В далёком 1903 году некий молодой человек выходит на службу в Федеральное Бюро патентования изобретений. Спустя 2 года в 1905 году он публикует в ведущий посвящённый физике журнал Германии «Анналы физики» 3 статьи, которые в последующем положили начало новой научной революции. Если до этого при описаний тех или иных научных законов люди основывались на константы такие как пространство и время и считали их независимыми от чего либо, то после тех революционных идеи, предложенных в статьях, человечество взглянуло на мир иначе.
Как они назывались?
- «К электродинамике движущихся тел». В статье говорится о всеобщем принципе относительности и постоянстве скорости света;
- «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». Одна из работ, заложивших фундамент Квантовой физики.
- «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты». Работа, посвящённая броуновскому движению и существенно продвинувшая статистическую физику.
Но нас сегодня интересует первая статья, а именно "К электродинамике движущихся тел"
Так что же в ней было изложено?
В течение XIX века носителем электромагнитных явлений считалась гипотетическая среда - эфир. Однако веком позже выяснилось, что свойства эфира трудно согласовать с классической физикой. С одной стороны опыт Физо свидетельствовал в пользу гипотезы, что эфир частично увлекается движущейся материей, с другой - аберрация света наталкивала на мысль, что эфир абсолютно неподвижен. Опыты Майкельсона, однако, показали, что никакого «эфирного ветра» не существует.
В 1892 году нидерландский физик-теоретик Х.А. Лоренц и Джордж Френсис Фицджеральд предположили, что эфир неподвижен, а длина любого тела сокращается в направлении его движения. Оставался, однако, открытым вопрос, почему длина сокращается в точности в такой пропорции, чтобы компенсировать «эфирный ветер» и не дать обнаружить существование эфира.
И в зависимости от какой гипотезы мы отталкиваемся вытекают те или иные следствия. На то время французский математик Анри Пуанкаре, признавая эфир, дал обобщённую формулировку принципа относительности, высказав мысль, что одновременность событий не абсолютна, а представляет собой условное соглашение. Было высказано также предположение о предельности скорости света. Таким образом, в начале XX века существовали две несовместимые кинематики: классическая, с преобразованиями Галилея, и электромагнитная, с преобразованиями Лоренца.
Но наш молодой человек в значительной степени независимо, пришёл к выводу, что нелепо привлекать понятие эфира только для того, чтобы доказать невозможность его наблюдения, и что корень проблемы лежит не в динамике, а глубже — в кинематике. В статье «К электродинамике движущихся тел» он предложил два постулата: всеобщий принцип относительности и постоянство скорости света; из них без труда выводятся сокращение Лоренца, формулы преобразования Лоренца, относительность одновременности, ненужность эфира, новая формула сложения скоростей, возрастание инерции со скоростью и т.д. В другой его статье, которая вышла в конце года, появилась знаменитая формула, которую мы знаем: E = mc² (эквивалентность массы и энергии). И да, то оком мы говорим не кто иной, как Альберт Эйнштейн.
Из специальной теории относительности следует, что масса и энергия — это одновременно разные проявления одного и того же — несколько необычная концепция для среднего ума.
Общая теория относительности в двух словах
Ещё в 17 веке Декарт объявил, что все процессы во Вселенной объясняются локальным взаимодействием одного тела с другим, и с точки зрения науки этот тезис близкодействия был естественным. Но теория всемирного тяготения И. Ньютона противоречила тезису близкодействия-в ней сила притяжения передавалась непонятным образом и с бесконечной скоростью. На протяжении двух веков делались попытки исправить положение и избавиться от мистического дальнодействия, однако до Эйнштейна исправить положение никому не удалось.
Основная идея Эйнштейна проста: материальным носителем гравитации является само пространство. То что все тела в поле тяготения получают одинаковое ускорение и есть факт того, что гравитацию можно рассматривать как проявление свойств геометрии четырёхмерного неевклидова пространства. Получается что у пространства-времени есть физические атрибуты такие как метрика и кривизна и оно не является "плоской и безразличной сценой". Причиной искривления пространства-времени является присутствие материи, и чем больше её энергия, тем искривление сильнее.
Из рисунка мы видим что тело большей массы способствует большему искривлению пространства-времени. В таких объектах как Черные дыры пространство-время искривляется таким образом, что даже свет не может выйти с их окрестностей.
Математическое оформление этих идей было достаточно трудоёмким и заняло несколько лет (1907-1915). Эйнштейну пришлось овладеть тензорным анализом и создать его четырёхмерное псевдориманово обобщение. В 1915 году уравнения поля общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), обобщающие ньютоновские, были опубликованы почти одновременно в статьях Эйнштейна и Гильберта.
Но увы!
Эйнштейна неоднократно номинировали на Нобелевскую премию по физике, однако Нобелевский комитет счёл экспериментальные доказательства теории относительности недостаточными. Далее выдвижение кандидатуры было ежегодно, кроме 1911 и 1915, а из рекомендателей были крупнейшие физики тех времён. Но Нобелевский комитет долго не решался присудить премию автору таких революционных теории. И в 1921 году премия была присуждена Эйнштейну за теорию фотоэффекта, но не за теорию относительности. Поскольку Эйнштейн был в отъезде, премию от его имени принял 10 декабря 1922 года Рудольф Надольный , посол Германии в Швеции.
10 ноября 1922 года секретарь Шведской Академий наук Кристофер Ауривиллиус писал Эйнштейну:
Как я уже сообщил Вам телеграммой, Королевская академия наук на своём вчерашнем заседании приняла решение присудить Вам премию по физике за прошедший год, отмечая тем самым Ваши работы по теоретической физике, в частности открытие закона фотоэлектрического эффекта, не учитывая при этом Ваши работы по теории относительности и теории гравитации, которые будут оценены после их подтверждения в будущем.
Прошло чуть больше века с тех пор, как относительность Эйнштейна фундаментально перевернула наше понимание Вселенной. Великое наследие учёного заключается в его революционных теориях: его работа вдохновила тысячи учёных, которые в итоге последовали за ним в поисках истинной природы реальности.
Сегодня теория Эйнштейна регулярно подвергается различным проверкам, которые с достоинством проходит. Благодаря теории относительности и другим работам когда-то скромного работника бернского патентного бюро, у нас есть Стандартная модель, инфляционная модель Вселенной и новые гипотезы, рождающиеся в попытках понять самые глубинные принципы устройства вещей, которые помогли бы в исчерпывающей полноте описать Вселенную и реальность как таковую.