На кого упало яблоко
Шрифт:
Ныне считается, что восьмая планета солнечной системы была почти одновременно открыта Леверье и Джоном Адамсом. Но борьба за приоритет этого открытия не прекращается и сегодня, ибо на сцену выступил… великий Галилей. Австралийские исследователи, изучавшие оригиналы дневников Галилея, пришли к выводу, что именно ему принадлежит честь открытия Нептуна. Еще в 1613 году, то есть за 234 года до формального открытия Нептуна как планеты, Галилей писал о некоем новом космическом теле, которое он фиксировал на протяжении нескольких дней в период наблюдения Юпитера.
Астрофизик из Мельбурнского университета Дэвид Джемиенсон пишет: «Мы создали серию компьютерных моделей, описывающих движение планет в семнадцатом веке, точку положения самого Галилея и точно убедились в том, что ученый зафиксировал именно Нептун. Если бы Галилею повезло чуть больше, то у него был бы шанс лучше исследовать новую планету».
В своих записях Галилей больше склонялся к тому, что обнаруженное им неизвестное космическое тело — это звезда. Смутило великого ученого то обстоятельство, что все планеты, как он знал, вращаются вокруг Солнца, а эта не вращалась. Теперь очевидно, что не вращалась она лишь визуально — движения Галилей не зафиксировал из-за дальности Нептуна не только от Солнца [118] .
118
По материалам сайта www.cybersecurity.ru.
О
В 1905 году в нескольких выпусках немецкого физического журнала «Annalen der Physik» («Анналы физики») появились статьи мало кому известного молодого физика, выпускника Цюрихского политехнического института. Автора звали Альберт Эйнштейн [119] . В то время он работал экспертом швейцарского бюро патентов в Берне, то есть, как мы сказали бы теперь, работал не по специальности.
Журнал «Annalen der Physik» был в то время одним из наиболее авторитетных физических журналов не только в Европе, но и во всем мире. Альберт Эйнштейн и раньше печатался в этом журнале, но его статьи, опубликованные до 1905 года, привлекли внимание лишь небольшого числа знатоков, в числе которых были, правда, выдающиеся физики, например Макс Планк. Работы же 1905 года затронули самые основы физической науки и впоследствии принесли их автору бессмертную славу. Эйнштейн в статье «К электродинамике движущихся сред», глубоко проанализировав понятие одновременности событий, доказал сохранение максвелловских уравнений относительно преобразований Лоренца, сформулировал свой принцип относительности и принцип постоянства скорости света и на их основе создал специальную теорию относительности (СТО).
119
Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 года в Ульме (Вюртемберг, Германия) в семье мелкого коммерсанта. Предки Эйнштейна поселились в Швабии около 300 лет назад, и ученый до конца жизни сохранил мягкое южногерманское произношение, даже когда говорил по-английски. Учился в католической народной школе в Ульме, затем, после переезда семьи в Мюнхен, в гимназии. Школьным урокам, однако, предпочитал самостоятельные занятия. В особенности привлекали его геометрия и популярные книги по естествознанию, и вскоре в точных науках он далеко опередил своих сверстников. К шестнадцати годам Эйнштейн овладел основами математики, включая дифференциальное и интегральное исчисления. В 1900 году он окончил Высшее техническое училище, а в 1905 году защитил докторскую диссертации на тему «Новое определение размеров молекул». В эти же годы Эйнштейн разрабатывает и доказывает общие положения теории относительности, выполняет исследования по статистической физике, броуновскому движению, теории излучения и др. В 1913 году Эйнштейн избирается членом Прусской и Баварской академий наук, в 1914 году переезжает в Берлин, где до 1933 года является одновременно директором физического института и профессором Берлинского университета. В 1921 году за открытие законов фотоэффекта и работы в области теоретической физики ему присуждается Нобелевская премия по физике и фотохимии. С приходом к власти в Германии нацистов Эйнштейн отказывается от германского подданства, выходит из состава академии и эмигрирует в США. Умер 18 апреля 1955 года в Принстоне.
