Главная→Советы→Что такое теория относительности простыми словами. Специальная теория относительности. Два постулата, на которых строится теория относительности

Что такое теория относительности простыми словами. Специальная теория относительности. Два постулата, на которых строится теория относительности

Теория относительности Эйнштейна — всегда представлялась чем то абстрактным и непонятным для меня. Попробуем описать теорию относительности Эйнштейна простыми словами. Представьте, как вы находитесь на улице в сильный дождь и ветер дует вам на спину. Если вы начнете быстро бежать, капли дождя не будут попадать на спину. Капли будут медленнее или вовсе не достигать вашей спины, это научно доказанный факт, да и сами вы сможете проверить это в ливень. А теперь представим, если бы вы обернулись и побежали против ветра с дождем, капли будут сильнее попадать на одежду и лицо, чем если бы вы просто стояли.

Ранее ученые думали, что свет действует как дождь в ветреную погоду. Они думали, что если Земля двигается вокруг Солнца, а Солнце двигается вокруг галактики, то возможно измерить скорость их движения в пространстве. По их мнению, все что им остается сделать это измерить скорость света и то как она изменяется относительно двух тел.

Ученые это сделали и обнаружили что-то очень странное . Скорость света была такой же, несмотря ни на что, как бы тела не двигались и не важно в каком направлении проводить измерения.

Это было очень странно. Если брать ситуацию с ливнем, то при обычных обстоятельствах капли дождя будут воздействовать на вас сильнее или слабее в зависимости от ваших передвижений. Согласитесь, было бы очень странно, если бы ливень с одинаковой силой дул вам в спину, как при беге, так и при остановке.

Ученые обнаружили, что свет не имеет такие же свойства, как капли дождя или что-то другое во вселенной. Независимо от того, как быстро вы двигаетесь, и независимо от того, в каком направлении вы направляетесь, скорость света всегда будет одинаковой . Это очень запутанно и только Альберт Эйнштейн смог пролить свет на эту несправедливость.

Эйнштейн и еще один ученый, Хендрик Лоренц выяснили, что есть только один способ объяснить, как все это может быть. Это возможно только в том случае, если время замедляется.

Представьте, что произойдет, если время замедлится для вас, а вы при этом не знаете, что двигаетесь медленнее.Вам будет казаться, что все остальное происходит быстрее , всё вокруг вас будут двигаться, как в фильме в быстрой перемотке.

Итак, теперь давайте представим, что вы снова при ливне с ветром. Как такое возможно, что дождь будет воздействует на вас одинаково, даже если вы бежите? Выходит если бы вы пытались убежать от дождя, то ваше время бы замедлилось, а дождь — ускорился . Капли дождя попадали бы вам на спину с такой же скоростью. Ученые называют это расширение времени. Независимо от того, насколько быстро вы двигаетесь, ваше время замедляется, по крайней мере для скорости света это выражение справедливо.

Двоякость измерений

Другое, что Эйнштейн и Лоренц выяснили, это то, что два человека при разных обстоятельствах могут получить разные расчетные значения и самое странное, что они оба будут правы. Это еще один побочный эффект того, что свет всегда движется с одинаковой скоростью.

Проведем мысленный эксперимент

Представьте, что вы стоите в центре своей комнаты, и вы установили лампу прямо посередине комнаты. Теперь представьте, что скорость света очень медленна, и вы можете видеть, как он распространяется, представьте, что вы включили лампу.

Как только вы включите лампу, свет начнет расходится и освещать. Поскольку обе стены находятся на одном и том же расстоянии, свет достигнет обе стены одновременно.

Теперь представьте, что в вашей комнате есть большое окно, и ваш знакомый проезжает мимо. Он увидит уже другое. Для него это будет выглядеть так, как будто ваша комната движется вправо и когда вы включите лампу, он увидит, что левая стена движется к свету. а правая стена отодвигается от света. Он увидит, что свет сначала попал в левую стену, а потом на правую. Ему покажется, что свет не осветил обе стены одновременно.

Согласно теории относительности Эйнштейна, обе точки зрения будут правы . С вашей точки зрения, свет попадает в обе стены одновременно. С точки зрения вашего знакомого это не так. В этом нет ничего плохого.

Вот почему ученые говорят, что «одновременность относительна». Если вы измеряете две вещи, которые должны произойти одновременно, то тот, кто движется с другой скоростью или в другом направлении, не сможет их измерить одинаково с вами.

Нам это кажется очень странным, потому что скорость света для нас мгновенная, и мы двигаемся очень медленно по сравнению с ней. Поскольку скорость света настолько велика, мы не замечаем скорость распространения света, до тех пор пока не будем проводить специальные эксперименты.

Чем быстрее движется предмет, тем он короче и меньше

Еще один очень странный побочный эффект того, что скорость света не изменяется. При скорости света движущиеся вещи становятся короче.

Опять же, давайте представим, что скорость света очень медленная. Представьте, что вы едете в поезде, и вы установили лампу посередине вагона. Теперь представьте, что вы включили лампу, как в комнате.

Свет будет распространяться и одновременно достигнет стен спереди и сзади вагона. Таким образом вы можете даже измерить длину вагона, измерив, сколько времени потребовалось свету достигнуть обеих сторон.

Проведем расчеты:

Представим себе, что для прохождения 10 метров требуется 1 секунда и чтобы свет распространился от лампы до стены вагона потребуется 1 секунда. Это значит, что лампа находится на расстоянии 10 метров от обеих сторон вагона. Так как 10 + 10 = 20, то значит длина вагона 20 метров.

