Альберт Эйнштейн (1879–1955), один из величайших мыслителей всех времен, родился в германском городе Ульме. С его именем связаны завершение строительства здания классической физики, начатого Галилеем и Ньютоном, и в то же время революционный переворот в представлениях о пространстве, времени и тяготении.
«Идеи Эйнштейна дали физической науке импульс, который освободил ее от устаревших философских доктрин и превратил в одну из решающих сил современного мира людей», — писал известный физик Макс Борн (1882–1970). По значению, какое имели его труды для развития науки, Эйнштейна можно сравнить только с Исааком Ньютоном.
В школе Эйнштейн не был преуспевающим учеником, его таланты проявились в достаточно зрелом возрасте. Твердо решив стать преподавателем физики, он в октябре 1896 г. был принят в Политехникум, однако в 1900 г. не смог получить место ассистента, которое дало бы ему возможность заниматься научной работой. Только через два года по рекомендации друзей Эйнштейн устроился на постоянную работу экспертом федерального патентного бюро в Берне, где проработал с 1902 по 1909 г.
В 1905 г. 26-летний физик публикует в журнале «Анналы физики» пять статей. Работа «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света» содержала смелую гипотезу о световых квантах — элементарных частицах электромагнитного излучения, летящих в мировом пространстве наподобие пуль. Гипотеза Эйнштейна позволила объяснить фотоэлектрический эффект: появление тока при освещении вещества коротковолновым излучением. Сам эффект был открыт в 1886 г. Генрихом Герцем и не укладывался в рамки волновой теории света. За эту работу, открывшую квантовую эпоху в развитии физики, Эйнштейн позднее был удостоен Нобелевской премии. Она создала идейную основу для знаменитой модели атома Резерфорда — Бора, по которой свет излучается и поглощается порциями (квантами), и гениальной концепции «волн материи» Луи де Бройля. Незадолго до того Макс Планк установил, что тепло тоже излучается квантами. Теперь стало ясно, что причина этого — не в излучающих атомах, а в самом свете. Свет обладает как волновыми, так и корпускулярными (от лат. corpusculum — «мельчайшая частица») свойствами. Таким образом, был осуществлен гениальный синтез двух, казалось бы, несовместимых точек зрения на природу света, высказанных в свое время Гюйгенсом и Ньютоном.
Полное солнечное затмение 29 мая 1919 г. предоставило астрономам возможность проверить теорию Эйнштейна о том, что гравитационное поле массивных тел должно искривлять траекторию света, проходящего через него. Об этом физик писал в 1911 г. Для этого англичане снарядили две экспедиции: одна установила камеры в небольшом городке среди джунглей Амазонки, а другая, в которой участвовал Эддингтон, — на о. Принсипи в Атлантическом океане у побережья Африки. Значение отклонения, рассчитанное Эйнштейном, совпало с фактическими данными Эддингтона.
Статью «К электродинамике движущихся тел» можно рассматривать как введение в специальную теорию относительности — СТО, которая произвела переворот в представлениях о пространстве и времени. Эйнштейн начал с двух постулатов, в которых в сжатом виде представлены механика Галилея — Ньютона и электродинамика Максвелла.
- Все законы физики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета (в тех системах, где справедливы законы механики Ньютона).
- В любой из этих систем скорость света одинакова вне зависимости от того, испускается свет покоящимся или движущимся телом (а значит, во всех системах отсчета выполняются уравнения электромагнитного поля).
Скорость света выступает как недостижимый предел скоростей для всех процессов, сопровождающихся передачей информации.
Появление столь эпохальных работ не принесло Эйнштейну быстрого признания. И хотя с ним переписывались и встречались такие известные ученые, как Макс Планк и Вильгельм Вин, Арнольд Зоммерфельд и Макс Борн, он все еще вынужден был продолжать работать в патентном бюро. Только весной 1909 г., когда Эйнштейна избирают профессором теоретической физики в цюрихском Политехникуме, он уходит из бюро. Научный мир наконец признал Эйнштейна, и в 1913 г. он становится членом Прусской академии наук. Он приехал в Берлин в начале 1914 г. Здесь Эйнштейн получил исключительно благоприятные условия для продолжения своей научной работы.
Вся жизнь Эйнштейна была посвящена научным исследованиям. В 1921 г. Эйнштейн получает Нобелевскую премию за «заслуги в области теоретической физики и в особенности за открытие закона фотоэлектрического эффекта». В 1932 г. ученый выезжает в США, а позднее из-за прихода в Германии к власти нацистов отказывается от германского гражданства и становится постоянным сотрудником Института перспективных исследований в Принстоне. В тот период своей научной деятельности он пытается создать единую теорию поля, т. е. теорию, которая объединила бы все существующие физические поля, но уровень развития физики того времени так и не позволил ему завершить эту работу.
Альберт Эйнштейн скончался в Принстоне 18 апреля 1955 г. Пожалуй, будет не вполне правильным сказать, что он жил и работал в XX в. Скорее, наоборот, XX век останется в истории как век, в котором жил Эйнштейн.
Парадокс близнецов
Из постоянства скорости света вытекает знаменитый парадокс близнецов теории относительности. Время в быстро движущейся системе отсчета замедляет свой ход по сравнению с покоящейся системой. Из этого следует, что космонавт, совершивший полет с околосветовой скоростью, вернувшись на Землю, окажется моложе своего брата-близнеца, все время остававшегося на Земле. И это не фантазия. Факт релятивистского замедления времени экспериментально подтвержден при исследованиях космических лучей. Сталкиваясь с атомами воздуха верхней атмосферы, они порождают частицы, которые движутся с околосветовыми скоростями и поэтому могут достигать приборов, расположенных на поверхности Земли, хотя в неподвижном состоянии они имеют очень малые времена жизни. Если бы не релятивистский эффект продления жизни, они просто не успели бы долететь до прибора от верхних слоев атмосферы, где они образовались, а распались бы по пути.
Вселенная Эйнштейна
Вся жизнь Эйнштейна была посвящена научным исследованиям. Первая мировая война не прервала научного творчества Эйнштейна. В 1916 г. он публикует «Основы общей теории относительности», а вскоре понимает, что его теория должна определять общую структуру Вселенной. Первая релятивистская космологическая модель мира была представлена им в статье «Вопросы космологии и общая теория относительности» (1917).
Вселенная Эйнштейна, устроенная и живущая по законам общей теории относительности (ОТО), статична, неизменна. Она имеет конечную массу, то есть конечное число звезд, галактик и конечный объем. К Большой Вселенной приложимы законы неевклидовой геометрии. Ее пространство искривлено под действием тяготеющих масс таким образом, что световой луч, выходящий из какой-либо точки, распространяясь по кратчайшей линии в искривленном трехмерном пространстве, снова вернется к своей исходной точке. Вселенная Эйнштейна оказалась замкнутой на себя. Она была конечна, но безгранична, так как не имела ни «стенок», ни пространства «за стенками».