Чтение онлайн

Его специальная теория относительности, опубликованная в 1905 г., сняла этот вопрос. Эйнштейн добавил в ньютоновскую механику множители, которые приводили к растяжению временных промежутков и укорочению расстояний для экспериментатора, движущегося почти со скоростью света. Эти два эффекта, известные соответственно как замедление времени и сокращение длины, так друг друга компенсируют, что все наблюдатели меряют одну и ту же скорость света. Как ни удивительно, но они в сущности заставляют нас приписать наблюдателям, летящим с разными скоростями, разный ход времени и разные измеряемые длины. Эту цену, Эйнштейн понимал, он должен заплатить, чтобы согласовать уравнения Максвелла и физику движущихся тел.

Отталкиваясь от нового подхода к измерению расстояний, времени и скорости, Эйнштейн вынужден был расширить и другие понятия физики Ньютона. Например, понятие массы, в которое он включил не только массу покоя, но и релятивистскую массу. Масса покоя характеризует количество содержащейся в теле материи. Эту массу можно поменять, только добавив или убрав часть материала, в то время как релятивистская масса зависит от скорости тела. [7] Покоящийся в начале кусок материи обладает только массой покоя, но, по мере того как его скорость растет, его релятивистская масса становится все больше. Эйнштейн пришел к выводу, что полную энергию тела можно приравнять к его релятивистской массе, умноженной на скорость света в квадрате. Из его знаменитой формулы Е = тс 2 следовало, что при определенных условиях энергия и масса, подобно воде и льду, могут переходить друг в друга.

Второй вопрос, на который Эйнштейн направил свой легендарный ум, звучал так: энергия светового луча зависит исключительно от его яркости, или свое влияние оказывает также и частота? Классическая теория волновых процессов связывает их энергию с величиной колебаний. Волны с крутыми горбами несут больше энергии, чем волны с пологим профилем. Скажем, чем крепче ударишь по барабану, тем более сильные колебания возбудишь, тем громче и энергичней будет звук. Громкость характеризует интенсивность звука и зависит от высоты, или амплитуды, звуковых волн. Так и яркость говорит об интенсивности света и точно таким же образом соотносится с амплитудой световых волн.

Тело, которое поглощает весь падающий на него свет, называется черным телом. Стоит взять черное тело, например в виде ящика (подойдет картонная упаковка от салфеток, обернутая черной бумагой), и нагреть его, как оно начнет излучать. Если предположить, что это электромагнитное излучение всевозможных частот, и попытаться посчитать, сколько излучается на каждой частоте, возникает серьезное препятствие. Как известно, в одну упаковку входит больше сложенных салфеток, чем несложенных. Такая же история с колебаниями: в ящике помещается больше коротковолновых колебаний, нежели длинноволновых. Следовательно, вычисления, основанные на классической теории волн, предсказывают, что львиную долю энергии захватят короткие волны, в то время как длинноволновые моды будут довольствоваться жалкими крохами. Другими словами, из ящика в изобилии будут выходить коротковолновые волны высокой частоты: ультрафиолетовое и более жесткое излучение. Такой сценарий, называемый ультрафиолетовой катастрофой, конечно, не имеет места. Иначе получилось бы вот что: едва вы поставили бы на стол горячий темный контейнер для еды, как он мгновенно превратился бы в солярий, излучающий ультрафиолет, а в придачу небезопасные рентгеновские и даже смертельные гамма-лучи. Так что предположение, что свет ведет себя как классическая волна, приводит к летальному исходу!

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк придумал математическое решение парадокса черного тела. Взамен классической картины, в которой энергия волны меняется пропорционально ее яркости, он предложил считать, что световая энергия приходит в виде отдельных порций, квантов («квантум» по-гречески «порция»). Причем энергия в каждом кванте пропорциональна частоте. Коэффициент пропорциональности сегодня называется постоянной Планка. Идея Планка, фактически означавшая перераспределение энергии в низкие частоты, позволяла избежать ультрафиолетовой катастрофы.

