История науки

щей теорией относительности», стал принцип эквивалентности, который Эйнштейн сформулировал следующим образом:

«В поле тяготения (малой пространственной протяженности) все происходит так, как в пространстве без тяготения, если в нем вместо инерциальной системы от­ счета ввести систему, ускоренную относительно нее».

Иначе говоря, наблюдатель никакими опытами не может обнаружить, движется ли он ускоренно или находится в гравитационном поле. Из этого принципа следует, что действие гравитационного поля эквивалентно уско­ ренному движению, а значит, тяжелая или гравитационная масса эквивален­ тна инертной.

Напомним, что в классической физике гравитационная масса определя­ ется на основе закона всемирного тяготения как величина, пропорциональ­ ная весу тела, то есть силе притяжения. Инертная масса характеризует «со­ противляемость» ускорению. Равенство инертной и гравитационной масс в классической механике может считаться случайным. Экспериментально это равенство установлено впервые Галилеем в опытах с падающими телами, а затем и Ньютоном в опытах с маятниками. Эйнштейн считает это равенство проявлением свойств гравитационного поля.

Согласно принципу эквивалентности, кинематически можно изменить или как бы уничтожить гравитацию в определенный системе отсчета, то есть по Эйнштейну, присутствует прямая связь кинематики с гравитацией. Кинематика по своей природе геометрична, поэтому гравитацию можно интерпретировать геометрически, как геометрию пространства — времени. Такая геометрическая интерпретация и приводит к римановой геометрии, причем геометрические свойства определяются распределением тяготеющих масс и их скоростями.

Вокруг общей теории относительности до сих пор не затихают споры. Сторонники этой теории в качестве решающих доказательств ее справедли­ вости выдвигают определенное экспериментальное подтверждение важней­ ших следствий общей теории относительности. Биографы Эйнштейна счи­ тают «самым сильным эмоциональным событием за всю научную жизнь Эйн­ штейна, а быть может, и за всю его жизнь» объяснение поворота орбиты Мер­ курия с помощью общей теории относительности. В 1859 г. Леверье обнару­ жил, что движение самой близкой к Солнцу планеты — Меркурия несколько отличается от предсказываемого механикой Ньютона, а именно орбита Мер­ курия медленно поворачивалась вокруг Солнца. Попытка астрономов объяс­ нить это вращение воздействием других планет, в том числе еще не открытых (Леверье предположил существование некой планеты Вулкан), не имели успе­ ха. Поворот орбит планет тем больший, чем ближе планета к Солнцу, являлся прямым следствием общей теории относительности. Совпадение данных аст­ рономических наблюдений с расчетами, проведенными по теории Эйнштей­ на, оказалось поразительным: отклонение в оценке угла поворота орбиты со­ ставляет по современным данным ± О, V / столетие.

Другим важным следствием общей теории относительности является сле­ дующее предсказание: лучи света, проходящие вблизи Солнца, обязаны ис­

кривляться. Максимальное отклонение должно составлять угол а = Г',75. Само отклонение как факт вытекает и из ньютоновской корпускулярной те­ ории, однако угол отклонения по Ньютону должен быть вдвое меньше. Опы­ ты, проведенные во время солнечных затмений 1919 г. и 1922 г., показали полное совпадение с выводами общей теории относительности.

Эффекты общей теории относительности в Солнечной системе малы изза сравнительно слабого гравитационного поля Солнца, а поэтому ограни­ чены и рамки возможных экспериментов. Общая теория относительности получила, таким образом, экспериментальное подтверждение лишь для сла­ бого гравитационного поля, на что и указывают скептики.

Создатель теории относительности Альберт Эйнштейн (1879—1955) ро­ дился в Ульме в еврейской семье владельца мелкой фабрики по починке электрических приборов. В девятилетием возрасте Альберта отдали в гим­ назию в Мюнхене. Основным способом обучения в гимназии была зубреж­ ка, никак не дававшаяся Эйнштейну. За глаза учителя называли Альберта «туповатым парнем». Но вот впервые к Альберту попал учебник геометрии. Мальчик был поражен строгостью и гармонией мысли Евклида, сходством геометрии с музыкой, с произведениями его любимого Моцарта. К тому вре­ мени Эйнштейн уже неплохо играл на скрипке, это было его любимым ув­ лечением, сохранившимся на всю жизнь. Математика захватила его, и Аль­ берт стал первым в классе по этому предмету, относясь к другим кое-как. В шестнадцатилетнем возрасте, не окончив гимназии, Эйнштейн переезжает в Италию, где к тому времени обосновалась его семья, а затем отправляется учиться в Цюрихский Политехникум, который окончил в 1900г.

