Запрос:

Установить плагин

Рекомендую
0 0

Альберт Эйнштейн.


Единственным человеком, воспринявшим квантовую гипотезу Планка всерьез, был патентный эксперт Альберт Эйнштейн. Более того, в своей первой статье 1905 г. он выдвинул идею, которая не только опиралась на квантовую гипотезу Планка, но и требовала дальнейшей коренной ломки существовавших представлений. Полностью сознавая неопровержимость свидетельств в защиту волновой теории света, Эйнштейн привел убедительные доводы в пользу того, что свет должен рассматриваться как нечто, состоящее из частиц. Прошло около двадцати лет, прежде чем эта удивительная идея получила всеобщее признание ученых. Во второй работе Эйнштейна был предложен новый способ определения размеров молекул. Третья касалась поведения пылинок и подобных им образований в жидкости. Если, согласно молекулярной кинетической теории, жидкость состоит из хаотически движущихся молекул, то бомбардировка ими частичек пыли должна вынуждать эти пылинки совершать непрерывные беспорядочные зигзагообразные движения. Такое движение обнаружил в 1827 г. ботаник Р. Броун, именем которого оно и названо. Когда формула Эйнштейна, описывающая броуновское движение была в 1908 г. экспериментально проверена и подтверждена Ж. Перри, многие ведущие ученые, которые тогда все еще сомневались в реальности атомов, были, наконец, вынуждены признать реальность их существования.
Четвертая работа 1905 г, направленная в журнал всего через тринадцать недель после первой, называлась «К электродинамике движущихся тел». В ней было изложено то, что мы называем Специальной теорией относительности. Почти одновременно направил в печать свою работу А. Пуанкаре. Причем в ней содержались не только многие математические результаты, изложенные в эйнштейновской работе, но и ряд других математических выводов, которые у Эйнштейна отсутствуют. Несмотря на то, что принцип относительности, давший название теории, был выдвинут Пуанкаре раньше Эйнштейна и в более корректной формулировке, приоритет в создании теории относительности приписывают Эйнштейну. Надо отметить, что, хотя Эйнштейн пользовался той же самой математической записью преобразований Лоренца, что и Лоренц и Пуанкаре, применял он их не с позиций электромагнетизма, а опираясь на свои принципиально новые концепции пространства и времени.
Работы Эйнштейна по теории относительности возникли из бурно развивающегося тогда учения об электромагнитном поле, имевшего в основе уравнения Максвелла. Помимо Эйнштейна эти работы вели такие крупные ученые, как Лоренц, Фитцджеральд, Пуанкаре, Минковский и другие. В то время распространение электромагнитных волн было принято считать происходящим в мировом эфире. Но гипотеза о существовании мирового эфира приводила к противоречию: с одной стороны, согласно опытам Физо, мировой эфир движется по отношению к наблюдателю; с другой стороны знаменитые опыты Майкельсона и Морли приводят к прямо противоположным результатам. «Это противоречие Эйнштейн решил простым логическим путем. Если мировой эфир одновременно движется и находится в покое, то он, как материальная среда, в природе не существует, поэтому электромагнитные процессы просто являются свойствами пространства и определяются относительным движением объектов» (П. Л. Капица. «Альберт Эйнштейн» из сб. «Эксперимент, теория, практика». Москва, 1981). В Специальной теории относительности Эйнштейн сформулировал два фундаментальных принципа, каждый из которых выглядел безобидно, но вместе они привели к подлинному перевороту в науке. Первый принцип гласит, что законы физики одинаковы во всех неускоренных системах отсчета. Правда, впервые и более точно он был сформулирован Пуанкаре: «Законы физических явлений будут одинаковыми как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного поступательного движения, так что мы не имеем никаких средств, чтобы различать, находимся ли мы в таком движении или нет».
Второй из сформулированных в статье Эйнштейна принципов утверждает, что распространение света не зависит от движения его источника. Так же Эйнштейну удалось доказать, что скорость распространения любых взаимодействий во Вселенной конечна, и ограничена скоростью света. Причем любой материальный объект, обладающий массой покоя, может приобрести скорость бесконечно близкую к скорости света, но не равную ей, так как для достижения скорости света ему, согласно преобразованиям Лоренца, потребуется бесконечно большое время (если для придания ускорения этому телу используется конечная сила). Из фундаментальных принципов Эйнштейна следует, что если два наблюдателя движутся относительно друг друга равномерно, то пространственно разделенные события, одновременные для одного из них, в общем случае не одновременны для другого, и наоборот. Одновременность относительна. Этот факт разрушает представления Ньютона об абсолютном времени. В теории Эйнштейна, принимая во внимание относительность одновременности, можно сказать, что относительно само время.

