Пионеры атомного века (Великие исследователи от Максвелла до Гейзенберга)
Шрифт:
Релятивистское представление о времени привело к выводу, который для классического физического мышления был совершенно невозможен в движущихся системах время протекает медленнее, чем в тех, которые в отношении к ним находятся в покое.
Быстро движущиеся часы - безразлично, идет ли речь о механических, атомных или световых часах, - отстают, таким образом, в своем ходе от тех часов, которые по сравнению с ними покоятся. Эйнштейн в 1905 году привел в этой связи пример: часы на экваторе идут чуть медленнее, чем точно такие же часы на одном из полюсов Земли. Это явление называют релятивистским растяжением (дилатацией) времени.
Если,
Этот "парадокс времени", называемый также парадоксом близнецов, потому что он чаще всего разъясняется на примере, в котором говорится о братьях-близнецах, поставил перед мышлением особенно высокие требования. Он годами стоял в центре споров вокруг теории относительности, был предметом многих недоразумений и поводом ко многим шуткам, подвергался ожесточенным нападкам противников.
Однако в конце 30-х годов удалось физически доказать растяжение времени путем экспериментов с возбужденными атомами водорода и позднее на элементарных частицах космического излучения. При мезонном распаде космического излучения растяжение времени особенно впечатляюще из-за огромной скорости этих частиц. Результаты измерений точно соответствуют величинам, которые Эйнштейн предсказал теоретически.
Недавно парадокс времени был вновь блистательно подтвержден путем применения определенных эффектов физики ядра, которые открыл в 1958 году Рудольф Мессбауэр, мюнхенский физик-атомщик, получивший за это Нобелевскую премию, и которые в его честь названы "эффектом Мессбауэра".
Теория относительности положила начало совершенно новому пониманию соотношения массы и скорости движения.
Механическая масса, понимаемая как инерционное сопротивление тел любому ускорению, считалась в классической физике неизменяемой во времени, постоянной. Она рассматривалась как некоторое количество, которое не может быть уменьшено или увеличено ни химическими, ни физическими воздействиями. Еще за десять лет до Эйнштейна Оствальд на собрании естествоиспытателей в Любеке указывал на этот фундаментальный тезис естествознания, не встретив ни малейших возражений Незадолго до этого Герц также разъяснил в своей "Механике" постоянство основных свойств инертной массы.
Из эйнштейновской теории относительности, однако, следует, что масса тела растет с увеличением скорости, что необходимо делать различие между массой покоящегося тела и массой движущегося. В сфере макрофизики, физики больших тел и малых скоростей, возрастание массы в результате движения лежит далеко за границей измеримого. Поэтому оно остается незаметным. Напротив, в микромире, например, при быстром движении электронов возрастание массы достигает существенной величины, если скорость частицы приближается к скорости света в свободном пространстве.
Это явление уже в 1901 году наблюдал немецкий физик-экспериментатор Кауфман при опытах с отклонением быстрых электронов. Французские исследователи пришли к тем же результатам. Учение Эйнштейна теоретически объяснило эта эмпирические результаты. В области движения электронов было, таким образом, получено первое и на многие годы единственное экспериментальное доказательство выводов
Одно из величайших достижений специальной теории относительности признание того, что c, скорость света в свободном пространстве, образует верхнюю границу для всех мыслимых скоростей тел и для распространения всех физических воздействий. Никакое сложение величин скоростей не может ни достигнуть, ни превысить по величине c, это значит: никакое тело, обладающее массой покоя, не может быть приведено в движение со скоростью, равной скорости света в вакууме или даже превышающей ее Для этого требовалась бы, как это следует из релятивистской динамики, бесконечно большая сила, что физически бессмысленно.
При этом в физической картине мира c, по выражению Эйнштейна, играет роль "недостижимой граничной скорости". Физически возможным является только асимптотическое приближение к величине скорости света в свободном пространстве Тем самым был дан ответ на вопрос, который так живо интересовал Эйнштейна в Аарау. Никто никогда не может наблюдать независимое от времени волновое поле, потому что, исходя из естественных законов, никакое тело, а также никакой самый быстрый космический корабль отдаленного будущего не в состоянии устремляться за световым лучом со скоростью света.
Эйнштейн показал, что c, величина, впервые измеренная на движениях световых квантов и поэтому названная "скоростью света", обладает фундаментальным значением для всех естественных процессов: как всеобщая абсолютная естественная константа. Тем самым он обосновал новую релятивистскую механику, в которую ньютоновские законы движения входят как частные законы: они справедливы для тел, скорость движения которых мала по сравнению со скоростью света в свободном пространстве. Или, говоря иначе, формулы классической механик" выводятся из уравнений релятивистской механики, если скорость света в вакууме рассматривается как бесконечно большая.
В 1905 году в работе "Зависит ли инерция тела от его энергетического содержания" Эйнштейн сделал вывод, научных последствий и общественно-политического воздействия которого поначалу никто не мог предвидеть. Эта статья объемом всего три печатных листа содержит основные идеи учения о взаимоотношении между массой и энергией. По Эйнштейну, массу можно всегда свести к энергии, а энергию к массе. С излучением энергии связано соответствующее уменьшение массы покоя. При добавлении энергии возрастает и масса покоя. Лауэ считает справедливым, по меньшей мере для электрона, утверждение, что масса "есть не что иное, как форма энергии, которая при других обстоятельствах превращается в другие формы". Таким образом, положение о сохранении массы потеряло свою" самостоятельность; оно перешло в положение о сохранении и превращении энергии.
Диалектическая взаимосвязь массы я энергии отображена математически во всемирно известной формуле Эйнштейна: E = mc2 - энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света в свободном пространстве.
Эта формула открыла не замеченную до тех пор "эквивалентность" массы и энергии и дала физикам возможность выражать величину одной через другую. Для особого случая, инерции излучения внутри подвижного полого тела, еще за год до Эйнштейна австрийский физик Фридрих Газенёрль пришел к тому же результату; об инертности других или вообще всех видов энергии он, однако, не думал.