Теперь давайте представим, что ваш знакомый находится на улице, наблюдая, как поезд проходит мимо. Помните, что он видит вещи по другому. Задняя стена вагона движется к лампе, а передняя отодвигается от нее. Таким образом для него свет не будет касаться передней и задней части стены вагона одновременно. Сначала свет дойдет до задней части, а потом до передней.

Таким образом если вы и ваш знакомый измерите скорость распространения света от лампы до стен, вы получите разные значения, при этом с точки зрения науки оба расчета будут верны. Только для вас, согласно измерениям, длина вагона будет одного размера, а для знакомого длина вагона будет меньше .

Помните, все дело в том, каким образом и при каких условиях вы производите измерения. Если бы вы оказались внутри летящей ракеты, которая движется со скоростью света, вы бы не почувствовали ничего необычного, в отличие от измеряющих ваше движение людей на земле. Вы не смогли бы понять, что время для вас идет медленнее или что передняя и задняя часть корабля вдруг стали ближе друг к другу.

При этом, если бы вы летели на ракете, то вам казалось бы так, как будто все планеты и звезды пролетают мимо вас со скоростью света. В таком случае если вы попробуете измерить их время и размер, то по логике для них время должно замедлится, а размеры уменьшаться, правильно?

Все это было очень странно и непонятно, но Эйнштейн предложил решение и объединил все эти явления в одну теорию относительности .

материал из книги Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова "Кратчайшая история времени"

Относительность

Фундаментальный постулат Эйнштейна, именуемый принципом относительности, гласит, что все законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Если скорость света постоянная величина, то любой свободно движущийся наблюдатель должен фиксировать одно и то же значение независимо от скорости, с которой он приближается к источнику света или удаляется от него.

Требование, чтобы все наблюдатели сошлись в оценке скорости света, вынуждает изменить концепцию времени. Согласно теории относительности наблюдатель, едущий на поезде, и тот, что стоит на платформе, разойдутся в оценке расстояния, пройденного светом. А поскольку скорость есть расстояние, деленное на время, единственный способ для наблюдателей прийти к согласию относительно скорости света – это разойтись также и в оценке времени. Другими словами, теория относительности положила конец идее абсолютного времени! Оказалось, что каждый наблюдатель должен иметь свою собственную меру времени и что идентичные часы у разных наблюдателей не обязательно будут показывать одно и то же время.

Говоря, что пространство имеет три измерения, мы подразумеваем, что положение точки в нем можно передать с помощью трех чисел – координат. Если мы введем в наше описание время, то получим четырехмерное пространство-время.

Другое известное следствие теории относительности – эквивалентность массы и энергии, выраженная знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mс 2 (где Е– энергия, m – масса тела, с – скорость света). Ввиду эквивалентности энергии и массы кинетическая энергия, которой материальный объект обладает в силу своего движения, увеличивает его массу. Иными словами, объект становится труднее разгонять.

Этот эффект существенен только для тел, которые перемещаются со скоростью, близкой к скорости света. Например, при скорости, равной 10% от скорости света, масса тела будет всего на 0,5% больше, чем в состоянии покоя, а вот при скорости, составляющей 90% от скорости света, масса уже более чем вдвое превысит нормальную. По мере приближения к скорости света масса тела увеличивается все быстрее, так что для его ускорения требуется все больше энергии. Согласно теории относительности объект никогда не сможет достичь скорости света, поскольку в данном случае его масса стала бы бесконечной, а в силу эквивалентности массы и энергии для этого потребовалась бы бесконечная энергия. Вот почему теория относительности навсегда обрекает любое обычное тело двигаться со скоростью, меньшей скорости света. Только свет или другие волны, не имеющие собственной массы, способны двигаться со скоростью света.

Искривленное пространство

Общая теория относительности Эйнштейна основана на революционном предположении, что гравитация не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как принято было думать раньше. В общей теории относительности пространство-время изогнуто или искривлено помещенными в него массой и энергией. Тела, подобные Земле, движутся по искривленным орбитам не под действием силы, именуемой гравитацией.

Так как геодезическая линия – кратчайшая линия между двумя аэропортами, штурманы ведут самолеты именно по таким маршрутам. Например, вы могли бы, следуя показаниям компаса, пролететь 5966 километров от Нью-Йорка до Мадрида почти строго на восток вдоль географической параллели. Но вам придется покрыть всего 5802 километра, если вы полетите по большому кругу, сперва на северо-восток, а затем постепенно поворачивая к востоку и далее к юго-востоку. Вид этих двух маршрутов на карте, где земная поверхность искажена (представлена плоской), обманчив. Двигаясь «прямо» на восток от одной точки к другой по поверхности земного шара, вы в действительности перемещаетесь не по прямой линии, точнее сказать, не по самой короткой, геодезической линии.

Если траекторию космического корабля, который движется в космосе по прямой линии, спроецировать на двумерную поверхность Земли, окажется, что она искривлена.

Согласно общей теории относительности гравитационные поля должны искривлять свет. Например, теория предсказывает, что вблизи Солнца лучи света должны слегка изгибаться в его сторону под воздействием массы светила. Значит, свет далекой звезды, случись ему пройти рядом с Солнцем, отклонится на небольшой угол, из-за чего наблюдатель на Земле увидит звезду не совсем там, где она в действительности располагается.

Напомним, что согласно основному постулату специальной теории относительности все физические законы одинаковы для всех свободно двигающихся наблюдателей, независимо от их скорости. Грубо говоря, принцип эквивалентности распространяет это правило и на тех наблюдателей, которые движутся не свободно, а под действием гравитационного поля.

В достаточно малых областях пространства невозможно судить о том, пребываете ли вы в состоянии покоя в гравитационном поле или движетесь с постоянным ускорением в пустом пространстве.