Согласно преобразованиям Лоренца при воздействии на тело силы, вызывающей увеличение его относительной скорости, относительная масса тела так же возрастает, одновременно с массой тела возрастает его энергия. Исходя из этого, Эйнштейн сделал вывод о взаимозависимости и взаимозаменяемости энергии и относительной массы. В 1905 г. он, исходя из уравнений электромагнитного поля, показал, что если тело излучает в виде света энергию L, то оно должно потерять массу в количестве L/c2. Обнаружив, что это справедливо для энергии, переносимой электромагнитными волнами (светом), он заявил, что сам по себе факт существования энергии именно в форме света, «очевидно, не имеет никакого значения». Этим замечанием он превратил частный случай в универсальный закон. Если энергию вместо L обозначить через Е, то выведенное Эйнштейном соотношение примет вид Е/с2=m, что можно переписать в форме
Е=mc2.
В 1907 г Эйнштейн рассмотрел объект, приобретающий массу за счет поглощения излучения, и пришел к выводу, что неразумно делать различие между той массой, которая у него была, и дополнительной массой, привнесенной излучением. Но поскольку последняя связана с энергией соотношением эквивалентности, то, по мнению Эйнштейна, эквивалентна энергии и исходная масса. Таким образом, даже масса покоя оказалась эквивалентной энергии.
В 1905 г. Эйнштейн получил релятивистские уравнения, описывающие движение электрона в электромагнитном поле. Его выводы совпадали с результатами исследований Лоренца, выполненных в 1904 г. В 1906 г. В. Кауфманн опубликовал результаты своего эксперимента, разработанного и поставленного специально для проверки предсказаний, сделанных Эйнштейном и Лоренцом. Кауфманн заявил, что «результаты измерений не согласуются с основными положениями теории Эйнштейна-Лоренца» и из его измерений следует предпочтительность двух других теорий. Потрясенный Лоренц решил было отказаться от своих уравнений, но Эйнштейн совершенно спокойно возразил: «По-моему, обе другие теории имеют довольно мало шансов оказаться верными, ибо лежащие в их основе предположения, касающиеся масс движущихся электронов, не поддаются объяснению в рамках теорий, охватывающих значительно больший комплекс явлений». Отсюда видно, что Эйнштейн придавал большее значение стройности и красоте теории, нежели результатам эксперимента. Как выяснилось впоследствии, результаты Кауфманна оказались ошибочными, и проведенные позднее более тщательные эксперименты оказались в полном согласии со следствиями уравнений Эйнштейна-Лоренца.
Появление Специальной теории относительности потребовало привести ньютоновские законы механики в соответствие с принципом относительности, опирающимся на релятивистские представления о природе пространства и времени. Однако закон всемирного тяготения с его мгновенным действием на расстояние пришел в противоречие с теорией относительности, которая ставит запрет на скорости больше скорости света. Это противоречие было преодолено в созданной Эйнштейном Общей теории относительности.
Во времена Ньютона идею абсолютного движения резко критиковали Беркли и Лейбниц. В XIX в. физик и философ Эрнст Мах доказывал, что проявления ускоренного движения проистекают не из-за движения относительно ньютонова абсолютного пространства, а из-за движения по отношению к так называемым фиксированным звездам и всей другой материи во Вселенной. И Беркли и Мах утверждали, что никакого абсолютного движения не существует, а все движения относительны. Относительность равномерного движения лежала в основе Специальной теории относительности Эйнштейна и новых представлений о пространстве и времени. Но то, что равномерное движение относительно, а другие виды движения нет, казалось ему чудовищным нарушением гармонии мира. Все виды движения должны быть либо относительными, либо абсолютными.
