100 лет теории относительности
25 ноября 2015 г.
Во времена английского физика Исаака Ньютона, сотни лет назад, мир представлялся еще относительно простым и понятным: время шло своим размеренным чередом и считалось столь же неизменным, как и окружающее нас пространство. Представление о том, что время и пространство могут быть подвержены деформациям, что часы вблизи массивных объектов идут медленнее, чем вдали от них, - все это современники Ньютона назвали бы ересью. И даже сегодня, 100 спустя после того, как Альберт Эйнштейн сформулировал свою теорию относительности, ее постулаты представляются многим людям невероятными и малопонятными.
Ощущение тайны
Между тем, теория относительности давно уже многократно подтверждена наблюдениями и образует один из фундаментов современной физики. Суть ее ученый из южно-германского города Ульма, позднее провозглашенный непревзойденным гением, изложил Прусской Академии наук 25 ноября 1915 года. "Самое прекрасное, что мы можем испытать – это ощущение тайны", - напишет Эйнштейн позднее в одном из своих сочинений. Именно тайны мироздания стремился он раскрыть в течение всей своей жизни. "У меня нет никакого особенного таланта, - говорил Эйнштейн в 1952 году за три года до своей смерти, - я просто страстно любопытен".
Если у Ньютона пространство и время были абсолютными и неизменными, то у Эйнштейна пространственно-временные отношения становятся "релятивистскими", зависящими от позиции наблюдателя, четырехмерными, подверженными изменениям. Теоретически Эйнштейн доказал, что для экипажа космического корабля, который летит почти со скоростью света (300 000 километров в секунду) время течет медленнее, чем для находящегося в покое наблюдателя. Кроме того, как постулирует специальная теория относительности, не только время и пространство являются относительными величинами, но и масса тела: она увеличивается по мере увеличения скорости. Эйнштейну принадлежит и едва ли не самая известная из всех физических формул, в наиболее универсальной форме представляющая эквивалентность массы и энергии: E= mc².
В 1915 году Эйнштейн представил свою общую теорию относительности, которая, наконец, объяснила, что на протяжении двух веков до него не удавалось никому, что не силах была объяснить ньютоновская теория всемирного тяготения: как сила притяжения передавалась через совершенно пустое пространство, причем бесконечно быстро? Объяснение Эйнштейна было простым: материальным носителем тяготения является само пространство, а точнее соотношение пространства и времени.
Члены Нобелевского комитета долгое время не решались присудить премию автору столь революционных теорий. В конце концов, был найден дипломатичный выход: премия за 1921 год была присуждена Эйнштейну за теорию... фотоэффекта, то есть за наиболее бесспорную и хорошо проверенную в эксперименте работу; текст решения содержал нейтральное добавление: "… и за другие работы в области теоретической физики".
Начало всех начал
Найти, "за что" давать Нобелевку, было не так сложно. Ведь Эйнштейну принадлежит решающая роль в популяризации и введении в научный оборот целого ряда новых физических концепций и теорий. В первую очередь, это относится к пересмотру понимания физической сущности пространства и времени, и к построению новой теории гравитации взамен ньютоновской, благодаря чему получили объяснение явления, долгое время приводившее в недоумение астрономов, и были заложены основы нового толкования мира на основах квантовой физики.
Практическое применение общая теория относительности нашла в системах глобального позиционирования GPS, где расчеты координат производятся с очень существенными релятивистскими поправками. Четким изображением на телевизионном экране мы тоже обязаны Эйнштейну: массивно ускоряемые электроны, согласно теории относительности, увеличивают свою массу. Без учета этого изображение на экране было бы размытым.
Эквивалентность массы и энергии играет большую роль в ядерной энергетике. Полимеры также отчасти обязаны своим появлением Эйнштейну, который соединил классическую гидродинамику с теорией диффузии и дал, таким образом, объяснение полной картине мира в трех агрегатных состояниях. Лазерные технологии - в проигрывателе компакт-дисков, в сканнере супермаркета или же в сложном медицинском оборудовании - тоже работают на принципах, сформулированных Эйнштейном, причем еще в 1924 году. Без Эйнштейна, возможно, не было бы солнечных батарей и цифровых фотоаппаратов, вообще никаких аппаратов, переводящих свет в электричество.
И сверхмощные квантовые компьютеры, если когда-нибудь они будут созданы, будут обязаны своим появлением Альберту Эйнштейну: в 1935 году совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном Эйнштейн описал мысленный эксперимент, в котором частицы могут находится одновременно в двух или нескольких состояниях, но эти состояния не поддаются одновременному наблюдению. Названный по имени авторов парадокс дал толчок еще одному в высшей степени плодотворному научному направлению.