Пять лет спустя Эйнштейн применил эту идею о квантах к явлению, получившему название фотоэлектрического эффекта, или просто фотоэффекта. Фотоэффект имеет место, когда свет падает на металл, выбивая из последнего электроны (отрицательно заряженные частицы). Эйнштейн показал, что световую энергию электроны получают в виде отдельных квантов. То есть свет иногда ведет себя как частица, а не как волна. Эта теория стала одним из первых робких шагов к полной квантовой теории материи и энергии. Специальную теорию относительности, работы по фотоэффекту и эквивалентности массы и энергии - все это Эйнштейн опубликовал в 1905 г., который стал для него, как говорят, «годом чудес» [8] .

Вскоре русско-немецкий математик Герман Минковский придал специальной теории относительности изящную форму. Приняв время за четвертое измерение, вдобавок к пространственным (длине, ширине и высоте), он заметил, что запись теории Эйнштейна значительно упрощается. Положив конец розни между пространством и временем, Минковский провозгласил рождение четырехмерного «пространства-времени».

Эйнштейн быстро понял, что новоиспеченное пространство-время может сослужить хорошую службу при создании новой теории гравитации. Хотя Эйнштейн признавал успехи ньютоновской теории всемирного тяготения, ему хотелось объяснить гравитацию в чисто локальных терминах, в терминах геометрии самого пространства-времени. Взяв за основу факт независимости ускорения свободного падения от массы тела, Эйнштейн сформулировал так называемый принцип эквивалентности, который гласит: покоящиеся и свободно падающие системы отсчета физически неразличимы. От этой отправной точки он пришел к тому, что соотнес между собой гравитационные эффекты в заданной области пространства-времени с геометрией этой области. Материя, предположил Эйнштейн, прогибает пространство-время, и это искривление заставляет тела двигаться по изогнутым траекториям. Например, Солнце исказило пространство-время вокруг себя, поэтому Земле не остается ничего иного, как двигаться по эллиптической орбите. Получается, источником силы тяготения являются не эфемерные канаты, а кривизна пространства-времени. Свое элегантное объяснение сил тяготения - общую теорию относительности - Эйнштейн опубликовал в 1915 г.

Проиллюстрируем общерелятивистскую связь между материей и искривлениями пространства на простом примере. Представим себе пространство-время в виде матраса. Если на нем ничего не лежит, поверхность идеально ровная. Тут приползает ленивец и решает на этом матрасе прикорнуть. Когда он ложится, матрас под ним проседает. Поэтому, если у ленивца с собой есть еще детеныш, из-за неровной поверхности отпрыск будет скатываться к своему родителю. Так же и Солнце прогибает «матрас» пространства-времени в Солнечной системе, и все планеты, оказавшиеся поблизости, неизбежно двигаются по искривленным орбитам.

У общей теории относительности есть еще одно удивительное свойство - она проливает свет на происхождение Вселенной. Вкупе с астрономическими наблюдениями она предсказывает, что у времени было начало, причем в этот момент космос находился в невероятно горячем и плотном состоянии. За миллиарды лет пространство расширилось и из крошечной области превратилось в огромный контейнер, вмещающий в себя свыше миллиарда галактик, от миллиардов до сотен миллиардов звезд в каждой. [9]

Эйнштейн не ожидал, что его теория вместо статической даст расширяющуюся Вселенную. Подставив в свои уравнения более-менее разумное распределение материи, он с удивлением увидел, что получающаяся геометрия оказывается неустойчивой: начинает расширяться или сжиматься от малейшего толчка. Так карточный домик рассыпается от любого ветерка. Что-то не то, подумал Эйнштейн, уверенный в неподвижности космоса в больших масштабах. Чтобы спасти свою теорию от неустойчивых решений, он добавил в уравнение дополнительное слагаемое, космологическую постоянную (или лямбда-член). Она могла служить своего рода «антигравитацией», не дающей материи скучиваться на больших масштабах.