Но поскольку согласно его Специальной теории относительности покой и равномерное движение заведомо относительны, то должны быть относительными и все остальные виды движения. Таким образом, Эйнштейн сформулировал так называемый общий принцип относительности: «Природа законов физики должна быть такова, чтобы они были применимы в системах отсчета, движущихся каким угодно образом».
Эйнштейн, как и другие, пытался рассмотреть тяготение, не выходя за рамки его Специальной теории относительности. Для этого надо было заменить мгновенное распространение действия сил тяготения на любые расстояния на его распространение с конечной скоростью с. Но в процессе расчетов Эйнштейн понял, что при таком подходе падение тела будет зависеть от его горизонтальной скорости, что противоречит, например, стройной галилеевой теории полета пушечных ядер. Это заставило Эйнштейна по-новому взглянуть на открытие Галилея, согласно которому все тела, независимо от их массы падают с одинаковым ускорением: «Наконец-то я понял всю глубину и значение этого закона, который можно сформулировать и как закон равенства инертной и гравитационной масс. То, что он есть – поразительно, и я полагаю, что именно в нем кроется ключ к более глубокому пониманию инерции и тяготения».
Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, связавший равноускоренное движение с однородным гравитационным полем. Из него непосредственно следует, что движение с постоянным ускорением относительно. Далее Эйнштейн сделал вывод, что тяготение должно описываться метрическим тензором четырехмерного пространства-времени. Но, так как метрический тензор уже содержится в геометрической структуре пространства-времени, Эйнштейн приписал ему двойную роль: геометрическую и гравитационную. Метрический тензор содержит всю необходимую информацию для вычисления внутренней кривизны пространства-времени, и поскольку Эйнштейн продемонстрировал возможность описания тяготения с помощью метрического тензора, то в его теории тяготение выступает как проявление именно кривизны пространства-времени. Иначе говоря, согласно Общей теории относительности истинное гравитационное поле есть проявление искривления (отличия геометрии от евклидовой) пространства-времени.
Как только Эйнштейн построил тензорные уравнения гравитационного поля, причем не окончательный, а некий промежуточный вариант, оказавшийся вполне пригодным для решения ряда частных задач, он тут же вычислил с их помощью кривизну пространства-времени, создаваемую Солнцем. Затем с помощью уравнений так называемой геодезической показал, что, в то время как большинство планет должно двигаться практически в полном соответствии с предсказаниями ньютоновой теории, в случае Меркурия должно быть вполне поддающееся наблюдению отклонение от этих предсказаний. Ученым давно было известно, что из-за влияния полей тяготения других планет и по ряду других причин Меркурий движется не просто по эллипсу, а по эллипсу, который сам медленно поворачивается. Это явление называется прецессией перигелия Меркурия. Однако учет всевозможных поправок к ньютонову закону всемирного тяготения не позволил объяснить весь эффект полностью. Оказалось, что эллипс поворачивается приблизительно на 43" в столетие быстрее, чем ему следовало бы исходя из предсказаний откорректированной ньютоновой теории. Так вот, Эйнштейн показал, что из его уравнений следует именно такое отличие от предсказаний теории Ньютона. Кроме того, он вычислил еще и величину гравитационного красного смещения, испытываемого светом на пути от Солнца к Земле, а также величину отклонения лучей света, проходящих вблизи поверхности Солнца, вызванного его гравитационным полем. Отклонение лучей света вблизи Солнца было измерено в 1919 г. и результат измерений совпал с предсказанным. На совместном заседании Лондонского королевского общества и Королевского астрономического общества было сделано официальное сообщение о подтверждении выводов Общей теории относительности Эйнштейна, а сам он был назван гением, теория которого успешно соперничает с творениями великого Исаака Ньютона.

Рекомендации Друзья