Представьте себе, что вы находитесь в лифте посреди пустого пространства. Нет никакой гравитации, никакого «верха» и «низа». Вы плывете свободно. Затем лифт начинает двигаться с постоянным ускорением. Вы внезапно ощущаете вес. То есть вас прижимает к одной из стенок лифта, которая теперь воспринимается как пол. Если вы возьмете яблоко и отпустите его, оно упадет на пол. Фактически теперь, когда вы движетесь с ускорением, внутри лифта все будет происходить в точности так же, как если бы подъемник вообще не двигался, а покоился бы в однородном гравитационном поле. Эйнштейн понял, что, подобно тому как, находясь в вагоне по-езда, вы не можете сказать, стоит он или равномерно движется, так и, пребывая внутри лифта, вы не в состоянии определить, перемещается ли он с постоянным ускорением или находится в однородном гравитационном поле. Результатом этого понимания стал принцип эквивалентности.

Принцип эквивалентности и приведенный пример его проявления будут справедливы лишь в том случае, если инертная масса (входящая во второй закон Ньютона, который определяет, ка-кое ускорение придает телу приложенная к нему сила) и гравитационная масса (входящая в за-кон тяготения Ньютона, который определяет величину гравитационного притяжения) суть одно и то же.

Использование Эйнштейном эквивалентности инертной и гравитационной масс для вывода принципа эквивалентности и, в конечном счете, всей общей теории относительности – это бес-прецедентный в истории человеческой мысли пример упорного и последовательного развития логических заключений.

Замедление времени

Еще одно предсказание общей теории относительности состоит в том, что около массивных тел, таких как Земля, должен замедляться ход времени.

Теперь, познакомившись с принципом эквивалентности, мы можем проследить ход рассуждений Эйнштейна, выполнив другой мысленный эксперимент, который показывает, почему гравитация воздействует на время. Представьте себе ракету, летящую в космосе. Для удобства будем считать, что ее корпус настолько велик, что свету требуется целая секунда, чтобы пройти вдоль него сверху донизу. И наконец, предположим, что в ракете находятся два наблюдателя: один – наверху, у потолка, другой – внизу, на полу, и оба они снабжены одинаковыми часами, ведущими отсчет секунд.

Допустим, что верхний наблюдатель, дождавшись отсчета своих часов, немедленно посылает нижнему световой сигнал. При следующем отсчете он шлет второй сигнал. По нашим условиям понадобится одна секунда, чтобы каждый сигнал достиг нижнего наблюдателя. Поскольку верхний наблюдатель посылает два световых сигнала с интервалом в одну секунду, то и нижний наблюдатель зарегистрирует их с таким же интервалом.

Что изменится, если в этом эксперименте, вместо того чтобы свободно плыть в космосе, ракета будет стоять на Земле, испытывая действие гравитации? Согласно теории Ньютона гравитация никак не повлияет на положение дел: если наблюдатель наверху передаст сигналы с промежутком в секунду, то наблюдатель внизу получит их через тот же интервал. Но принцип эквивалентности предсказывает иное развитие событий. Какое именно, мы сможем понять, если в соответствии с принципом эквивалентности мысленно заменим действие гравитации постоянным ускорением. Это один из примеров того, как Эйнштейн использовал принцип эквивалентности при создании своей новой теории гравитации.

Итак, предположим, что наша ракета ускоряется. (Будем считать, что она ускоряется медленно, так что ее скорость не приближается к скорости света.) Поскольку корпус ракеты движется вверх, первому сигналу понадобится пройти меньшее расстояние, чем прежде (до начала ускорения), и он прибудет к нижнему наблюдателю раньше чем через секунду. Если бы ракета двигалась с постоянной скоростью, то и второй сигнал прибыл бы ровно настолько же раньше, так что интервал между двумя сигналами остался бы равным одной секунде. Но в момент от-правки второго сигнала благодаря ускорению ракета движется быстрее, чем в момент отправки первого, так что второй сигнал пройдет меньшее расстояние, чем первый, и затратит еще меньше времени. Наблюдатель внизу, сверившись со своими часами, зафиксирует, что интервал между сигналами меньше одной секунды, и не согласится с верхним наблюдателем, который утверждает, что посылал сигналы точно через секунду.

В случае с ускоряющейся ракетой этот эффект, вероятно, не должен особенно удивлять. В конце концов, мы только что его объяснили! Но вспомните: принцип эквивалентности говорит, что то же самое имеет место, когда ракета покоится в гравитационном поле. Следовательно, да-же если ракета не ускоряется, а, например, стоит на стартовом столе на поверхности Земли, сигналы, посланные верхним наблюдателем с интервалом в секунду (согласно его часам), будут приходить к нижнему наблюдателю с меньшим интервалом (по его часам). Вот это действительно удивительно!

Гравитация изменяет течение времени. Подобно тому как специальная теория относительности говорит нам, что время идет по-разному для наблюдателей, движущихся друг относительно друга, общая теория относительности объявляет, что ход времени различен для наблюдателей, находящихся в разных гравитационных полях. Согласно общей теории относительности нижний наблюдатель регистрирует более короткий интервал между сигналами, потому что у поверхности Земли время течет медленнее, поскольку здесь сильнее гравитация. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше этот эффект.

Наши биологические часы также реагируют на изменения хода времени. Если один из близнецов живет на вершине горы, а другой – у моря, первый будет стареть быстрее второго. В данном случае различие в возрастах будет ничтожным, но оно существенно увеличится, коль скоро один из близнецов отправится в долгое путешествие на космическом корабле, который разгоняется до скорости, близкой к световой. Когда странник возвратится, он будет намного моложе брата, оставшегося на Земле. Этот случай известен как парадокс близнецов, но парадоксом он является только для тех, кто держится за идею абсолютного времени. В теории относительности нет никакого уникального абсолютного времени – для каждого индивидуума имеется своя собственная мера времени, которая зависит от того, где он находится и как движется.

