Наталья Сердцева - Теория относительности Эйнштейна за 1 час
То, что в движущейся системе отсчета (при очень высоких скоростях) время замедляется, хорошо иллюстрирует так называемый «парадокс близнецов». Этот мысленный эксперимент выглядит так: один из близнецов остается на Земле, другой летит на далекую планету в ракете, которая развивает скорость, близкую к скорости света. Допустим, по земным меркам полет длился два года. Но для близнеца, который находился в полете, время шло гораздо медленнее, у него прошло всего несколько дней. Так что по возвращении он оказывается моложе своего брата.
Запаздывание времени в движущейся системе отсчета, также как другие следствия постулатов теории относительности, были выведены Эйнштейном математически, с использованием преобразований Лоренца. В привычном нам мире все эти теории кажутся невероятными, но они реально действуют в мире высоких скоростей и неоднократно подтверждены современной экспериментальной наукой.
О двойственной природе света: вклад Эйнштейна в квантовую теорию
Первая из статей, опубликованная Эйнштейном в «чудесном» 1905 году в немецком журнале «Анналы физики», называлась «Об одной эвристической точке зрения на происхождение и превращение света». Речь в ней шла о явлении фотоэффекта, сам автор в одном из писем другу называл ее «весьма революционной».
Предыстория вопроса началась еще в XVII веке, когда ученые впервые задумались о природе света. Английский естествоиспытатель Роберт Гук тогда выдвинул теорию, что свет, так же как звук, является волной. Его современник и коллега из Нидерландов Христиан Гюйгенс написал «Трактат о свете», где поддерживал и развивал взгляды Гука. Этот труд считается наброском первой волновой теории света.
Тем не менее в физике XVII–XVIII веков главенствовала корпускулярная теория света, согласно которой свет состоит из мельчайших частиц – корпускул. Считалось, что их излучает любое светящееся тело. Исаак Ньютон поначалу тоже склонялся к этой теории, но впоследствии увидел, что свет порождает некоторые волновые эффекты (колебания, дифракцию – огибание препятствий). Он был на пороге того, чтобы выдвинуть компромиссную, корпускулярно-волновую теорию света, но не сделал этого. Изучая и описывая свойства света, Ньютон создавал математические модели различных световых явлений, но не пытался дать им физическое определение. «Учение мое о преломлении света и цветах состоит единственно в установлении некоторых свойств света без всяких гипотез о его происхождении», – писал он.
Таким образом, до начала XX века корпускулярная теория света была в физике общепринятой. Но в 1900 году немецкий ученый Макс Планк, занимавшийся проблемой теплового излучения, сам того не подозревая, заложил основы квантовой физики. Он первым ввел понятие «квант» – небольшая неделимая частица какой-либо физической величины. Планк предположил, что энергия света выделяется не волнами, а именно квантами. Альберт Эйнштейн в своей работе 1905 года согласился с теорией кванта и развил ее. «Согласно сделанному здесь предположению, энергия пучка света, вышедшего из некоторой точки, не распределяется непрерывно во все возрастающем объеме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком», – написал он в начале статьи.
Ученый подчеркивал, что в современной ему физике представления о структуре материи и структуре света являются противоположными. «Согласно теории Максвелла, – писал Эйнштейн, – во всех электромагнитных, а значит, и световых явлениях энергию следует считать величиной, непрерывно распределенной в пространстве, тогда как энергия весомого тела, по современным физическим представлениям, складывается из энергий атомов и электронов. Энергия весомого тела не может быть раздроблена на сколь угодно большое число произвольно малых частей, тогда как энергия пучка света, испущенного точечным источником, по максвелловской (или вообще по любой волновой) теории света, непрерывно распределяется по все возрастающему объему».
Эйнштейн утверждал, что экспериментальные данные показывают несоответствие. Свет во многих случаях (в первую очередь, связанных с возникновением и превращением светового потока) ведет себя не как волна, а как совокупность дискретных частиц. Энергия пучка света, выходящего из конкретной точки светящегося тела, распределяется не непрерывно с возрастанием объема, как это происходит в случае волны, а складывается из отдельных квантов, цельных и неделимых, возникающих и поглощаемых только целиком.