Говорят, что прозрение пришло к Альберту Эйнштейну в одно мгновение. Ученый якобы ехал на трамвае по Берну, взглянул на уличные часы и внезапно осознал, что если бы трамвай сейчас разогнался до скорости света, то в его восприятии эти часы остановились бы — времени бы вокруг не стало. Это и привело его к формулировке одного из центральных постулатов относительности — что различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, включая столь фундаментальные величины, как расстояние и время. Говоря научным языком, в тот день Эйнштейн осознал, что описание любого физического события или явления зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель [120] . Если пассажир трамвая, например, уронит очки, то для него они упадут вертикально вниз, а для пешехода, стоящего на улице, очки будут падать по параболе, поскольку трамвай движется, в то время как очки падают. Но хотя описания событий при переходе из одной системы отсчета в другую меняются, есть и универсальные вещи, остающиеся неизменными. Это — законы природы. Теория относительности исходит из положения, что законы природы одни и те же для всех систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью.
120
Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания: курс лекций. — Ростов-на-Дону, 2002.
Статьи Эйнштейна, написанные в 1905 году (сейчас два тома под номерами 17 и 18, в которых опубликованы работы Эйнштейна, стали библиографической редкостью и их цена на аукционе превышает 10 000 долларов), отнюдь не вызвали бурной реакции в научном мире. В числе счастливых исключений была реакция весьма влиятельного физика Макса Планка. Если бы не он, трудам Эйнштейна пришлось бы дожидаться своего часа куда дольше. Планк включил труды Эйнштейна в свои лекции, которые поразили его ассистента Макса фон Лауэ, и тот стал первым представителем академической науки, посетившим Эйнштейна в Берне. Интересны первые впечатления фон Лауэ об Эйнштейне того времени. Когда фон Лауэ оказался в патентном бюро, внешность великого ученого произвела на него столь невыгодное впечатление, что он не сразу окликнул Эйнштейна, когда тот проходил мимо («Я не мог поверить, что это и был создатель теории относительности»). Не лучшее впечатление произвела на фон Лауэ и дешевая сигара, которой его угостил Эйнштейн. Когда они шли через мост, фон Лауэ незаметно выбросил сигару в реку [121] .
121
Картер П., Хайфилд Р. Эйнштейн. Частная жизнь. — М., 1998.
Благодаря прессе об Эйнштейне и его работах вскоре заговорил весь мир. Мощная пропаганда и простота постулатов теории относительности предрешили ее быструю победу. Страницы английских и американских газет запестрели эффектными заголовками: «Революция в науке», «Ниспровержение механики Ньютона», «Лучи изогнуты, физики в смятении. Теория Эйнштейна торжествует» и т. п. [122]
Тут, однако, следует сказать, что с успехом теории относительности напрямую связано имя Анри Пуанкаре [123] . Но все по порядку.
122
Там же.
123
Анри Пуанкаре родился 29 апреля 1854 года в местечке Сите-Дюкаль близ Нанси (Лотарингия, Франция). Его отец, Леон Пуанкаре, был профессором медицины в университете Нанси. Семья Пуанкаре может гордиться и другими знаменитостями: кузен Раймон был президентом Франции, другой кузен, Люсьен, — ректором Парижского университета. Хорошая домашняя подготовка позволила Анри в восемь с половиной лет поступить сразу на второй год обучения в лицее. Там
1728 год. Бредли открывает звездную аберрацию, наблюдаемое смещение положения звезды относительно истинного, которое объяснялось тогда результатом сложения скорости света со скоростью Земли относительно неподвижного эфира. В 1865 году Максвелл вывел уравнения, которые описывали распространение со скоростью света электромагнитных процессов в пространстве. Герц в 1887 году показал, что и сам свет представляет собой электромагнитную волну. Основу теории Максвелла составляли уравнения, определяющие зависимость напряженностей электрических и магнитных полей от координат точек пространства. Но уже со времен Галилея было известно, что сами координаты относительны, что они меняются при переходе от одной системы к другой, движущейся относительно первой. Уравнения же Максвелла не удовлетворяли принципу относительности. Они неодинаковы в различных системах отсчета. Таким образом, хотя большинство законов физики удовлетворяло принципу относительности, законов электричества и магнетизма (электродинамики) это не касалось [124] . Это коренным образом повлияло на физику в целом и привело к пересмотру фундаментальных представлений. Физики решили записывать уравнения Максвелла в некоторой выделенной системе отсчета и отдать ей предпочтение перед всеми другими. Такой системой отсчета должна была быть та, которую можно было считать находящейся в абсолютном покое. И физики принялись определять скорость Земли относительно этой системы отсчета — мирового эфира. С этой целью и был поставлен эксперимент Майкельсона [125] , который, однако, ничего не показал. Поэтому следовало предположить, что эфир увлекается Землей, но тогда необъяснимой оставалась аберрация. Проблема казалась неразрешимой.