C появлением сверхточных навигационных систем, получающих сигналы от спутников, разность хода часов на различных высотах приобрела практическое значение. Если бы аппаратура игнорировала предсказания общей теории относительности, ошибка в определении местоположения могла бы достигать нескольких километров!

Появление общей теории относительности в корне изменило ситуацию. Пространство и время обрели статус динамических сущностей. Когда перемещаются тела или действуют силы, они вызывают искривление пространства и времени, а структура пространства-времени, в свою очередь, сказывается на движении тел и действии сил. Пространство и время не только влияют на все, что случается во Вселенной, но и сами от всего этого зависят.

Представим себе бесстрашного астронавта, который остается на поверхности коллапсирующей звезды во время катастрофического сжатия. В некоторый момент по его часам, скажем в 11:00, звезда сожмется до критического радиуса, за которым гравитационное поле усиливается настолько, что из него невозможно вырваться. Теперь предположим, что по инструкции астронавт должен каждую секунду по своим часам посылать сигнал космическому кораблю, который находится на орбите на некотором фиксированном расстоянии от центра звезды. Он начинает передавать сигналы в 10:59:58, то есть за две секунды до 11:00. Что зарегистрирует экипаж на борту космического судна?

Ранее, проделав мысленный эксперимент с передачей световых сигналов внутри ракеты, мы убедились, что гравитация замедляет время и чем она сильнее, тем значительнее эффект. Астронавт на поверхности звезды находится в более сильном гравитационном поле, чем его коллеги на орбите, поэтому одна секунда по его часам продлится дольше секунды по часам корабля. Поскольку астронавт вместе с поверхностью движется к центру звезды, действующее на него поле становится все сильнее и сильнее, так что интервалы между его сигналами, принятыми на борту космического корабля, постоянно удлиняются. Это растяжение времени будет очень незначительным до 10:59:59, так что для астронавтов на орбите интервал между сигналами, переданными в 10:59:58 и в 10:59:59, очень ненамного превысит секунду. Но сигнала, отправленного в 11:00, на корабле уже не дождутся.

Все, что произойдет на поверхности звезды между 10:59:59 и 11:00 по часам астронавта, растянется по часам космического корабля на бесконечный период времени. С приближением к 11:00 интервалы между прибытием на орбиту последовательных гребней и впадин испущенных звездой световых волн станут все длиннее; то же случится и с промежутками времени между сигналами астронавта. Поскольку частота излучения определяется числом гребней (или впадин), приходящих за секунду, на космическом корабле будет регистрироваться все более и более низкая частота излучения звезды. Свет звезды станет все больше краснеть и одновременно меркнуть. В конце концов звезда настолько потускнеет, что сделается невидимой для наблюдателей на космическом корабле; все, что останется, – черная дыра в пространстве. Однако действие тяготения звезды на космический корабль сохранится, и он продолжит обращение по орбите.

Специальная теория относительности (СТО) или частная теория относительности – это теория Альберта Эйнштейна, опубликованная в 1905 году в работе «К электродинамике движущихся тел» (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921. Juni 1905).

Она объясняла движение между разными инерциальными системами отсчёта или движение тел, двигающихся в отношении друг друга с неизменной скоростью. В этом случае ни один из объектов не должен приниматься за систему отсчёта, а рассматривать их надо относительно друг друга. СТО предусматривает только 1 случай, когда 2 тела не изменяют направление движения и двигаются равномерно.

Законы СТО перестают действовать, когда одно из тел изменяет траекторию движения или повышает скорость. Здесь имеет место общая теория относительности (ОТО), дающая общее толкование движения объектов.

Два постулата, на которых строится теория относительности:

Принцип относительности - Согласно ему, во всех существующих системах отсчета, которые двигаются в отношении друг друга с неизменяющейся скоростью и не меняют направление, действуют одни и те же законы.
Принцип скорости света - Скорость света одинакова для всех наблюдателей и не имеет зависимость от скорости их движения. Это высшая скорость, и ничто в природе не имеет большую скорость. Световая скорость равна 3*10^8 м/с.

Альберт Эйнштейн за основу брал экспериментальные, а не теоретические данные. Это явилось одной из составляющих его успеха. Новые экспериментальные данные послужили базой для создания новой теории.

Физики с середины XIX века занимались поиском новой загадочной среды, названной эфиром. Полагалось, что эфир может проходить через все объекты, но не участвует в их движении. Согласно убеждениям об эфире, изменяя скорость зрителя в отношении эфира, меняется и скорость света.

Эйнштейн, доверяя экспериментам, отверг понятие новой среды эфира и допустил, что скорость света всегда является постоянной и не зависит от любых обстоятельств, таких как скорость самого человека.

Временные промежутки, расстояния, и их однородность

Специальная теория относительности связывает временные промежутки и пространство. В Материальной вселенной существует 3 известных в пространстве: вправо и влево, вперед и назад, вверх и вниз. Если добавить к ним другое измерение, названное временным, то это составит основу пространственно-временного континуума.

Если Вы осуществляете движение с малой скоростью, ваши наблюдения не будут сходиться с людьми, которые двигаются быстрее.

Позже эксперименты подтвердили, что пространство, так же как и время, не может восприниматься одинаково: от скорости движения объектов зависит наше восприятие.

