Неоткрытые открытия, или Кто это придумал?
Шрифт:
В конце XIX века уже были найдены преобразования пространственно-временных координат, составляющие основу теории относительности. Были получены также самые необычные следствия этой теории: о сокращении длин отрезков и расширении временных интервалов.
Осенью 1904 года Анри Пуанкаре также попытался «спасти» абсолютно неподвижный эфир. Он решил оформить вычисления Лоренца в виде относительно стройной теории, но «теория» осталась простой формальностью.
Еще во время учебы в школе в Аарау Эйнштейн проводил мысленный эксперимент: что мог бы видеть человек, движущийся за световой волной со скоростью света? О начале рассуждений сам Эйнштейн писал: «Необходимо было составить себе ясное представление о том, что означают в физике пространственные
Поэтому понятие «абсолютной одновременности» лишено всякого физического смысла и применяться не может. Эйнштейн пришел к выводу, что относительна одновременность событий, разделенных пространственно. Причиной относительности одновременности является конечность скорости распространения сигналов.
Если невозможна «абсолютная одновременность», то не может существовать и «абсолютное время», одинаковое для всех систем отсчета. Каждая система отсчета имеет свое собственное «локальное время». Учение Эйнштейна о времени стало совершенно новым шагом в науке. Понятие «абсолютное время» было отброшено. Но так как время и движение теснейшим образом связаны между собой, то следовало устранить и ньютоновское понятие «абсолютного движения».
Первый и главный постулат теории Эйнштейна – принцип относительности – гласит, что во всех системах отсчета, движущихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно, действуют одни и те же законы природы. Таким образом, принцип относительности классической механики экстраполируется на все процессы в природе, в том числе и электромагнитные. Если же необходим переход от одной системы отсчета к другой, то следует воспользоваться преобразованиями Лоренца. Эти уравнения Эйнштейн назвал так в знак глубокого уважения к трудам своего предшественника. А вот понятие «светового эфира» Эйнштейн упразднил, заменив его «электромагнитным полем».
Многие ученые очень болезненно отнеслись к такому повороту, они никак не могли смириться с тем, что эфира не существует. Даже великий голландец Лоренц до самой смерти верил в существование эфира.
Второй постулат Эйнштейна гласит, что скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала. Скорость света – предельная скорость, ни один из процессов в природе не может иметь скорость большую, чем скорость света.
Из постоянства скорости света вытекают два знаменитых парадоксальных следствия: относительность расстояний и промежутков времени.
Относительность расстояний: расстояние не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчета. Размеры быстродвижущихся тел сокращаются по сравнению с размерами покоящихся тел. При приближении скорости тела к скорости света его размеры будут приближаться к нулю! Нечто похожее высказывал и Лоренц, пытаясь «спасти» эфир в опыте Майкельсона.
Относительность промежутков времени: ход часов в быстродвижущейся системе замедляется по сравнению с часами, находящимися в покоящейся системе отсчета относительно первой.
Эти эффекты физики называют релятивистскими, вкладывая в это тот смысл, что наблюдаются они при скоростях движения, близких к скорости света.
Что же произойдет, если на самом деле попытаться ускорить материальное тело до скорости, близкой к скорости света?
Теория относительности утверждает эквивалентность массы и энергии в соответствии с теперь уже знаменитой формулой: «Энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света».
Вначале
В конце 30-х годов ХХ века формула Эйнштейна получила блестящее подтверждение в реакциях деления урана. При этом одна тысячная часть полной массы исчезала, чтобы вновь целиком обнаружиться в виде атомной энергии. Даже в обычных химических реакциях соблюдается эйнштейновское соотношение, только количество вещества, появляющегося или исчезающего во время реакции, меньше одной десятимиллиардной части всей массы, что весьма тяжело зафиксировать современными устройствами.
Подчеркнем, что в специальной теории относительности рассматривается равномерное движение, то есть движение с постоянной скоростью, при котором направление движения не изменяется. Если движение происходит с ускорением, обусловленным внешними силами, например гравитационным притяжением, – в таких случаях специальная теория относительности неприменима.
В 1908 году немецкий математик Герман Минковский, учивший Эйнштейна в Цюрихском политехникуме, создал для специальной теории относительности математический аппарат. В своем знаменитом докладе на съезде немецких естествоиспытателей и врачей 21 сентября 1908 года Минковский сообщал: «Представления о пространстве и времени, которые я собираюсь развить перед вами, выросли на почве экспериментальной физики. В этом заключается их сила. Они приведут к радикальным следствиям. Отныне пространство само по себе и время само по себе полностью уходят в царство теней, и лишь своего рода союз обоих этих понятий сохраняет самостоятельное существование». С тех пор «мир Минковского» стал неотъемлемой частью специальной теории относительности.
Как видим, приписывать создание специальной теории относительности одному человеку, пусть даже гению, не совсем корректно и, говоря по совести, совершенно непорядочно: Эйнштейн воспользовался разработками идей предшественников, чтобы сделать следующий шаг в науке. Но что было бы при отсутствии таких предшественников?
Дифференциальное и интегральное исчисления: Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц
География научных работ, в которых упоминаются имена Лейбница и Ньютона, достаточно широка. Ими были разработаны методы, с помощью которых любой человек, изучив небольшое число правил действия с символами, обозначающими операции дифференцирования и интегрирования, становится обладателем мощного математического аппарата. Этот аппарат широко используется в физике. Открыли математический анализ оба, и это привело к возникновению грандиозного спора о приоритете. О Ньютоне мы еще расскажем, а сейчас несколько слов о втором герое нашего рассказа.
Среди великих ученых прошлого Готфрид Вильгельм Лейбниц занимает одно из первых мест. Во множестве наук он оставил заметный след: он занимался логикой, юриспруденцией, историей и теологией, выдвинул ценные идеи в геологии, языкознании и психологии. Лейбниц – один из крупнейших философов Нового времени, стоящий в одном ряду с Декартом, Спинозой, Кантом, Гегелем. Начиная с ранних лет жизни в течение примерно полувека он был в центре всех интересов своего времени.
Колоссальные знания в области математики Лейбниц приобрел, как ни странно, методом самообразования. И закончил университет за три года. Обиженный отказом ученого совета университета присвоить ему степень доктора права (ему объяснили, что это связано с его юным возрастом), Лейбниц покинул Лейпциг. Так для молодого ученого началась жизнь, полная напряженного труда и далеких путешествий, во время которых молодой ученый несколько раз встречался с русским царем Петром I. От Петра Лейбниц получил титул тайного советника и пенсию в 2000 гульденов.