Эйнштейн Альберт

Эйнштейн (Einstein), Альберт, величайший физик нашего века, родился 14 марта 1879 года в еврейской семье среднего достатка в городе Ульме (Вюртемберг), детство провел в Мюнхене, где его отец владел электротехническим заводом. В 1894 году семья переселилась в Италию, а Эйнштейн поступил в кантональную школу в швейцарском городе Аарау, а через два года в цюрихский университет. Первое время по окончании университета (1902-1909) служил экспертом в патентном ведомстве в Берне, в свободное время занимаясь теорией брауновского движения. Эта работа сразу выдвинула его, и он получил приват-доцентуру, а в 1909 году — кафедру в цюрихском университете. В 1911 году — профессор в Праге, в 1912 — профессор Высшего технического училища в Цюрихе. В 1913 году Эйнштейн переехал в Германию и с тех пор состоит профессором теоретической физики в берлинском университете. Впрочем, Эйнштейн лекций почти не читает и занимается главным образом исследовательской работой. Эйнштейн — научная фигура такого же грандиозного калибра, как Ньютон. Сближение Эйнштейна с Ньютоном оправдывается не только одинаковой гениальностью, но в значительной степени и содержанием их научной работы. Ньютон является создателем классической механики и теории всемирного тяготения, а также небесной механики, науки о движении небесных тел, которая основывается на формулированных Ньютоном законах движения (открытых отчасти до него Галилеем) и на открытом самим Ньютоном законе всемирного тяготения. Далее, с именем Ньютона связана корпускулярная или эмиссионная теория света, которая держалась его авторитетом почти полтора столетия, пока она не была, казалось, навсегда опровергнута опытами Френеля и Физо.

Эйнштейн выступил на физическом поприще в качестве непосредственного продолжателя Ньютона. Он является создателем новой механики и новой теории тяготения, представляющих собой не простое усовершенствование, но коренное преобразование ньютоновской теории, с одной стороны, и воссоздателем ньютоновской корпускулярной теории света — также в преобразованной форме — с другой.