Соединение энергии с массой

Эйнштейн вывел формулу, которая соединила в себе энергию с массой. Эта формула получила широкое распространение в физике, и она знакома каждому ученику: E=m*c² , в которой E-энергия; m- масса тела, c-скорость распространения света.

Масса тела возрастает пропорционально увеличению скорости света. Если достигнуть скорости света, масса и энергия тела становятся безразмерными.

Увеличивая массу объекта, становится сложнее достичь увеличения его скорости, т. е для тела с бесконечно огромной материальной массой необходима бесконечная энергия. Но на деле этого достичь нереально.

Теория Эйнштейна объединила два отдельных положения: положение массы и положение энергии в один общий закон. Это сделало возможным преобразование энергии в материальную массу и наоборот.

Двоякость измерений

Проведем мысленный эксперимент

Чем быстрее движется предмет, тем он короче и меньше

Проведем расчеты:

Все существенное, чего я добивал ся за свою жизнь, группируется вокруг вопроса: к каким методи ческим следствиям в физике ведут универсальный закон распростра нения света и равенство инертной и тяжелой массы?
П ринстон, 31 января 1955 г.

А. Эйнштейн

Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 г. в городе Ульме в Германии в семье торговца. Среднее образование ему далось нелегко. Дело дошло до того, что учитель латинского языка говорил ему: «Эйнштейн, из вас никогда не выйдет ничего путного». Зубрежка не давалась Эйнштейну. Выделяло его среди учеников увлечение математикой и физикой. В автобиографии Эйнштейн пишет: «В возрасте 12—16 лет я ознакомился с элементами математики, включая основы дифференциального и интегрального исчисления. При этом, на мое счастье, мне попались книги, в которых обращалось не слишком много внимания на логическую строгость, зато хорошо была выделена везде главная мысль».

Уже в те годы у Эйнштейна возникли идеи, которые позднее привели его к созданию теории относительности. Он пишет, что пришел к теории относительности после десяти лет размышлений над парадоксом, на который натолкнулся уже в 16 лет. «Парадокс заключается в следующем. Если бы я стал двигаться вслед за лучом света со скоростью с (с — скорость света в пустоте), то я должен был бы воспринимать такой луч света как покоящееся, переменное в пространстве электромагнитное поле. Но ничего подобного не существует; это видно как на основании опыта, так и из уравнений Максвелла. Интуитивно мне казалось ясным с самого начала, что с точки зрения такого наблюдателя все должно совершаться по тем же законам, как и для наблюдателя, неподвижного относительно Земли».

В школьные годы у Эйнштейна зародилась любовь к музыке, занятия которой остались для него главным отдыхом от напряженной умственной работы. Со своей скрипкой Эйнштейн не расставался до конца своей жизни, используя свободные минуты для музицирования как наедине, так и с друзьями. Однажды он дал даже открытый концерт в пользу беженцев из гитлеровской Германии. Любимыми его композиторами были Бах, Вивальди, Моцарт и Шуберт. Ни один подарок не радовал его больше, чем полученная к 75-летию коллекция долгоиграющих пластинок с произведениями выдающихся композиторов.

17-летним юношей Эйнштейн поступает в Цюрихскую высшую техническую школу. Свое учение он характеризует следующим образом.

«Там у меня были прекрасные преподаватели (например, Гурвич, Минковский), так что, собственно говоря, я мог бы получить солидное математическое образование. Я же большую часть времени работал в физической лаборатории, увлеченный непосредственным соприкосновением с опытом. Остальное время я использовал главным образом для того, чтобы дома изучать труды Кирхгофа, Гельмгольца, Герца и т. д.» Говоря о физике, он пишет дальше: «Огромное количество недостаточно увязанных эмпирически фактов действовало и здесь подавляюще. Но здесь я скоро научился выискивать то, что может повести в глубину и отбрасывать все остальное, все то, что перегружает ум и отвлекает от существенного. Тут была, однако, та загвоздка, что для экзамена нужно было напихать в себя — хочешь не хочешь —всю эту премудрость. Такое принуждение настолько меня запугивало, что целый год после сдачи окончательного экзамена всякое размышление о научных проблемах было для меня отравлено. При этом я должен сказать, что мы в Швейцарии страдали от такого принуждения, удушающего настоящую научную работу, значительно меньше, чем страдают студенты во многих других местах. Было всего два экзамена: в остальном можно было делать более или менее то, что хочешь. Особенно хорошо было тому, у кого, как у меня, был друг, аккуратно посещавший лекции и добросовестно обрабатывающий их содержание. Это давало свободу в выборе занятия вплоть до нескольких месяцев перед экзаменом, свободу, которой я широко пользовался; связанную же с ней нечистую совесть я принимал как неизбежное, притом значительно меньшее зло. В сущности почти чудо, что современные методы обучения еще не совсем удушили святую любознательность, ибо это нежное растеньице требует наряду с поощрением прежде всего свободы,— без нее оно неизбежно погибает». Ясно, что такая открытая, хотя и оправданная оппозиция в отношении существовавшей системы обучения привела к несколько неприятным результатам. Высшую техническую школу Эйнштейн оканчивает со средней оценкой 4,91 (при шестибальной системе). Выпуск состоял из четырех студентов, из которых трое сразу же получили места ассистентов в той же школе. Только Эйнштейна ни один профессор не пожелал оставить у себя. Два года он работает от случая к случаю школьным учителем, затем получает место эксперта в Бернском бюро патентов.

В эти годы начинается научное творчество Эйнштейна. Первое исследование, в котором рассмотрены явления капиллярности, выходит из печати в 1901 г. Последующие статьи, как выяснилось позднее, повторяют появившиеся ранее труды Гиббса, которых Эйнштейн не знал. Но вот в 1905 г. появляются три статьи 26-летнего ученого; каждой из них было достаточно, чтобы войти в историю физики. Это были работы по квантовой теории, о броуновском движении и теории относительности.