124
Болотовский Б. М. Роскошь общения.
125
Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931) — американский физик, известен изобретением названного его именем интерферометра Майкельсона и прецизионными измерениями скорости света. Опыт Майкельсона — Морли окончательно показал, что «абсолютной системы отсчета» в природе не существует. И сколько бы Эйнштейн впоследствии ни утверждал, что вообще не обращал внимания на результаты экспериментальных исследований при разработке теории относительности, вряд ли приходится сомневаться, что результаты опытов Майкельсона — Морли помогли ему — хотя бы в том, что способствовали быстрому восприятию его идей научной общественностью.
Именно в этот момент и вступили в игру крупный голландский физик Хендрик Лоренц [126] и гениальный французский математик Анри Пуанкаре. В 1899 году Пуанкаре был профессором математической физики в Сорбонне, где занимался математическим описанием наблюдаемых в физике явлений. В этом качестве он изучал проблемы, возникшие в физике после опытов Майкельсона. Он сразу обратил внимание на предложенную Лоренцем теорию локального времени и сокращения размеров движущихся в эфире тел. В своем курсе «Электричество и оптика» Пуанкаре пишет: «Это странное свойство производит впечатление фокуса, разыгранного природой для того, чтобы было невозможно определить движение Земли посредством оптических экспериментов. Такое положение дел не может меня удовлетворить. Я полагаю весьма правдоподобным, что оптические явления могут зависеть только от относительных движений присутствующих материальных тел» [127] .
126
Хендрик (часто пишется Гендрик) Антон Лоренц (1853–1928) — голландский физик. Учился в университете Лейдена, где в 1878 году стал профессором математической физики. Развил электромагнитную теорию света и электронную теорию материи. С именем этого ученого связана известная из школьного курса физики сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле. Развил теорию о преобразованиях состояния движущегося тела, одним из результатов которой было так называемое сокращение Лоренца-Фицджеральда, описывающее уменьшение длины объекта при поступательном движении. Полученные в рамках этой теории преобразования являются важнейшим вкладом в развитие теории относительности.
127
Рено де ля Тай. О релятивизме Пуанкаре. См.: www.eqworld.ipmnet.ru/ru/education/scientists/poincare_ einstein.htm
Тем самым в трех фразах Пуанкаре исключил эфир. В следующем, 1900 году в статье «Теория Лоренца и принцип противодействия» он дал физическую интерпретацию Лоренцева локального времени: это время подвижных наблюдателей, которые настроили свои часы с помощью оптических сигналов, игнорируя собственное движение. В 1902 году Пуанкаре публикует работу «Наука и гипотеза», которая имела большой резонанс в научном сообществе. Там он, в частности, писал: «Не существует абсолютного пространства, и мы воспринимаем только относительные движения. Не существует абсолютного времени: утверждение, что два промежутка времени равны друг другу, само по себе не имеет никакого смысла. Оно может обрести смысл только при определенных дополнительных условиях. У нас нет непосредственной интуиции одновременности двух событий, происходящих в двух разных театрах. Мы могли бы что-либо утверждать о содержании фактов механического порядка, только отнеся их к какой-либо неевклидовой геометрии» [128] .
128
Пуанкаре А. О науке. — М., 1990.
Маловероятно, чтобы Эйнштейн, который читал по-французски и по-немецки одинаково хорошо, не знал эту работу, как, впрочем, и все другие статьи Пуанкаре и Лоренца. На это указывают некоторые исследователи: детальное совпадение в описании процедуры синхронизации часов не может быть случайным. Но сам Эйнштейн знакомство с трудами Пуанкаре отрицал. Он либо не отдавал себе отчета, что «следует платить дань уважения предшественникам, либо, по его мнению, их работы были настолько широко известны, а он пошел настолько дальше них, что указывать источники не имеет смысла» [129] .
129
Картер П., Хайфилд Р. Эйнштейн. Частная жизнь.