Эйнштейн Альберт

1879–1955

Основателей современной теоретической физики, создатель теории относительности.

Большинство людей полагает, что именно Эйнштейн основал теорию относительности в первом десятилетии XX века — словно он тихо сидел в своем кабинете и в одиночестве сумел создать абсолютно новую теорию пространства и времени. На самом деле примерно так дело и обстояло. 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 — и 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.

Идея того, что время и длина зависят от нашей скорости, была впервые предложена как объяснения одного наблюдения, которое когда-то всех поразило. В XIX веке изобрели очень чувствительный аппарат, который должен измерять скорость света, находясь на Земле.

Автором общей теории относительности, о которой наслышаны даже школьники, признан великий ученый Альберт Эйнштейн. Все это так — именно перу Эйнштейна принадлежат работы по специальной теории относительности (СТО, теории, описывающей мир при скоростях, близких к скорости света) (1905 год), и по ОТО (теория тяготения, вытекающая из СТО) (1915–1916 годы). В одиночку Эйнштейн, будь он хоть трижды гениален, создать великую теорию не смог бы, если бы не предшествующие работы десятков других физиков, работавших с XVII по XX век.

Главная заслуга Эйнштейна — обобщение разрозненных фактов, легших в основу СТО и ОТО, и внесение предложений, поломавших все царившие в науке того времени стереотипы. Но не стоит думать, что это легко — простой человек не смог бы полностью отрешиться от господствовавших в науке идей и сделать предположения, даже сейчас кажущиеся фантастическими. Нестандартное мышление и прозорливость Эйнштейна позволили ему увидеть то, что было упущено учеными из-за споров о космическом эфире и скорости света.

Но автором СТО и ОТО считается Эйнштейн, так как ни Лоренц, ни Пуанкаре, ни многие другие видные ученые не смогли отказаться от идеи эфира как переносчика света. Эйнштейн в своей работе «К электродинамике движущихся сред» (1905 год) показал, что принятая в течение нескольких веков теория эфира (тонкой, заполняющей весь мир субстанции, которая служит только для распространения света) несостоятельна, а объяснить постоянство скорости света можно только введением нескольких постулатов (постулат — утверждение, принимаемое за истинное и не требующее доказательства), устанавливающих свойства времени, пространства и света.

Говоря научным языком, Эйнштейн осознал, что описание любого физического события или явления зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель. Вспомним трамвай, в котором, как считается, ехал ученый в день великого осознания. Если пассажирка трамвая, например, уронит очки, то для нее они упадут вертикально вниз, а для пешехода, стоящего на улице, очки будут падать по параболе, поскольку трамвай движется, в то время как очки падают. У каждого своя система отсчета.

Хотя описания событий при переходе из одной системы отсчета в другую меняются, есть и универсальные вещи, остающиеся неизменными. Если вместо описания падения очков задаться вопросом о законе природы, вызывающем их падение, то ответ на него будет один и тот же и для наблюдателя в неподвижной системе координат, и для наблюдателя в движущейся системе координат. Закон распределенного движения в равной мере действует и на улице, и в трамвае. Иными словами, в то время как описание событий зависит от наблюдателя, законы природы от него не зависят, то есть, как принято говорить на научном языке, являются инвариантными. В этом и заключается принцип относительности.

Идею можно лучше понять, если представить космический корабль и мелкие частицы света, которые называются фотонами. Если двигаться по направлению от солнца, надев специальные очки, которые помогают видеть фотоны, то, достигнув скорости 300 000 км/с можно увидеть, как фотоны медленно двигаются мимо космического корабля. И здравый смысл говорит, что, увеличив скорость, можно обогнать фотоны, так как скорость космического корабля превысит скорость света.

Ко всеобщему удивлению, ученые обнаружили, что если двигаться быстрее, то свет не будет проходить мимо иллюминаторов медленнее. Свет всегда движется с одной скоростью. Другими словами, фотоны всегда побеждают в гонке — ничто не может обогнать скорость света.

Как любую гипотезу, принцип относительности нужно было проверить путем соотнесения его с реальными природными явлениями. Из принципа относительности Эйнштейн вывел две отдельные (хотя и родственные) теории. Специальная, или частная, теория относительности исходит из положения, что законы природы одни и те же для всех систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Общая теория относительности распространяет этот принцип на любые системы отсчета, включая те, что движутся с ускорением. Специальная теория относительности была опубликована в 1905 году, а более сложная с точки зрения математического аппарата общая теория относительности была завершена Эйнштейном к 1916 году.

В соответствии со специальной теорией относительности (СТО) всякое движение требует пространства и времени, но все равно для «измерения» требует какой-то точки отсчета. Когда анализируешь — получается, что никакой выделенной «точки отсчета» в природе не существует, кроме света, который имеет всегда одну и ту же скорость («приблизительно», а по гипотезе А. Эйнштейна — Пуанкаре и математически), намного большую, чем все остальные тела. Тогда несложными алгебраическими выкладками получаются формулы для правильного сложения скоростей обычных тел, когда их скорости сравнимы со скоростью света. Для малых скоростей эти формулы дают почти такой же результат, что и старые, что и житейский опыт.

Кроме того, СТО показывает, что при разгоне материальных тел до высоких скоростей (около скорости света) неизбежно растет их масса, которая увеличивается за счет получаемой телом энергии разгона. Получается Е = мс2, знаменитая формула, на идеологии которой создана ядерная и термоядерная бомбы. Из этого же следует, что разогнаться до световой скорости материальному телу не получится — оно начнет тяжелеть и скорее станет «черной дырой», чем достигнет световой скорости.

Общая теория относительности (ОТО) — предполагает, что пространство и время вообще составляют единое целое, искривление которого и объясняет возникновение сил, ускорений, гравитации, законов взаимодействия вещества с «черной дырой». Общая теория относительности применяется уже ко всем системам отсчета (а не только к движущимися с постоянной скоростью друг относительно друга) и выглядит математически гораздо сложнее, чем специальная (чем и объясняется разрыв в одиннадцать лет между их публикацией). Она включает в себя как частный случай специальную теорию относительности (и, следовательно, законы Ньютона). При этом общая теория относительности идёт значительно дальше всех своих предшественниц. В частности, она дает новую интерпретацию гравитации.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит нам, что между любыми двумя телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения. С этой точки зрения Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения. Общая теория относительности, однако, заставляет нас взглянуть на это явление иначе. Представьте туго натянутое полотно, на которое помещен массивный шар. Полотно деформируется под тяжестью шара, и вокруг него образуется впадина в форме воронки. Согласно общей теории относительности, Земля обращается вокруг Солнца подобно маленькому шарику, пущенному кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени тяжелым шаром — Солнцем.

Все теории относительности получили практическое подтверждение, многие наблюдаемые явления физики можно объяснить только этими (или похожими) теориями. Эйнштейн собрал воедино все факты и ввел незначительные, на первый взгляд, усовершенствования. Но это был великий шаг для науки и, чтобы сделать его, надо было обладать немалой смелостью.

В 1905 году Эйнштейн не поставил точку, а завершил лишь один из этапов становления великой теории и дал направление развитию совершенно новой физики. Через 10 лет ученый опубликовал свою общую теорию относительности, дающую толкование природы тяготения. И обе эти теории за сто лет доказали, что имеют право на существование.

Оглавление