Законы времени и пространства

Английский писатель Бернард Шоу считал, что в истории существовало всего восемь великих естествоиспытателей: Пифагор, Птолемей, Аристотель, Коперник, Галилей, Кеплер, Ньютон и Эйнштейн. Причем только трое — Птолемей, Ньютон и Эйнштейн — создавали Вселенную. Остальные ее ремонтировали. 

Главное открытие

Хотя часто теория относительности рассматривается как целостная сис­тема, на самом деле она представляет собой продукт нескольких открытий. Основные тезисы Эйнштейна изложены в специальной теории относительности (1905 г.) и общей теории относитель­ности (1915 г.). Исходным пунктом стало утверждение, что скорость света в ва­кууме является единственной постоянной величиной, от которой зависят вре­менные и пространственные трансфор­мации. Специальная теория является учением об относительности времени и пространства, тогда как общая — ис­следует их свойства в контексте явления гравитации. 

«Мысленные эксперименты»

Гениальный ученый называл свой ме­тод «мысленными экспериментами». Можно считать, что впервые он обра­тился к нему уже в 16 лет, представляя картину, которую видит путешествен­ник, движущийся со скоростью света, Впоследствии, пользуясь лишь каранда­шом и бумагой, Эйнштейн мысленно со­здавал образ Вселенной, где действова­ли открытые им законы.

Единственным временем, когда Эйн­штейн работал в лаборатории, были сту­денческие годы. В бернский период в его распоряжении находился лишь пись­менный стол. Однако то были годы важ­нейших открытий! Возможно, что, будь у Эйнштейна необходимые условия для занятий наукой, его юношеские отвле­ченные размышления не переросли бы в оригинальный подход. 

Ядерная энергия

В 1896 году А. Беккерель заметил, что соли урана испускают загадочные лу­чи. Супруги Кюри решили понять при­роду и причину этого излучения. В хо­де экспериментов они открыли новый металл, испускающий «неслыханную» энергию. Кюри назвали это свойство «радиоактивностью», лучистые вещест­ва — «радиоактивными», а новый ме­талл — «радием», то есть «излучающим». Энергия выделялась в процессе распада атома радия. Открытие Кюри заложило основу для дальнейших изучений атом­ного ядра.

Следующим крупным завоеванием в этой области стала формула Альберта Эйнштейна «Е=mс²», где «Е» означает энергию, «m» — массу, а «с» — ско­рость света. Энергия, заключенная в лю­бом теле, равняется его массе, помно­женной на скорость света в квадрате. Принимая во внимание фантастичес­ки огромное числовое значение второй части уравнения (скорость света составляет 300 тыс. км/с), очевидно, что даже один грамм вещес­тва содержит огромное ко­личество энергии. Так, один грамм ядерного топлива вы­деляет такую же энергию, какая образуется в резуль­тате сгорания десяти соста­вов с углем. Трансформация массы в энергию, описанная Эйнштейном, лежит в основе реакций распада или синтеза атомных ядер — ядерных реакций.

Уравнение Эйнштейна, с одной сто­роны, легло в основу теории Большого Взрыва о происхождении Вселенной, а с другой стороны — стало катализатором многих новейших военных разработок. Так, парадоксальный гений ученого-па­цифиста создал великую и смертонос­ную формулу. 

Вечный ребенок

Эйнштейн изменил привычную кар­тину мира, установил в качестве систе­мы отсчета летящий свет, доказал отно­сительность пространства и времени и, кроме того, ввел новое понятие — про­странство-время.

Свои научные завоевания ученый объ­яснял так: «Взрослые люди обычно во­обще не задумываются над проблемами времени и пространства. Иное дело — дети. Быть может, я пока не повзрослел?»

«Не повзрослевший» Эйнштейн с удо­вольствием переписывался с детьми и молодежью. «В чем смысл жизни, всту­пать ли в брак, о чем молятся ученые, являются ли люди животными?» — спра­шивали ученого его юные корреспон­денты. Однажды школьники сообщи­ли Эйнштейну, что выбрали его рек­тором «Общества старших классов». Нобелевский лауреат серьезно поблаго­дарил детей за оказанную честь и лишь выразил удивление, что выборы состоя­лись без его согласия. В ответ на вопрос маленького мальчика о прошлом и бу­дущем нашей планеты ученый написал такое письмо: «Земля существует уже больше миллиарда лет. Что до ее кон­ца, то мой совет: подожди и увидишь! Р.Б. Посылаю несколько марок для твоей коллекции». Непринужденный, ис­кренний тон писем Эйнштейна свиде­тельствует о том, что он действитель­но получал удовольствие от общения с детьми. Советы Эйнштейна юным уче­ным также лишены какого-либо пафоса или морализаторства. Он был убежден, что физик-теоретик по-настоящему беспомощен перед Природой и... своими студентами.