Эйнштейн надеялся после окончания Политехникума получить в нем ме­ сто преподавателя и швейцарское гражданство. Но этим надеждам не сужде­ но было сбыться. В течение двух лет Эйнштейн не мог получить места, пока наконец не был принят на должность референта патентного бюро г. Берна. Вскоре после этого события Эйнштейн женился на своей сокурснице хорватке Милеве Марич.

Начались годы сравнительно спокойной семейной жизни, наполненные размышлениями над величайшими научными проблемами. В течение 1902— 1904 годов Эйнштейн закончил и послал в Берлинские «Анналы физики» четыре статьи, посвященные вопросам молекулярно-кинетической теории. В этих работах развивались идеи статистической механики. В них выводи­ лись положения, уже полученные Больцманом и Гиббсом, и Эйнштейну пришлось сильно пожалеть, что он не знал работ своих предшественников. Но Эйнштейн пошел дальше. Он смог количественно описать движение мельчайших взвешенных частиц, открытое шотландским ботаником Робер­ том Броуном три четверти века назад при наблюдении под микроскопом водной взвеси цветочной пыльцы (броуновское движение).

На основе исследований броуновского движения Эйнштейн написал док­ торскую диссертацию под названием «Новое определение размеров моле­ кул», уместившуюся на двадцати одной странице. Он послал диссертацию в Цюрихский университет и вскоре получил искомую степень доктора фи­ лософии.

О двух других направлениях научных изысканий Эйнштейна знали лишь его близкие друзья, называвшие себя «веселой академией». «Академия» со­ биралась либо в тесной мансарде, занимаемой Эйнштейном с женой, либо в кафе «Олимпия», либо на квартире сослуживца Эйнштейна итальянца Бессо. За кружкой пива обсуждались новые книги, философские проблемы, после дискуссий слушали игру Эйнштейна на скрипке, отправлялись на пе­ шие прогулки.

В марте 1905г. в «Анналах» появилась статья Эйнштейна, посвященная квантовой теории излучения. Гипотетическим квантам Планка приписыва­ лась вполне определенная физическая реальность. Статья называлась «Об од­ ной эвристической точке зрения на происхождение и превращение света».

Воскликнуть великое Архимедовское «Эврика!» пришел черед Эйнштей­ ну. Точка зрения Эйнштейна оказалась действительно эвристической, оп­ ределяющей новые пути познания мира, пути квантовой механики.

Осенью того же 1905г. вышла в свет статья «К электродинамике движу­ щихся сред». Обе статьи относятся к 17 тому «Анналов» — изданию, сделав­ шему имя Эйнштейна знаменитым на весь мир. В двух великих статьях были сосредоточены результаты многолетних раздумий гениального мыслителя, изменившего Ньютоновскую картину мира. М. Бессо предложил назвать новый взгляд на мир теорией относительности. Это название и было при­ нято Эйнштейном.

После прочтения статей Эйнштейна Планк сразу же написал автору пись­ мо, в котором, в частности, спрашивал о том, каков его научный статус. Уз­ нав о службе Эйнштейна в патентном бюро в качестве эксперта 3-го клас­ са, Планк был умилен, раздосадован и послал рекомендательное письмо профессору Грунеру в Берн. Грунер попросил Эйнштейна представить ка­ кую-либо из его работ в Бернский университет. Эйнштейн прислал свою работу по теории относительности. После обсуждения этой работы, притя­ зания Эйнштейна на чтение лекций в университете Берна были признаны необоснованными...

Первое публичное чтение Эйнштейном лекции по теории относительно­ сти состоялось в ... столовой профессионального союза бернских официан­ тов. Эйнштейн частенько обедал там. Лекцию слушали члены «веселой ака­ демии» и несколько сослуживцев из бюро патентов.

Имя Эйнштейна становилось вместе с тем все более известным, и в 1908г. он получил предложение должности приват-доцента Бернского универси­ тета. Эта должность предполагала чтение необязательного для студентов курса лекций без оплаты лекционных часов, так что Эйнштейн вынужден был продолжать свою службу в патентном бюро. Летом 1909г. Эйнштейн сделал доклад о природе света на 81-м съезде немецких натуралистов в Зальцбурге. На этом съезде состоялась первая встреча юного Эйнштейна с М. Планком. Наблюдавшие за ними коллеги отметили: крайности сходят­ ся. Действительно, профессор Планк уже вошел в свой шестой десяток, Эй­ нштейну было только тридцать лет. Планк был серьезен и чопорен, Эйнш ­ тейн смахивал на вихрастого расшалившегося мальчишку. Планк выходил из стародворянской семьи, принадлежал к научной «богеме» — среде чуж­

дой Эйнштейну. Но их объединяло главное — научные позиции, взаимные симпатии, да и музыка, бывшая для Планка родной стихией. Осенью 1909г. Эйнштейн покидает патентное бюро и получает назначение экстраординар­ ным профессором Цюрихского университета. В 1911г. пришло предложение занять самостоятельную кафедру в немецком университете в Праге, кото­ рое Эйнштейн принял.