Статья «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света», законченная в марте, явилась одним из важнейших этапов создания теории квантов. Понятие световых квантов ввел в физику Макс Планк в 1900 г. Планк считал, что источники света излучают свет не непрерывно, а маленькими порциями, так называемыми квантами. Эйнштейн смело пошел дальше. Согласно Эйнштейну, порции света проявляются не только при излучении или поглощении, а составляют сущность природы света. Сам свет, независимо от источника, состоит из квантов, которые справедливо могут быть названы частицами света. Точка зрения Эйнштейна получила множество опытных подтверждений. Квантовую природу света давно считают доказанным фактом.

Существовавшая до этого теория света не могла объяснить фотоэффект, т. е. явление, в котором с поверхности освещаемого вещества вылетают электроны. Опираясь на свой новый взгляд на сущность света, Эйнштейн сумел полностью объяснить явление фотоэффекта. Позднее, в 1921 г., он получил за эти работы Нобелевскую премию.

В последующие годы Эйнштейн еще раз возвращался к теории квантов. В 1917 г. он нашел связь между вероятностью излучения и поглощения света. Открытый Эйнштейном закон носит его имя. Вместе с индийским физиком Бозе он разработал правила применения методов статистики к изучению световых квантов. Дальше, одда-ко, происходит нечто странное. Все ученые за небольшим исключением приветствуют быстрое развитие теории квантов, а Эйнштейн неожиданно занимает противоположную позицию. Многие годы он спорит с одним из создателей теории атома — Нильсом Бором, утверждая, что физическая картина, которую дает эта теория, несовершенна. Этого мнения он придерживался до конца своей жизни.

Во второй работе Эйнштейна, опубликованной в 1905 г. (она была закончена в мае), говорилось о беспорядочном движении взвешенных в жидкости частичек вещества (так называемое броуновское движение), которое может быть прослежено под микроскопом. Эта статья объясняла броуновское движение как следствие столкновения с молекулами жидкости и вела к опытному подтверждению существования молекул. Основываясь на этой работе, оказалось возможным опытным путем определить число молекул газа в данном объеме.

30 июня 1905 г. редакция журнала «Annalen der Physik» получила от Эйнштейна третье его исследование за 1905 год. Работа, которая была написана за пять-шесть недель, носит название «К электродинамике движущихся тел». В ней изложены основные положения специальной теории относительности. Работа отличается удивительной ясностью, так что ее и сейчас считают одним из лучших изложений специальной теории относительности.

Лоренц, Пуанкаре и некоторые другие исследователи пытались объяснить результат опыта Майкельсона —Морли с помощью различных искусственных гипотез (например, предполагали, что с возрастанием скорости размеры электрона в направлении движения уменьшаются), придерживаясь при этом старых представлений о пространстве и времени. Эйнштейн же, напротив, ясно видел, что новая теория прежде всего должна быть новой теорией пространства и времени. В основу новой теории он положил два постулата, находящихся в согласии с опытными данными.

Законы природы выражаются во всех инерциальных системах одинаково.
Скорость света в пустоте одна и та же во всех инерциальных системах.

Из этих двух постулатов совершенно строго следует вся теория относительности.

В течение четырех лет после появления специальной теории относительности царит молчание. Только в 1909 г. хлынули лавиной научные статьи о теории относительности. Многим физикам выводы теории относительности казались настолько необычными, что свыкнуться с ними представлялось невозможным. Возникла исключительно бурная дискуссия. В ответ на небольшую статью в научной литературе появилось множество работ с высказываниями как за теорию относительности, так и против нее. Кажется курьезом, что в 1938 г., когда Айве опубликовал результаты описанного в нашей книге опыта, он сам еще не верил в теорию относительности, а пытался результаты измерений объяснить с помощью классической физики. Между тем опыт Айвса оказался одним из надежных подтверждений специальной теории относительности. Любопытно также, что Эйнштейну не решились присудить Нобелевскую премию за теорию относительности, хотя именно она имеет наибольшее научное значение по сравнению с остальными его работами.

Нужно сказать, что попытки выступлений против теории относительности продолжаются и в наши дни. Нет-нет да и появится в научной литературе отдельная статейка, в которой пытаются пренебречь теорией относительности.

Эти попытки выглядят настолько беспомощными, что останавливаться на них нет смысла.

В течение многих лет по поводу теории относительности высказывались все, как посвященные, так и невежды. Известный немецкий физик Лауэ в своей книге «История физики» писал следующее: «Очень характерен факт, что от Аристарха до Эйнштейна ни одна физическая теория не смогла так всколыхнуть широкие круги общественности, как теория касавшаяся привычных взглядов на пространство и время».

Интересно полушутливое высказывание Эйнштейна о создании им теории относительности : «Когда я спрашиваю себя, как получилось, что именно я пришел к теории относительности, то ответ, кажется мне, кроется в следующем: нормальный взрослый человек не думает о проблемах пространства и времени. Он считает, что обдумал все, о чем здесь можно думать, уже в ранней юности, Я же, напротив, развивался так медленно, что начал задумываться о времени и пространстве лишь тогда, когда стал уже взрослым. Естественно, что мне удалось глубже проникнуть в эти проблемы, чем это делает обычно ребенок.»

