаузиуса наукой и техникой начала XX в. Технологические революции ХХ в. берут начало в новых физических теориях, созданных или инициированных Эйнштейном и др. Безусловно, мы находимся на пороге новых технологических прорывов – тех, что связаны с новыми достижениями в квантовой физике. Не будем же забывать, что каждое новое техническое достижение берет начало, как сказал Эйнштейн, в «божественном любопытстве и увлеченном стремлении исследователя думать и изобретать».
Люди и медведи
В заключение предоставим слово Эйнштейну. Главная цель этой книги – помочь читателю разделить интеллектуальную радость, которую испытывают ученые, исследуя загадочную Вселенную, приоткрытую Эйнштейном и другими основоположниками современной физики. Его послание адресовано, в частности, молодым читателям, чьи университетские курсы не всегда обращают должное внимание на глубокую красоту фундаментальных научных концепций. Давайте вспомним, что сказал Эйнштейн вскоре после прибытия в США в 1933 г., обращаясь к первокурсникам Принстонского университета {186} :
186
Эта цитата извлечена из отличной небольшой книги «Альберт Эйнштейн. Переписка, собранная Элен Дюкас и Банешом Хоффманом» (Albert Einstein, Correspondance pr'esent'ee par Helen Dukas et Banesh Hoffmann, traduit de l’anglais par Caroline Andr'e, Paris, Inter'Editions, 1980). См. также: Элен Дюкас и Банеш Хоффман. Альберт Эйнштейн как человек // Вопросы философии. № 1. 1991; интернет-источник: http://www.lib.ru/MEMUARY/ZHZL/
«Если старому студенту будет позволено сказать вам несколько слов, то они будут следующими: “Рассматривайте свою учебу не как обязанность, а как завидную возможность познакомиться с освобождающим вдохновением, которое приносит красота в царстве духа для вашей личной радости и для пользы общества, которому принадлежат ваши будущие творения”».
К этому мы можем добавить один практический совет от самого Эйнштейна для молодежи, которая задумывается над тем, как внести собственный вклад в приумножение «красоты в царстве духа». В начале своей карьеры, еще работая в патентном бюро в Берне, но уже сделав значительный вклад в науку, Эйнштейн иногда принимал гостей, своих коллег-ученых. Они спрашивали его, как в той обстановке, в которой он работал, ему удавалось создавать такие революционные идеи, инновационный характер которых удивлял всех. Тогда Эйнштейн приглашал их посетить главную достопримечательность Берна – «Медвежью яму» {187} . Во время кормления зверей Эйнштейн обращал внимание своих гостей на то, что абсолютное большинство медведей держатся вместе, передвигаясь на четырех лапах с опущенными к земле мордами, топчась в одном и том же углу своего логова в ожидании пищи, которая падает к их лапам. Между тем время от времени какой-нибудь медведь, немного не такой, как все, вставал на задние лапы и смотрел вдаль в поисках кусков пищи, упавших на более отдаленном расстоянии или в менее доступном месте.
187
Слово «Берн» происходит от швейцарско-немецкого слова B"ar, которое означает медведь.
Избранная библиография
Чтобы излишне не загромождать книгу, мы не указывали систематически все источники фактов и цитат. Попытаемся частично компенсировать здесь это упущение, указав основные источники, на которые мы опирались. Это прежде всего:
Альберт Эйнштейн. Избранные произведения (на французском языке), под рук. Франсуазы Балибар (Albert Einstein, Oeuvres choisies (en francais), sous la direction de Francoise Balibar, 6 volumes, Paris, 'Editions du Seuil, 1989–1993). Эти избранные произведения представляют собой переводы на французский основных статей (и текстов) Эйнштейна в сопровождении замечательных исторических комментариев, подготовленных коллективом историков науки (в том числе Франсуазой Балибар, Оливье Дарриголем, Жаном Эйзенштадтом и Джоном Стэшлом). В особенности мы использовали тома 1 «Кванты», 2 «Относительность I» и 3 «Относительность II».
Наши основные источники фактов из биографии Эйнштейна:
Альбрехт Фольсинг. Альберт Эйнштейн (Albrecht F"olsing, Albert Einstein, Penguin Books, 1998), перевод на английский (Ewold Osers) немецкого оригинала: Albert Einstein: Eine Biographie, Suhrkamp Verlag, Frankfurt am Main, 1993. Эта книга является основным источником фактов из биографии Эйнштейна. Я не думаю, что она переведена на французский язык. В настоящее время А. Фольсинг готовит дополненную версию.
Абрахам Пайс. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. – М.: Наука, 1989. (Abraham Pais, «Subtle is the Lord…» The Science and the life of Albert Einstein, Oxford, Oxford University Press, 1982). Лучший общий анализ научных работ Эйнштейна.
Банеш Хофман и Елена Дюкаc. Альберт Эйнштейн – творец и бунтарь. – М.: Прогресс, 1983 (Banesh Hoffmann et Helen Dukas, Albert Einstein, Creator and Rebel, The Viking Press, New York, 1972). Яркая биография, написанная сотрудником и секретаршей Эйнштейна.