В сентябре этого года состоялся первый «сольвеевский» съезд ведущих физиков в Брюсселе, в котором Эйнштейн принял участие. Инициатором этих съездов был бельгийский меценат Эрнест Сольвей, организовавший регулярные встречи крупнейших деятелей науки. В Брюсселе на первом съезде встретились Резерфорд, Кюри, Планк, Нернст, Лоренц и другие крупнейшие ученые. Эйнштейн был самый молодой среди них.

Пребывание в Праге оказалось недолгим. В августе 1912г. Эйнштейн вер­ нулся в Швейцарию и занял предложенную ему профессорскую кафедру в цюрихском Политехникуме, в котором сам сидел за студенческой партой.

Через два года Эйнштейн переезжает в Берлин, навсегда покинув Швей­ царию. Милева Марич остается в Цюрихе. Переехать в Берлин Эйнштейна уговорил Планк, видевший в нем своего соратника и подготовивший этот переезд во всех отношениях. К тому времени работа над общей теорией от­ носительности вошла в завершающий этап. Со времени создания специаль­ ной (частной) теории относительности прошло почти десять лет. Эта тео­ рия успешно развивалась. В 1907г. Герман Минковский придал частной те­ ории относительности новую математическую форму и вывел ее на новый уровень физических представлений, введя понятие «пространство-время». При операциях с этим понятием Минковским был разработан математичес­ кий аппарат, носящий название «тензорное исчисление». В самом разгаре своей работы в 1909г Г. Минковский внезапно умер в возрасте сорока пяти лет (ему неудачно была сделана операция аппендицита).

Геометрия Минковского оставалась евклидовой. Эйнштейн, соединив­ ший тензорное исчисление с неевклидовой римановой геометрией, сделал решающий шаг в построении общей теории относительности — теории тя­

готения К Эйнштейну пришла мировая слава. Университеты и академии многих

стран наперебой приглашали его прочитать лекции. Эйнштейн принимает решение отправиться в научное турне. К тому времени Эйнштейн развелся с оставшейся с двумя его сыновьями в Цюрихе Милевой Марич и женился на своей двоюродной сестре Эльзе.

Эйнштейн читает лекции в Лейдене, затем в Праге, откуда отправляется в Америку. Одной из причин, побудивших Эйнштейна предпринять поезд­ ку за океан, было его сближение с сионистским движением. Эйнштейн меч­ тал о создании еврейского университета в Палестине, разработал план сов­ местного арабо—еврейского управления территориями, на которых прожи­ вают вместе евреи и арабы. После Америки путь Эйнштейна лежал в Анг­ лию, затем во Францию, а потом в Индию и Китай. Во время пребывания Эйнштейна в Шанхае пришло известие о присуждении ему Нобелевской премии по физике за предыдущий 1921г. Премия присуждалась «за откры­

тие закона фотоэлектрических явлений и за другие работы в области теоре­ тической физики».

Зиму Эйнштейн провел в Японии и в феврале 1923г. вернулся в Берлин, посетив по пути Палестину, Марсель и Мадрид. В Германии Эйнштейн по­ селился на вилле Капут близ Потсдама и прожил там девять лет. Осенью 1930г. Эйнштейн во второй раз побывал в США с чтением лекций в Пасадене (Ка­ лифорния). Там произошла его встреча с Майкельсоном, которому было уже семьдесят девять лет. Так случилось, что через несколько недель Эйнштейн провожал в последний путь человека, чьи научные исследования стали от­ правной точкой в создании теории относительности. Возвращение в Европу после этой поездки было недолгим. В 1932г. Эйнштейн вновь посещает Аме­ рику, в 1933г. переезжает сначала в Бельгию, а затем окончательно эмигри­ рует в Соединенные Штаты. Годы жизни в Америке отмечены пацифистской деятельностью Эйнштейна, лекциями и публикациями по проблемам теории относительности. Замечательна его переписка с Н. Бором по вопросу о веро­ ятностном толковании квантовой и волновой механики, известная как дис­ куссия «Играл ли Бог в кости при сотворении Мира».

В последние годы Эйнштейн вел довольно замкнутый образ жизни. Пос­ ле смерти Эльзы в 1936г. его ближайшей помощницей стала Элен Дюкас. В том же году в Принстон, где жил Эйнштейн; приехал молодой польский физик Л. Инфельд, работавший с Эйнштейном с 1936г. по 1938г. Ими сов­ местно написана ставшая знаменитой книга «Эволюция физики», вышед­ шая в 1938г.

