Краткая история науки - Уильям Байнум

Итак, представьте поезд, отходящий от станции.

В центре одного из вагонов помещена равномерно вспыхивающая лампочка, свет от нее через равные промежутки времени отправляется и вперед и назад, где отражается от зеркал, размещенных на стенках вагона. Если вы встанете в центре вагона, вы увидите, что свет возвращается к вам точно в один и тот же момент. Но некто, стоящий на платформе в тот момент, когда поезд проходит мимо, увидит отраженные вспышки последовательно.

Хотя обе порции света достигают зеркал одновременно, поезд движется вперед, так что на платформе вы увидите вспышку от удаляющегося зеркала (того, что в передней части вагона) раньше, чем вспышку от приближающегося зеркала (в задней). Таким образом, хотя скорость света не меняется, она выглядит для вас различной, то есть зависит – является относительной, другими словами – от того, является ли сам наблюдатель неподвижным или движется.

Эйнштейн доказал – опять же с помощью некоторого количества сложных уравнений, – что время является одним из основных измерений реальности. С того момента физикам пришлось принимать в расчет не только три знакомых пространственных измерения – длину, ширину и высоту, но и время тоже.

Эйнштейн показал, что скорость света является постоянной вне зависимости от того, удаляется он от нас или приближается. Скорость звука же меняется, и именно поэтому поезд звучит по-разному, когда он надвигается на нас или уносится прочь. Поэтому относительность в специальной теории относительности не прилагается к постоянной скорости света, она имеет отношение к наблюдателю и к тому факту, что время должно быть включено в рассмотрение.

Время тоже не абсолютно, а относительно, оно меняется в зависимости от скорости нашего перемещения, и часы показывают этот факт. Есть старая история о космонавте, отправившемся в путешествие на околосветовой скорости и вернувшемся на Землю, чтобы обнаружить, что время ушло далеко вперед. Все, кого он знал, постарели и умерли. Он же сам постарел совсем немного по сравнению с тем моментом, когда пустился в путь, словно его часы, взятые с собой, замедлились, как и восприятие времени.

Это всего лишь мыслительный эксперимент, и подобное может случиться только в научной фантастике.

Как будто этого было недостаточно, знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc2 связало массу (m) и энергию (E) неким новым образом. «C» в уравнении – скорость света. В действительности Эйнштейн показал, что масса и энергия не более чем два аспекта материи. Поскольку скорость света очень велика, а возведенная в квадрат становится еще больше, то даже очень небольшое количество массы, полностью переведенное в энергию, создаст огромное ее количество.

Даже атомная бомба превращает в энергию крохотную часть массы.

Если всю массу вашего тела целиком перевести в энергию, то получится взрыв мощностью в пятнадцать больших водородных бомб. Так что лучше не пробуйте такого.

Несколько следующих лет Эйнштейн развивал свои гипотезы, и к 1916 году он выступил с более масштабной идеей относительно устройства Вселенной, и она получила название общей теории относительности. В ней он представил гипотезы насчет взаимосвязи между гравитацией, ускорением и структурой пространства.

Эйнштейн показал, что гравитация и ускорение на самом деле эквивалентны. Вообразите, что вы находитесь в лифте и выронили яблоко из руки; оно упадет на пол. Теперь, если вы отпустите яблоко в точности в момент, когда кто-то перережет трос, на котором висит лифт, вы полетите вниз вместе с яблоком.

Относительно вас оно не будет двигаться, поскольку вы падаете с одной скоростью. В любой момент вы сможете просто протянуть руку и схватить свое яблоко. Оно никогда не доберется до пола до тех пор, пока лифт (и вы) продолжает падать. Несомненно, нечто подобное произойдет в пространстве, где нет гравитации.

Космонавты и их корабли на самом деле находятся в свободном падении.

Общая теория относительности Эйнштейна показала, что пространство, а точнее пространство-время, искривлено. Она позволила предвидеть способ объяснения нескольких феноменов, в которых физики на тот момент не могли разобраться. Согласно теории, свет должен немного отклоняться от траектории, когда он проходит рядом с большим телом, и все потому, что он сам по себе (фотоны) имеет массу и большое тело будет притягивать их к себе. Наблюдения, проведенные во время солнечных затмений, показали, что так на самом деле и происходит.

Теория Эйнштейна также позволила объяснить любопытные черты орбитального вращения Марса 1 вокруг Солнца, чего не могли сделать менее сложные законы ньютоновской механики.

Эйнштейн работал либо с чем-то очень маленьким (крохотные фотоны), либо с чем-то очень большим (Вселенная в целом). Он предложил новый убедительный способ связать одно с другим в единой схеме. Он как внес вклад в квантовую теорию, так и добавил много нового непосредственно от себя. Его идеи и уравнения, на которых они основывались, помогли определить пути, по которым пошла физическая мысль.

Но Эйнштейн одобрял далеко не все новые направления, возникшие в физической науке. Он никогда не терял веры, что Вселенная (со всеми атомами, электронами и прочими частицами) – закрытая система причины и следствия. Его знаменитая фраза гласит: «Бог не играет в кости», и это значит, что вещи всегда случаются стандартным, предсказуемым образом.

Не все с этим согласились, и другие физики, воспринявшие квантовые идеи Планка, пришли к иным выводам.

Понятие электрона оказалось центральным для большинства работ по квантовой теории того времени. В главе 30 мы видели модель атома, предложенную Нильсом Бором в 1913 году, где электроны, помещенные на фиксированные орбиты с определенной энергией, носились вокруг центрального ядра. Много усилий было потрачено на то, чтобы объяснить отношения в этой системе математически. Обычная математика тут не годится.

Чтобы разобраться с проблемой, физикам пришлось обратиться к матричной математике. В обычной 2 умножить на 3 то же самое, что 3 умножить на 2, а в матричной дело не всегда обстоит таким образом.

Именно она позволила австрийскому физику Эрвину Шредингеру (1887–1961) разработать новую систему уравнений в 1926-м. Его волновое уравнение описывает поведение электронов на внешних орбитах вокруг атома, и оно положило начало квантовой механике.

Она сделала для очень маленького то, что Ньютон сотворил для очень большого.

Подобно многим физикам, изменившим наш способ восприятия мира в первой половине двадцатого века. Шредингер должен был бежать от нацистов и провести годы войны в Дублине. Эйнштейн, как мы знаем, отправился дальше, в Соединенные Штаты.

Волновое уравнение Шредингера внесло нечто вроде порядка в картину атома. Затем Вернер Гейзенберг (1901–1976) вывел принцип неопределенности в 1927 году, частью философский, частью экспериментальный. Гейзенберг заявил, что сам акт наблюдения за электронами оказывает на них влияние и это накладывает ограничение на то, что мы можем знать.