В деле создания Эйнштейном новой механики, роль Галилея сыграл Лоренц, являющийся одним из основателей электронной теории материи (ср. XLIII, 336 сл. и 341 сл.). Некоторые из результатов, найденные Лоренцом на основании электромагнитной теории Максуэла, вошли без всякого изменения в теорию Эйнштейна (например, зависимость массы быстро движущегося электрона от скорости, предельный характер скорости света, законы распространения света в движущихся телах и связанные с этим приближенные формулы преобразования пространственных координат и времени при переходе от покоящейся системы к движущейся). Однако, у Эйнштейна эти результаты получили гораздо более простое и глубокое обоснование и несравненно более общее физическое значение. Основой эйнштейновой механики и теории тяготения является принцип относительности движения (см. теория относительности, ХLI, ч. 7, 401 сл.). Необходимо оговориться, что этот принцип в более узкой форме был известен и Ньютону, хотя и не был явно формулирован последним. Наоборот, при формулировке законов механики Ньютон исходил из представления об «абсолютном покоющемся пространстве» (по отношению к которому якобы определялось движение материальных тел) и «абсолютном равномерно текущем времени». Однако, из самих же законов ньютоновской механики вытекала принципиальная невозможность отличить истинный покой от движения. Эта относительность движения особенно ясна в простейшем случае прямолинейного и равномерного движения. Однако, из эквивалентности между инертной массой тел, связанной с их ускоренным движением, и их весомой массой, которая определяет испытываемые или производимые ими силы тяготения, вытекает, как впервые заметил Эйнштейн, справедливость принципа относительности и в общем случае непрямолинейного и равномерного движения. При этом, однако, необходимо радикальным образом изменить формулировку ньютоновского закона тяготения так, чтобы силы тяготения представлялись тождественными, или эквивалентными с силами инерции. До Эйнштейна принцип относительности движения признавался в применении к прямолинейному и равномерному движению. При этом сохранялось старое представление о силах, действующих между материальными частицами, — представление, в котором все эти силы трактовались подобно ньютоновским силам тяготения, как «мгновенное дальнодействие»; другими словами, сила, действующая на каждую частицу со стороны других, считалась обусловленной положением последних в соответствующее мгновение, независимо от их расстояния. Это представление об одновременности положения различных тел, как о чем-то абсолютном, заставляло считать и самое время чем-то абсолютным (в смысле Ньютона). Таким образом, до Эйнштейна принцип относительности движения признавался лишь в форме относительности скорости (то есть прямолинейного и равномерного движения) и связывался с относительностью пространства, тогда как время считалось абсолютным. Эйнштейновская теория относительности, формулированная им в 1905 году в возрасте 25 лет, отличается от ньютоновской тем, что время в ней имеет такое же относительное значение, как и пространство (другими словами, расстояние во времени между моментами двух определенных событий является такой же относительной величиной, зависящей от выбора «покоящейся» координатной системы, как и расстояние между местами обоих событий в пространстве). Относительность времени в теории Эйнштейна связана с представлением о том, что все физические силы, поскольку они сводятся к взаимодействию между электронами (согласно теории Лоренца), передаются в пространстве не мгновенно, но с конечной скоростью. Совпадение последней со скоростью света является следствием того, что световые действия представляют собой по существу электрические действия, передающиеся в пространстве с такой же скоростью, как и все остальные действия этого же рода. Таким образом, сила, испытываемая каким-нибудь электроном в данный момент, зависит от положения других электронов в предшествующие моменты, тем более отдаленные, чем больше их расстояние. Это представление о «запаздывающем дальнодействии» до Эйнштейна пытались свести к «близкодействию», то есть к распространению действия через промежуточную среду – эфир — от одной ее частицы к соседней, не замечая, что главным образом запаздывающее дальнодействие сводилось лишь к обычному «дальнодействию» (на очень маленькие расстояния) между соседними частицами среды. Идея подобной среды была в значительной степени подорвана работами Лоренца (у которого «эфир» играл такую же роль, как «неподвижное пространство» у Ньютона, то есть роль простой координатной системы). Эйнштейн окончательно упразднил ее. Но тем самым он вынужден был принять, что скорость распространения физических электрических сил в пустом пространстве не должна зависеть от движения той координатной системы, например, земного шара, по отношению к которой она определяется, то есть, другими словами, что эта скорость, несмотря на свой «относительный» характер (то есть возможность ее определения лишь по отношению к чему-то, считаемому неподвижным), имеет «абсолютное» или «инвариантное значение». К этому принципу инвариантности, или постоянства скорости света Эйнштейн пришел не только на основании логических соображений, но и на основании отрицательных результатов опыта Майкельсона, пытавшегося обнаружить поступательное движение земли в пространстве («эфире») путем измерения скорости света по отношению к земле в разных направлениях. Как известно, она оказалась постоянной и независимой от направления. Сочетание принципа относительности всякой скорости с принципом постоянства, или инвариантности, одной исключительной скорости — именно скорости света — представляется парадоксальным. Но мы только что видели, что второй принцип вытекает из первого в связи с представлением о запаздывающем электрическом дальнодействии. Во всяком случае, именно на этом парадоксальном сочетании и основывается теория относительности Эйнштейна с отличительной ее особенностью — относительности не только пространства, но и времени.

Коррелятом этой относительности является абсолютный, или инвариантный характер физических законов. Последние должны, согласно Эйнштейну, формулироваться таким образом, чтобы математические соотношения, их выражающие, оставались инвариантными (то есть не изменялись при переходе от «покоящейся» системы к «движущейся»), несмотря на относительный, или вариантный характер входящих в них величин (пространственных координат времени, скоростей, сил и т. п.). Эйнштейн показал, что уравнения ньютоновской механики не удовлетворяют этому требованию инвариантности, и видоизменил их простейшим образом в соответствии с этим требованием. Результатом этого видоизменения и явилась эйнштейнова механика со всеми вытекающими из нее следствиями.

