Этюды о Вселенной - Тулио Редже

В настоящее время эфир уже вышел из моды (хотя и не совсем), и его слишком «материальный» образ практически забыт. Вместо него остались уравнения электромагнитного поля, объясняющие и предсказывающие поразительное множество разнообразных явлений, среди которых достойное место занимает распространение света, описываемое с удивительной точностью. Спустя несколько десятилетий после смерти Максвелла Герц экспериментально доказал существование радиоволн, отличающихся от, света только длиной волны (длины световых волн меньше одной тысячной миллиметра, в то время как радиоволны имеют длины от одного миллиметра и выше). Наконец, Рентген открыл лучи, названные его именем и имеющие чрезвычайно малую длину волны, сравнимую с размерами атомов. Можно идти и дальше к еще меньшим длинам волн, вспомнить, например, о γ-лучах, испускаемых ядрами.

Если бы не было уравнений Максвелла, то теория относительности увидела бы свет значительно позже. Эйнштейн преклонялся перед Максвеллом и считал открытие электромагнитной природы света одним из наиболее выдающихся событий современной физики.

Однако не только теорией электромагнетизма интересовался Максвелл. в молодости ученый серьезно занимался небесной механикой; как мы уже говорили ранее, используя методы, которые вызывали восхищение Лапласа, Максвелл показал, что кольца Сатурна не могли быть ни твердыми, ни жидкими и что, скорее всего, они должны иметь структуру, подобную пене, состоящей из частичек, вращающихся вокруг планеты. (Этот вывод подтвердился во время недавнего визита космического зонда к Сатурну.)

Очерк Максвелла на эту тему был отмечен авторитетной премией Адамса.

Но это еще не все. Техника цветной фотографии и цветного телевидения основана на теории смешивания трех цветов, разработанной Максвеллом, и, хотя эта теория подвергалась неизбежным усовершенствованиям, она и сейчас служит основой различных технических приложений.

К приведенному списку следует добавить фундаментальный вклад Максвелла в кинетическую теорию газов. Окончательное доказательство существования атомов было приведено в знаменитой работе Эйнштейна, посвященной броуновскому движению и опубликованной в 1905 г. Но в середине 19 в., несмотря на успехи химии, весьма авторитетные физики (среди которых Мах, Оствальд и Кельвин) считали гипотезу атома феноменологической выдумкой, лишенной реальных основ. Такие возражения против атомов не помешали Максвеллу получить результаты на самом высоком уровне, которые открывали новые направления в физике. Согласно его модели, газ состоит из бесконечного числа движущихся атомов или молекул, которые непрерывно сталкиваются между собой. Если в какой-то момент времени мы могли бы измерить скорости атомов, то обнаружили, что они группируются вокруг некоторого среднего наиболее вероятного значения. Затем мы увидели бы, как атом, имеющий слишком большую скорость, при столкновениях с другими замедляется, подстраиваясь под общее движение, а неподвижный атом приводится в движение за счет непрерывных толчков. Состояние газа может быть охарактеризовано посредством этой средней скорости, а еще лучше с помощью средней кинетической энергии (энергии движения) атомов.

Максвелл был первым, кто понял, что эта средняя энергия может служить для строгого определения температуры газа, будучи пропорциональной ей. Чем сильнее нагревается газ, тем быстрее начинают двигаться его атомы. Теплота представляет собой неупорядоченное, хаотическое движение атомов; она не является свойством одного или нескольких атомов, и, чтобы говорить о теплоте, бессмысленно рассматривать отдельный горячий атом, а нужно иметь огромное множество атомов (в одном литре число атомов выражается числом с 23 значащими цифрами). Непрерывно охлаждая газ, мы ограничиваем движение атомов, пока оно не прекращается совсем при абсолютном нуле температуры.

Кинетическая теория газов оказалась фундаментом, на котором была построена термодинамика; она также породила статистическую механику, в которую существенный вклад внесли Гиббс, Больцман и Эйнштейн.

В прошлом столетии Кельвин пользовался очень высоким авторитетом, сравнимым с авторитетом самого Ньютона, и, во всяком случае, он был гораздо более известен, чем Максвелл. Спустя сто лет они поменялись местами: физики редко ссылаются на Кельвина (разве только когда речь идет о температуре, отсчитываемой от абсолютного нуля и измеряемой в градусах Кельвина), в то время как исключительное положение Максвелла не вызывает сомнения.