За короткое время число научных работ Эйнштейна сильно возросло. К концу 1907 г. вышли из печати уже 22 его научных статьи, но он по-прежнему служил в Бюро патентов. Сам Эйнштейн считал, что научной работой можно заниматься везде. Выступая много лет спустя в Лондоне по вопросу о бежавших из гитлеровской Германии ученых, он обратил внимание на то, что для них помимо университетов имеется еще много рабочих мест. В качестве примера он привел работу смотрителя маяка, у которого должно оставаться много времени для научных исследований.

Успех новой теории приводит Эйнштейна к тесному общению с учеными. В 1908 г. он получил право чтения лекций в Бернском университете. Зимой 1908—1909 гг. он читает там свой первый курс «Теория излучения» аудитории, состоявшей из четырех слушателей. Осенью 1909 г. Эйнштейн уже экстраординарный профессор теоретической физики Цюрихского университета, а в 1911 г.— ординарный профессор Немецкого университета в Праге. Летом 1912 г. Эйнштейн возвращается в Цюрих, где начинает работать профессором математической физики в той самой Высшей технической школе, которую он окончил за 12 лет до этого. В 1913 г. его избрали членом Прусской Академии наук, а годом позже он становится директором только что открытого Физического института имени кайзера Вильгельма (теперь институт имени Макса Планка). В то же время он является профессором Берлинского университета.

В эти годы Альберт Эйнштейн начинает особенно интенсивно работать над созданием общей теории относительности. По рассказам одного из ближайших сотрудников Эйнштейна — польского физика Л. Инфельда — проблема, «что происходит в свободно падающем лифте», возникла у Эйнштейна, когда ему было всего 16 лет. К более глубокому изучению подобных проблем он приступил вскоре же после создания специальной теории относительности.

Потребность в специальной теории относительности чувствовали многие физики в начале столетия, иначе обстояло дело с общей теорией относительности. Можно сказать, что Эйнштейн был единственным человеком, который видел ограниченность специальной теории относительности и необходимость более общей теории. Даже Макс Планк говорил Эйнштейну: «Все теперь так хорошо объяснено, зачем вы еще занимаетесь этими проблемами?» Но Эйнштейн не отказался от своего замысла. Закон тяготения Ньютона не следовал из специальной теории относительности, и это побуждало Эйнштейна искать новые пути. В результате напряженных исследований в 1916 г. работой «Основы общей теории относительности» было заложено начало общей теории относительности в том виде, в котором мы ее теперь знаем. Сам Эйнштейн считал, что без него общая теория относительности, вероятно, не была бы создана и до наших дней, и в этом он, по всей вероятности, был прав. Специальная теория относительности была бы вскоре создана, по-видимому, и без него, а создания общей теории относительности пришлось бы ждать гораздо дольше.

Одним из самых существенных результатов общей теории относительности было открытие неевклидовой) характера окружающего нас пространства (т. е. его искривленности) . В реальном мире действуют вовсе не такие простые законы геометрии, как думали тысячелетиями. Материалистам особенно важен вывод теории относительности, что геометрические свойства пространства определяются распределением и движением масс. Установление этих истин произвело в воображении ученых революцию в полном смысле этого слова, революцию, которую можно сравнить с другим происшедшим ранее переворотом, а именно: с открытием факта, что Земля не плоская, а шарообразная. К тому, что поверхность Земли искривлена, мы все уже давно привыкли. Однако мы еще далеко не привыкли к тому, что и мировое пространство может быть искривленным.

Общая теория относительности вызвала еще более бурный обмен мнениями, чем предшествовавшая ей специальная теория относительности. В 1921 г. Макс Лауэ писал: «Много похвал, и брани много — вот удел общей теории относительности в настоящее время. Характерно при этом, что наиболее громкие крикуны как с одной стороны, так и с другой стороны почти ничего в ней не понимают». В наши дни положение в значительной мере изменилось, но все же и сейчас появляются статьи, авторы которых пытаются решать проблемы гравитации, обходя общую теорию относительности. По логической строгости и математическому изяществу ни одна из этих работ не может сравниться с теорией относительности.

Общая теория относительности исключительно богата по содержанию. В научной литературе непрерывно появляются работы, посвященные дальнейшему развитию этой теории, но предстоит сделать еще очень много.

После того как произведенные во время солнечного затмения 1919 г. измерения подтвердили предсказание общей теории относительности об искривлении светового луча в поле тяготения Солнца, Эйнштейн достиг вершины своей славы. Сам он замечал это, может быть, меньше всех. Продолжалась усердная работа над вопросами общей теории относительности. В то же время он принимает участие (во многих научных и пацифистских конгрессах, путешествует и выступает с лекциями в разных городах и университетах. Эйнштейна избирают членом многих научных обществ мира. В 1926 г. он избирается почетным членом Академии наук Союза ССР. Весь этот внешний успех не мешает Эйнштейну заниматься наукой благодаря его большой энергии и исключительной способности сосредоточиваться. Советский академик А. Ф. Иоффе, например, рассказывает: «Я часто вспоминаю случай, показавший, как Эйнштейн строит свое миропонимание: как-то он заинтересовался моими исследованиями свойств кристаллов и просил изложить их ему. В 3 часа дня я приступил к этой задаче и через два часа закончил ее. Тогда начался поразительный процесс освоения новых фактов и идей, сопоставление их с самыми разнообразными сторонами существовавшей у Эйнштейна физической картины, и этот процесс продолжался в течение 9 часов — до 2 часов ночи. Все это время Эйнштейн до того был поглощен своими мыслями, что все окружающее им почти не воспринималось: ужинал он, например, так, что по команде жены брал на вилку пищу и отправлял ее в рот, вряд ли сознавая, что он ест».