Эйнштейн всегда говорил, что не боится смерти. Перед кончиной он ска­ зал: «Свою задачу на Земле я выполнил». По его завещанию прах великого ученого развеяли по ветру.

2.3. Модели атомов. Н. Бор

Первые представления о сложном строении атомов возникли после откры­ тия электрона — отрицательно заряженной микрочастицы. Открытию элек­ трона предшествовали исследования так называемых «катодных лучей». Ка­ тодные лучи представляли как излучение, идущее из катода гейслеровых трубок — стеклянных трубок с разреженным газом, светящимся при пропус­ кании через него электрического тока. В трубку впаивали электроды — ка­ тод и анод, на которые подавали электрическое напряжение. Вильям Гитторф (1844—1915) обнаружил флуоресценцию стенок трубки, в которой происходил разряд. Явление флуоресценции объяснили действием некото­ рого излучения, находящегося внутри трубки и названного «катодными лу­ чами». Обстоятельное изучение катодных лучей предпринял английский ис­ следователь Уильям Крукс (1832—1919), показавший, что они распространя­ ются прямолинейно, оказывают механическое воздействие и отклоняются магнитным полем. Крукс считал, что катодные лучи представляют собой лу­ чистую материю — некоторое четвертое состояние вещества. Крукс сделал также пророческое предположение:

к силе электрического поля Рэ, силовые линии магнитного поля (вектор маг­ нитной индукции В) должны быть направлены перпендикулярно чертежу (по правилу левой руки). Если силы Fu и Рэ равны, то частица не отклоня­ ется, и флуоресцирующее пятно находится в центре (в нулевой точке отсче­ та). Из равенства сил следует, что скорость частицы v = Ё /В . Для измере­ ния энергии, переносимой пучком в единицу времени, использовался тер­ мостолбик, помещенный внутрь трубки. Термостолбик обеспечивал изме­ рение температуры, по изменению которой в единицу времени определя­ лась поглощенная энергия. По значению этой энергии, отклонению пучка магнитным полем при отключенном электрическом поле и значению ско­ рости частиц Томсон вычислил отношение заряда частицы q к ее массе т. Полученное отношение (q/m) не зависело ни от типа газа, ни от формы труб­ ки, ни от скорости лучей, ни от материала трубки, то есть представляло со­ бой фундаментальную постоянную. Аналогичное соотношение (q/m) было получено для иона водорода из данных по электролизу. Если предположить (как это сначала сделал Томсон, а затем доказал экспериментально), что за­ ряды электричества, переносимые ионом водорода и частицей в катодных лучах равны, то выходит, что масса частиц в катодных лучах должна состав­ лять не более, чем одну тысячную от массы атома водорода. Томсон опи­ санные выше эксперименты по определению отношения (q/m) считал не­ достаточно точными. Он измерил это отношение для частиц, полученных с помощью фотоэффекта, и получил то же значение, что и для катодных лу­ чей. В своих воспоминаниях Томсон пишет:

«После длительного обсуждения экспериментов оказалось, что мне не избежать следующих заключений:

1.Что атомы не неделимы, так как из них могут быть вырваны отрицательно заряженные частицы под действием электрических сил, удара быстро движущих­ ся частиц, ультрафиолетового света или тепла.

2.Что эти частицы все одинаковой массы, несут одинаковый заряд отрица­ тельного электричества, от какого бы рода атомов они ни происходили, и явля­ ются компонентами всех атомов.

3.Масса этих частиц меньше, чем одна тысячная массы атома водорода».

Томсон называл эти частицы корпускулами, а электроном только заряд частицы, но впоследствии частицу катодных лучей стали называть электро­ ном (греч. electron — «янтарь»). Для измерения заряда электрона Томсон про­ вел сложнейшие эксперименты с камерой Вильсона. Чарльз Вильсон (1869— 1935) открыл, что в воздухе, перенасыщенном водяным паром, каждый ион становится центром конденсации пара. При конденсации возникают капель­ ки воды, по которым можно обнаружить и проследить траектории движения заряженных частиц. Перенасыщение пара в камере Вильсона создается быс­ трым разрежением газа. Томсон получил значение q = 6,5 • 10'10 эл. стат. еди­ ниц. В 1909г. Милликен измерил величину заряда на капельках масла и по­ лучил значение q = 4,7 • 10 |0эл.ст.единиц. Современное значение величины заряда электрона q = 4,803 • 10'10 эл. ст. ед. = 1,601 1019 Кл. Масса электрона