Не удовольствовавшись этими результатами, Эйнштейн стал работать над вопросом о распространении теории относительности на случай любого движения. Ключом к решению этой задачи послужила, как уже было отмечено выше, эквивалентность между инертной и весомой массой и вытекавшая отсюда возможность свести ускоренное движение к покою, рассматривая связанные с первым силы инерции как силы тяготения, связанные со вторым. Однако, решение задачи далось Эйнштейну лишь после нескольких лет упорной работы, в 1915 году. Интересно отметить то упорство и настойчивость, с которыми Эйнштейн в течение ряда лет занимался делом, которое его друзья – крупнейшие физики-теоретики, например Лауе — считали совершенно безнадежным. Однако, Эйнштейн достигнул поставленной себе цели и создал свою общую теорию относительности, являющуюся вместе с тем теорией тяготения и представляющую собой одно из величайших творений человеческого гения. Любопытно, что Эйнштейн был настолько глубоко проникнут верой в правильность своей теории, что он нисколько не беспокоился за проверку ее путем наблюдений (во время затмения 1918 г.) отклоняющего действия, производимого солнцем на лучи звезд, проходящие вблизи него.

Корпускулярная теория света, возрожденная Эйнштейном, также явилась продуктом его теории относительности и связанной с нею механики. В этой механике скорость света с фигурирует в качестве основной постоянной величины, связывая энергию частицы Е с ее массой m формулой Е = mc² и входя в зависимость массы от скорости v:

, где m_o представляет собой так называемую «покоящуюся» массу (то есть значение m при v = 0). Из этой формулы следует, что скорость света v = с является предельной и даже, более того, недостижимой для обычных материальных тел, так как при v = с масса m оказывается равной бесконечности, если только покоящаяся масса m_o отлична от нуля. Если же мы допустим существование частиц с покоящейся массой, равной нулю, то окажется, что такие частицы могут нестись со скоростью света, обладая при этом конечной массой. Последняя может принимать любые значения (m = 0/0), пока v = c, но обращается в нуль, как только движение замедляется. В связи с этим у Эйнштейна, естественно, возникло представление о том, что световые лучи можно было бы рассматривать как поток подобных эфемерных частиц — эфемерных в том смысле, что каждая из них существует как частица лишь то короткое время, которое она проводит в пути от испустившего ее атома к атому, которым она поглощается. При поглощении световая частица (или, как ее теперь часто называют, «фотон») исчезает, передавая свою энергию и импульс (количество движения) поглотившему ее атому. Точно также при испускании световой частицы она не берется в готовом виде из имеющегося в атоме склада, но, так сказать, рождается в самом процессе испускания за счет энергии атома, сообщая ему при вылете толчок в обратную сторону, подобный отдаче орудия при выстреле. Эти особенности эйнштейновых «световых частиц» — совершенно отсутствовавшие у световых частиц теории Ньютона — и дали возможность Эйнштейну в том же 1905 году, в котором им была опубликована первая работа по теории относительности, восстановить корпускулярную теорию света (ср. XLIII, 339 сл.). Необходимо, однако, отметить, что непосредственным поводом для этого послужили не вышеприведенные логические соображения, но новые опытные факты, относившиеся к так называемому «фотоэлектрическому эффекту», то есть вырыванию электронов из металлов световыми лучами (здесь «фотоэлектрический эффект» сыграл такую же стимулирующую роль для творческой мысли Эйнштейна, как отрицательный эффект опыта Майкельсона в случае теории относительности). Далее, выдвигая свою корпускулярную теорию света, Эйнштейн вовсе не думал порывать с волновой теорией, но пытался связать их хотя бы символическим образом как две разные стороны одного и того же явления. При этом он руководствовался основным результатом зародившейся незадолго до этого (в 1900 г.) теории квантов, а именно найденным Планком соотношением между энергией  ε, теряемой или приобретаемой атомами при отдельных актах испускания или поглощения монохроматического света, и частотой колебаний последнего v (ε=hv, h — постоянная Планка). Идея Эйнштейна заключалась, следовательно, в двойственном характере света, в возможности — и необходимости — рассматривать световые лучи одновременно как линии распространения световых волн и линии движения световых частиц. Это корпускулярно-волновое соответствие, введенное впервые Эйнштейном и приведшее его к формулировке законов фотоэлектрических и фотохимических явлений, было через 20 лет (в 1925 г.) распространено Л. де Бройлем на катодные и другие «материальные» лучи и привело к созданию современной волновой механики, в которой волны обычно рассматриваются как определители вероятности того или иного поведения соответствующих частиц. Необходимо отметить, что идея замены детерминистического описания элементарных физических явлений «пробабилистическим», то есть основанным на закономерном определении вероятности этих явлений, также была впервые выставлена Эйнштейном в знаменитой работе о взаимодействии материи с излучением, опубликованной в 1917 году. Таким образом, можно сказать, что Эйнштейн является одним из основателей теории квантов и развившейся из нее «новейшей» волновой механики.