Исключительную сосредоточенность Эйнштейна показывает еще следующий эпизод на его лекции в Цюрихском университете, о котором рассказывает один из слушателей: «За все время, как мне помнится, у Эйнштейна только один раз произошла заминка. Эйнштейн остановился вдруг во время лекции и сказал: «Здесь должно быть одно простое математическое преобразование, которое я сейчас никак не могу найти. Может быть, кто-нибудь из вас, господа, видит его?» Разумеется, мы его не видели. «Тогда оставьте четверть страницы! Не стоит терять времени. Результат будет такой...» Примерно через десять минут Эйнштейн воскликнул, прервав рассуждение: «Нашел!» Мы сначала не поняли, что он нашел. Проводя дальнейшие сложные выводы, он нашел еще время думать о том, как могло выглядеть забытое преобразование. Это была типичная черта Эйнштейна». Этот же слушатель лекций рассказывает еще один интересный случай: «Я посетил его на следующий день. Он сидел в своей рабочей комнате перед кипой бумаг, исписанных математическими формулами. Правой рукой он писал, левой держал своего младшего сына и при этом успевал отвечать старшему сыну, игравшему в кубики. Со словами «минутку, я сейчас» он передал мне должность няньки на несколько минут и продолжал работать дальше».

Плодотворная работа Эйнштейна в Берлине была неожиданно прервана приходом к власти фашистов. В то время Эйнштейн находился в Швеции. В марте 1933 г. он заявляет, что не вернется больше в страну, где господствуют насилие и реакция. В знак протеста он выходит из Прусской и Баварской академий. Баварскую академию он обвиняет в том, что она оставалась равнодушной к преследованию ученых и студентов. «Я не могу принадлежать ни к одному объединению, которое так поступает, даже если его принуждают к этому»,— пишет он в своем письме.

Альберт Эйнштейн в последние годы жизни

Гитлеровская Германия не хотела признавать ученого-неарийца и его теорию относительности. Реакционные выступления под лозунгами критики теории относительности, по словам А. Зоммерфельда, «сводили уровень научных собраний к уровню антисемитских митингов». Нападки фашистов на теорию относительности и Эйнштейна можно сравнить только с преследованием инквизицией Галилея и его учения.

В это время в США в Принстоне организовался новый научно-исследовательский институт («Институт высших исследований»), работать в котором пригласили ряд эмигрировавших из Германии математиков и физиков. Эйнштейн принял приглашение, и с 1933 г. до конца жизни его домом становится Принстон. Здесь с помощью нескольких ближайших сотрудников — большой школы у Эйншейна никогда не было — он продолжает развивать дальше общую теорию относительности и успешно завершает ее. Основное внимание он все же уделяет другому.

Эйнштейн всегда видел в природе единое целое и соответственно считал, что физика должна представлять собой единую систему. Поискам этой системы он посвящает около 40 последних лет своей жизни. Эйнштейн пытался создать единую теорию, которая описывала бы с единой точки зрения как электромагнитное, так и гравитационное поле. По его мнению, эти два поля образуют вместе единый физический объект, одно поле. Но, увы, в работе по созданию единой теории поля, по словам самого Эйнштейна, счастье покинуло его. Несколько раз ему кажется, что цель достигнута, но позднее выясняется, что результаты все же неудовлетворительны. Эйнштейн характеризует процесс создания единой теории поля следующими словами: «Существует только одна истина, число же заблуждений бесконечно».

В 1945 г. Эйнштейн выходит в отставку, однако напряженная работа по созданию единой теории поля продолжается. К 1953 г. создается впечатление, что начала теории заложены, основные уравнения найдены. Правда, сам Эйнштейн отмечает, что он не знает, как решить эти уравнения, более того, он не знает даже, как показать, что эти уравнения вообще имеют решение. Несмотря на это, он настроен оптимистически в отношении будущего. Этот оптимизм не разделяют большинство физиков, которые считают попытки создания единой теории поля бесплодными. Здесь, однако, еще рано подводить итоги. Сама проблема фундаментальна, и соответственно этому окончательное ее решение может потребовать еще много времени. Многое говорит за то, что постановка проблемы все же правильна.

Эйнштейну всегда были дороги идеи гуманизма, мира и благосостояния человечества — их он защищал, не жалея сил, в течение всей своей жизни. Глупо обвинять Эйнштейна в появлении атомной бомбы — теория относительности, дескать, указала источники энергии для атомной бомбы. Эйнштейн всегда был категорически против применения атомной энергии в военных целях. В 1939 г. он обращается к президенту США Ф. Д. Рузвельту с письмом, в котором предупреждает, что нацистам, вероятно, вскоре удастся изготовить атомную бомбу. Это письмо, несомненно, содействовало форсированию атомных исследований в Соединенных Штатах. Эйнштейн не жалел сил, чтобы удержать от злоупотреблений атомной энергией. После войны он пишет: «На нас, ученых, развязавших эту чудовищную силу, лежит огромная ответственность за то, чтобы направить атомную энергию на служение благу человечества, а не на разрушения». Сотни выступлений, статьи и интервью характеризуют Эйнштейна как одного из первых в рядах прогрессивных сил мира.

В 1954 г. научный мир отмечал 75-летие Эйнштейна . Летом 1955 г. ожидались еще большие торжества по случаю 50-летия со времени создания специальной теории относительности. Неожиданно эти намерения были омрачены трауром: 18 апреля 1955 г. скончался Альберт Эйнштейн . Умер человек, о котором А. Зоммерфельд сказал: «С глубокомыслием и последовательностью философского мышления, не встречавшихся никогда до сих пор в умах естествоиспытателей, с математической силой, которая напоминает Гаусса и Римана, Эйнштейн возвел в течение десяти лет здание, перед которым мы стоим, чувствуя изумление и головокружение ».