«Вечный ребенок» определил пути на­уки на много лет вперед. Возможно, ког­да-нибудь родится новый гений и опро­вергнет теории Эйнштейна.

Теория относительности: просто о сложном.

Временной парадокс

Если космонавт в космическом ко­рабле путешествует несколько дней в пространстве со скоростью, близкой к скорости света, то, вернувшись на Зем­лю, он окажется на десятки лет моложе своего брата-близнеца, остававшегося дома. Этот сюжетный ход часто исполь­зуется в научно-фантастических произ­ведениях, а описанный феномен назы­вается «парадоксом близнецов».

Предшественник Эйнштейна Нью­тон по-другому понимал относитель­ность. Неподвижный наблюдатель ви­дит машину, движущуюся со скоростью 100 км/час. Если бы он ехал навстречу со скоростью 60 км/час, ему бы каза­лось, что скорость той машины состав­ляет 160 км/час. Но если бы он двигался с ней в одном направлении, то ее ско­рость представлялась бы меньше. Та­ким образом, скорость относительна и зависит от положения наблюдателя.

В 1887 году американские физики Альберт Михельсон и Эдвард Морли провели замеры скорости света, рас­пространяющегося в одном направле­нии с вращением Земли и скорости света, распространяющегося в обрат­ном направлении. Согласно существу­ющим тогда законам физики, резуль­таты должны были оказаться разными. Однако скорость света оставалась пос­тоянной, вне зависимости от того, измеряли ли ее, находясь на месте или двигаясь с большой скоростью. Долгое время ученые не могли дать объясне­ние такому парадоксу.

Эйнштейн же заявил, что скорость света постоянна при любых условиях. Для того, кто движется с очень высокой скоростью, время течет медленнее. Ес­ли достичь скорости света, то ход вре­мени совсем останавливается. Конечно, на Земле эти законы не действуют, пос­кольку никакая машина не может раз­вить скорость, близкую к 300 тысячам километров в секунду. 

Гравитация и искривление пространства

«Перестраивая» Вселенную Ньютона, Эйнштейн переосмыслил и понятие гра­витации. Ученый считал, что траектория движения планет определяется кривиз­ной пространства. Представим, что лист бумаги — это модель Вселенной. Рас­положим на нем различного размера предметы — модели звезд. Деформа­ция листа наглядно продемонстриру­ет зависимость кривизны от массы. Ес­ли по той или иной причине изменится масса Солнца, изменится и траектория Земли. С другой стороны, и Земля об­ладает массой, которая также вызывает деформацию пространства. Вокруг об­разовавшейся кривизны перемещает­ся Луна. Небесные тела, случайно проходящие мимо крупных звезд, «затяги­ваются» гравитацией, которую создают эти звезды. Поэтому, например, на Зем­лю падают метеориты. Лучи света также отклоняются, когда встречают на пути деформированное пространство.

Так, гравитацию Эйнштейн понимал как геометрический эффект искривле­ния пространства. Ученый доказал, что сила тяготения существенно отличается от электрических, магнитных, ядерных и других сил. Чем больше гравитация, тем медленнее течет время.

В зависимости от массы звезд про­странство испытывает различного ти­па деформации. Наиболее крупные ис­кривления называются черными дыра­ми. Их деформация столь велика, что черные дыры не покидает свет, и они недоступны для наблюдателя.

Сотворив новую Вселенную, Эйн­штейн обратился к своему великому предшественнику: «Прости меня, Нью­тон: ты нашел единственный путь, воз­можный в твое время для человека величайшей научной творческой спо­собности и силы мысли. Понятия, созданные тобой, и сейчас остаются веду­щими з нашем физическом мышлении, хотя мы теперь и знаем, что если будем стремиться к более глубокому понима­нию взаимосвязей, то нам придется за­менить эти понятия другими, стоящи­ми дальше от сферы непосредственно­го опыта».