С его именем связана также статистическая теория или, вернее, одна из двух разновидностей статистической механики, которой в современной теории квантов характеризуется поведение большого числа тождественных частиц («статистика Бозе-Эйнштейна»). Помимо указанных работ, в которых Эйнштейн выступает как непосредственный продолжатель Ньютона, Эйнштейну принадлежит еще несколько замечательных работ, относящихся к разным вопросам. Первой из них хронологически (она была опубликована почти одновременно с первой работой о теории относительности и о квантовой теории света) является теория так называемого брауновского движения. Эйнштейн первый открыл истинную причину этого явления, показав, что движение микроскопических твердых частиц, взвешенных в жидкой среде, является следствием толчков, получаемых ими со стороны частиц этой среды, находящихся в тепловом движении, и более того, — что брауновское движение можно рассматривать как тепловое движение гигантских молекул, представляемых этими твердыми частицами. Вместе с тем Эйнштейн разработал математическую теорию брауновского движения, сравнение которой с опытными данными (Перрен) впервые дало возможность точно определить число и размеры обыкновенных молекул. Эйнштейнова теория брауновского движения оказалась в дальнейшем применимой и к тепловому движению последних. Другой весьма простой, но немаловажной теоретической работой Эйнштейна явилось распространение квантовой теории Планка на колебательное движение атомов в твердых телах, впервые позволившее объяснить систематическое уменьшение их теплоемкости с понижением температуры. Наконец, за Эйнштейном числится одна экспериментальная работа, выполненная по его идее де-Гаасом и имевшая целью непосредственную проверку того обстоятельства, что магнитные свойства тел обусловливаются вращательным движением электронов. Эйнштейн и де-Гаас проверили эту теорию (восходящую еще к Амперу), установив новый эффект, заключающийся в том, что намагничивание или размагничивание железного стерженька вызывает вращение его вокруг магнитной оси в ту или другую сторону.

Последние десять лет Эйнштейн работает над вопросом о дальнейшем обобщении своей общей теории относительности в таком духе, чтобы она органически включала в себе не только теорию поля тяготения, но и поля электромагнитного. В 1929 году ему удалось добиться некоторых результатов в этом направлении, то есть в направлении создания «единой теории поля», однако правильность этих результатов остается пока что под сомнением. Интересно отметить то упорство, с которым Эйнштейн продолжает свою работу, игнорируя все другие вопросы физики до тех пор, пока поставленный им вопрос, который он считает самым фундаментальным, остается не разрешенным. «Если мне не удастся решить этого вопроса, — сказал однажды Эйнштейн в частной беседе, — то меня можно считать потерянным для физики». У Эйнштейна совершенно нет и никогда не было учеников, несмотря на то, что он всегда охотно делится своими мыслями и весьма активен в качестве оппонента на собраниях. Это тем более удивительно, что Эйнштейн является исключительно обаятельной личностью. По философским взглядам Эйнштейн примыкает к идеализму, а по политическим воззрениям к прогрессивному лагерю, не входя, однако, ни в одну партию. Эйнштейн неоднократно выступал с выражением симпатии к Советскому Союзу.

Я. Френкель.