Для доказательства ученый обращается к явлению фотоэффекта. Фотоэффект был открыт в начале XIX века, его активное изучение началось в конце того же столетия, наибольший вклад внесли Генрих Герц из Германии и Александр Столетов из России. Они заметили, что металлические тела, когда на них действует свет, начинают терять свой отрицательный электрический заряд. То есть свет «выбивает» электроны из металла. Если бы свет был волной, то скорость, с которой удаляются электроны, должна была зависеть от интенсивности этой волны (или от яркости и мощности пучка света). Но эксперименты показали, что мощность и интенсивность влияют на количество электронов, «выбиваемых» в единицу времени. А на скорость их «выбивания» влияет частота колебаний света, или его цвет.
«Самый красивый и глубокий опыт, который может получить человек, – это ощущение загадочного. Это базовый принцип религии, а также любых серьезных начинаний в искусстве и науке».
Самая быстрая скорость испускания электронов веществом наблюдалась при воздействии на него фиолетовым светом, красный свет «выбивал» электроны гораздо медленнее. Разница между этими двумя цветами была как между бомбардировкой крупными и мелкими снарядами. В своей работе Эйнштейн выдвигал предположение, что должны быть такие «мелкие» и слабые кванты, которые вообще не смогут выбить электроны из вещества и породить явление фотоэффекта. Это предположение позже подтвердилось: действительно существует инфракрасный свет с очень малой энергией квантов, он не может «выбивать» электроны. С другой стороны, есть и очень крупные кванты (гамма-лучи, рентгеновское излучение), которые способны создавать интенсивный фотоэффект.
Из экспериментальных наблюдений следовал вывод, что световая волна неоднородна, а состоит из мельчайших частиц – квантов, о которых говорил Макс Планк. Но, в соответствии с уравнениями электроволновой теории Максвелла, свет является волной. Возникало противоречие, разрешить которое не представлялось возможным.
Эйнштейн в своей статье нашел объяснение этому противоречию, выдвинув революционную гипотезу, что свет – это одновременно и волна, и частица, то есть он имеет двойственную природу. Его объяснение сводилось к тому, что электрон удерживается в металле некими физическими силами. Когда металл облучается светом, электрон получает из него энергию, которая позволяет ему вырваться на свободу. Энергия попадает в электрон порциями, одна порция – это фотон (частица, или квант) света.
Эйнштейн пошел дальше Планка. Макс Планк предположил, что свет излучается порциями – квантами. Эйнштейн считал, что свет не только изучается, но и существует в виде квантов. Он вывел уравнение для фотоэффекта, которое впоследствии было подтверждено экспериментальным путем.
Теория фотоэффекта, созданная Эйнштейном, сыграла решающую роль в становлении нового раздела физики – квантовой механики.
Ее значение было так велико, что она была названа одной из главных причин присуждения ученому Нобелевской премии в 1921 году.
После первой статьи 1905 года Эйнштейн продолжил работу над квантовой теорией. Через год он опубликовал еще одну статью – «К теории возникновения и поглощения света». Если в первой работе он увидел кванты в явлении фотоэффекта там, где их присутствие наиболее очевидно, то впоследствии он обнаружил, что на них должна быть основана вся теория света. В то время как Макс Планк и другие физики считали, что кванты – это некая условная величина, которая, вероятнее всего, исчезнет при дальнейшем развитии теории, Эйнштейн видел головокружительные перспективы квантовой физики и механики.
В 1906 году Эйнштейн вывел формулу, которая объединяла напряжение и частоту фотоэффекта. «В этой формуле, – писал автор, – содержится следующее, по крайней мере в общем и целом справедливое утверждение: чем более электроположительным является металл, тем меньше низшая частота света, вызывающая фотоэффект».
Еще через год ученый применил вновь созданную теорию квантов к определению теплоемкости. Он предположил, что энергия твердого тела выделяется в виде колеблющихся квантов. Впоследствии эта работа получила развитие у других ученых и привела к созданию теплового закона (третьего начала термодинамики). Таким образом, Эйнштейн распространял квантовую теорию, которая в то время вызывала недоверие многих ученых, на самые разные области физики, демонстрируя ее фундаментальное значение и стимулируя ее развитие.