Если для Ньютона 1666 г. был годом исключительным, то для Альберта Эйнштейна таким был 1905 г., когда неизвестный в то время служащий патентного бюро в Берне меньше чем за восемь недель опубликовал три фундаментальные работы, которые легли в основу современной физики.

Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 г. в г. Ульме, земля Баден-Вюртенберг. Вскоре его родители переезжают в Мюнхен, земля Бавария, где Эйнштейн провел детство и посещал школу до четырнадцати лет. Когда Эйнштейну исполняется пятнадцать, он едет в Швейцарию, где в течение года посещает гимназию и заканчивает среднюю школу. в дальнейшем Эйнштейн продолжает учебу в Цюрихском политехникуме, где одним из его учителей был Минковский. в этот период он проводит несколько месяцев в Милане, куда его привез отец, неудачливый предприниматель. Наконец, с 1902 г. Эйнштейн живет в Берне и работает экспертом патентного бюро. Здесь он одновременно с работой готовился к защите диссертации, состоявшейся в 1905 г.

Этот год оказался переломным для Эйнштейна и современной физики; в течение короткого промежутка времени он опубликовал свои фундаментальные работы по молекулярной физике (о броуновском движении), по теории относительности и о фотоэлектрическом эффекте. Став уже известным, Эйнштейн получает в 1909 г. предложение (и принимает его) занять кафедру в Цюрихском университете; в 1911 г. он переезжает в Прагу, а в 1912 г. снова возвращается в Цюрихский политехникум. в 1914 г. Эйнштейн приглашен в Берлин в качестве преемника Ван'т Хоффа в Прусской Академии наук, а также в качестве директора Института физики. в 1916 г., наконец, сформулирована общая теория относительности; эта исключительно оригинальная теория получила блестящее подтверждение во время полного затмения Солнца в 1919 г., когда было обнаружено отклонение световых лучей, идущих от звезд, под действием гравитационного поля Солнца, причем именно такое отклонение, какое предсказал Эйнштейн. Приход Гитлера к власти в Германии вынудил Эйнштейна переехать в Принстон, США. в 1955 г., находясь в зените славы, Эйнштейн скончался, не закончив работу над одним из последних вариантов теории, которая должна была объединить электромагнитные и гравитационные явления.

Для правильной оценки деятельности Эйнштейна, разумеется, нельзя ограничиваться простым перечислением дат из жизни и академических титулов ученого, так же как нельзя опираться на огромное количество устных рассказов и анекдотов об Эйнштейне. Поэтому мы остановимся, пусть даже поверхностно, на основных этапах той части его деятельности, которая имеет отношение к развитию современной физики.

Первая работа Эйнштейна, которую мы неоднократно упоминали, посвящена фотоэлектрическому эффекту. Чтобы понять всю ее важность, следует вернуться на несколько сотен лет в прошлое. в 18 в. широкое распространение имела теория, поддерживаемая авторитетом Ньютона. Согласно этой теории, свет состоял из мельчайших частиц (корпускул), испускаемых светящимися объектами. Волновая теория, предложенная Гюйгенсом в 1690 г., имела очень мало приверженцев, среди которых был математик Эйлер. в начале 19 в. Юнг, а впоследствии и Френель обнаружили, что два световых луча могут при определенных условиях складываться и взаимно уничтожаться, причем эти эффекты чередуются. Такое явление совершенно непонятно с точки зрения корпускулярной теории Ньютона, но вполне естественно, если свет имеет волновую природу. Что свет представляет собой явление электромагнитное, было показано в работах Максвелла (1864 г.). Однако, хотя уравнения Максвелла превосходно описывают всевозможные варианты распространения световых волн, они совершенно не способны, как ни странно, объяснить явления излучения и поглощения света.

Особенно таинственным казался во времена Эйнштейна так называемый фотоэлектрический эффект, открытый Герцем в 1887 г. Ультрафиолетовое излучение, падающее на металлическую поверхность в пустоте, может поглощаться атомами металла; излучение, передавая энергию электронам, выбивает их из металла. Свет представляет собой быстро колеблющиеся электрические и магнитные поля, как раз и вызывающие выход электронов из металла. Казалось бы, увеличение интенсивности света должно привести к увеличению средней энергии электронов. Однако, как ни странно, вылетающие электроны все имеют одинаковую энергию, хотя их число увеличивается.