Наталья Сердцева - Теория относительности Эйнштейна за 1 час
Именно ей он написал ставшее впоследствии знаменитым письмо о будущем электромагнитной теории: «Я все более и более убеждаюсь в том, что электродинамика движущихся тел в том виде, в каком она существует сегодня, не соответствует действительности и что в будущем будет возможно представить ее в более простом виде. Введение понятия "эфир" в электрические теории привело к понятию среды, о движении которой мы можем говорить только без приписывания этому понятию какого-либо физического смысла…» Ученые всего мира бились над исследованиями свойств эфира, а он, студент с посредственными оценками, уже был уверен, что никакого эфира не существует. И оказался прав!
Дипломную работу будущий выпускник писал на тему электропроводности. Его руководителю Генриху Веберу она не очень понравилась, в первую очередь потому, что Эйнштейн самостоятельно выбрал тему, а не взял ту, что предложил профессор. У них и до этого часто возникали трения – из-за того, что своевольный студент не желал следовать инструкциям и все делал по-своему. Этот конфликт привел к тому, что после выпуска Эйнштейну не предложили работу в Политехникуме, на что он очень надеялся.
Устроиться ассистентом в другой университет он тоже не мог: потенциальные работодатели обращались за рекомендациями к Веберу, после чего отказывали Эйнштейну в месте. Долгое время выпускник не мог найти работу, перебивался случайными заработки и практически голодал. Это был, пожалуй, самый тяжелый период в его жизни. Он признавался, что уже подумывал о том, чтобы пойти работать страховым агентом, когда его приятель Марсель Гроссман нашел ему работу в патентном бюро Берна.
«Год чудес»: невероятные открытия молодого ученого
Работа в патентном бюро, доставшая Эйнштейну после многомесячных поисков, стала для него настоящим спасением. Если бы не это неожиданное предложение, ему пришлось бы оставить науку и заниматься чем-то другим, просто чтобы заработать на пропитание. Позже ученый писал, что без этой работы «потерял бы всю силу духа». А так он оказался в привычной и любимой обстановке: среди динамо-машин, коммутаторов, электрических приборов и других изобретений. В его обязанности входила оценка представляемых проектов, он должен был определить, будет ли очередной механизм работать и принесет ли пользу науке и промышленности. Его профилем были изобретения, связанные с электричеством, в этой области он разбирался прекрасно.
Новая служба дала ученому не только средства к существованию и благоприятную атмосферу, но и время для раздумий и трудов. Именно во время работы в патентом бюро Альберт Эйнштейн совершил те потрясающие открытия, которые были опубликованы в 1905 году, в честь этого названном «годом чудес». Статьи ученого были посвящены самым животрепещущим для физики того времени темам: природе света, соотношению массы и энергии, броуновскому движению и, конечно, самая знаменитая статья – специальной теории относительности.
Менее знаменитая, но тоже очень важная для физики статья называлась «Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» В ней ученый рассматривал те положения, которые впоследствии привели его к формуле Е = тс2.
Саму формулу он тогда еще не вывел, но подробно описал теоретические выкладки. Суть их заключалась в следующем: чем быстрее движется какой-либо объект, тем сильнее увеличивается его масса и тем больше нужно энергии, чтобы приводить его в движение. В одном из писем он рассуждал по этому поводу так: «Из принципа относительности следует, что масса должна быть непосредственной мерой энергии, содержащейся в теле; свет переносит массу. У радия при его распаде должно происходить заметное убывание массы. Это соображение радует и подкупает. Однако не смеется ли по этому поводу и не водит ли меня за нос Господь – этого я не знаю». Тогда у него еще были сомнения в своей правоте, они рассеются позже, после рождения общей теории относительности.
Для того чтобы вывести самую известную формулу всех времен, Эйнштейн смоделировал ситуацию, в которой присутствует тело, распространяющее электромагнитное излучение, и две системы отсчета для его описания. Первая система отсчета покоится, вторая движется относительно тела с постоянной скоростью. Совершив математические расчеты, Эйнштейн обнаружил: испуская излучение, тело теряет не только энергию, но и массу. Таким образом, эти две величины взаимосвязаны, масса переходит непосредственно в энергию. На этой стадии ученый делает вывод, что масса тела – это мера энергии, которая в нем содержится. Если меняется количество энергии, то и масса меняется на соответствующую величину. Это и выражено формулой Е = тс2.
Нужно отметить, что в момент выхода в свет революционных работ, совершивших переворот в физике, Эйнштейн не только не был признанным ученым, к нему вообще относились настороженно в научных кругах. Хотя у него были друзья и единомышленники, знавшие о темах его работы, большая часть научного сообщества не ожидала от него мало-мальски толковых трудов. Он был на периферии науки и вот оказался в самом ее центре, там, где кипели страсти и дискуссии.
Никакого эфира нет: специальная теория относительности
О принципе относительности говорил еще известный физик и астроном Галилео Галилей в XVI веке. В трактате «Диалог о двух главнейших системах мира» он предложил читателям такой эксперимент: «Уединитесь с кем-либо из друзей в просторном помещении под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте далее наверху ведерко, из которого вода будет капать капля за каплей в другой сосуд – с узким горлышком, подставленный внизу.
Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая другу какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении.
Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что, пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно… И причина согласованности всех этих явлений в том, что движение корабля обще всем находящимся в нем предметам, также как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находиться под палубой…»
В сегодняшней физике принцип относительности сформулирован так: во всех инерциальных системах отсчета (находящихся в неподвижности или движущихся равномерно и прямолинейно) механические явления происходят одинаково, по одним и тем же законам.
Чтобы понять важность такого фактора, как система отсчета, можно рассмотреть эксперимент Галилея с точки зрения геометрии. Представим, что на причале стоит наблюдатель, фиксирующий движение корабля. Ему будет соответствовать первая, неподвижная система отсчета. Второй наблюдатель и вторая система отсчета – движущаяся – находятся в трюме.
Если корабль движется вдоль причала с постоянной скоростью, то положение в пространстве второго наблюдателя изменяется, но он этого не знает. Он определяет свои координаты как находящиеся на нулевой отметке оси координат. Первый наблюдатель видит, как меняется положение второго, и может определить его координаты на своей оси. Они будут отличаться от нулевой отметки на то расстояние, которое преодолел второй наблюдатель. Для того чтобы получить возможность связать между собой первую и вторую систему отсчета, были созданы преобразования Галилея, представляющие собой систему несложных уравнений. Они позволяют перевести координаты из одной системы отсчета в другую. В нашем случае первый наблюдатель, чтобы определить местоположение второго, прибавляет расстояние, которое тот проделал. Второй же для определения местоположения первого должен это расстояние вычесть.
Если пойти дальше, можно задуматься о том, что первый наблюдатель не неподвижен, он движется вместе с планетой Земля вокруг Солнца – это уже третья система отсчета. Солнце тоже не стоит на месте, оно вместе с другими звездами вращается вокруг цента Млечного Пути. Таким образом, систем отсчета может быть бесконечное количество. Движущийся корабль, с которого начался эксперимент, в каждой из этих систем отсчета будет иметь разные траектории, все более усложняющиеся по мере перехода из одной системы отсчета в другую. И для каждой из систем отсчета будут верны законы Ньютона и его формулы. Классическая динамика работает независимо от того, в какой системе находится объект, покоится он или движется, – в этом и заключается суть принципа относительности Галилея.
