Книга: Эйнштейн Альберт «Эволюция физики»

Эйнштейн Альберт

Эйнштейн (Einstein) Альберт (14.3.1879, Ульм, Германия, ‒ 18.4.1955, Принстон, США), физик, создатель относительности теории и один из создателей квантовой теории и статистической физики. С 14 лет вместе с семьей жил в Швейцарии. По окончании Цюрихского политехникума (1900) работал учителем сначала в Винтертуре, затем в Шафхаузене. В 1902 получил место эксперта в федеральном патентном бюро в Берне, где работал до 1909. В эти годы Э. были созданы специальная теория относительности, выполнены исследования по статистической физике, броуновскому движению, теории излучения и др. Работы Э. получили известность, и в 1909 он был избран профессором Цюрихского университета, затем Немецкого университета в Праге (1911‒12). В 1912 возвратился в Цюрих, где занял кафедру в Цюрихском политехникуме. В 1913 был избран членом Прусской и Баварской АН и в 1914 переехал в Берлин, где был директором физического института и проф. Берлинского университета. В берлинский период Э. завершил создание общей теории относительности, развил далее квантовую теорию излучения. За открытие законов фотоэффекта и работы в области теоретической физики Э. была присуждена Нобелевская премия (1921). В 1933 он был вынужден покинуть Германию, впоследствии в знак протеста против фашизма отказался от германского подданства, вышел из состава академии и переехал в Принстон (США), где стал членом Института высших исследований. В этот период Э. пытался разработать единую теорию поля и занимался вопросами космологии.

Работы по теории относительности. Главное научное достижение Э. ‒ теория относительности, которая по существу является общей теорией пространства, времени и тяготения. Господствовавшие до Э. представления о пространстве и времени были сформулированы И. Ньютоном в конце 17 в. и не вступали в явное противоречие с фактами, пока развитие физики не привело к появлению электродинамики и вообще к изучению движений со скоростями, близкими к скорости света. Уравнения электродинамики (Максвелла уравнения) оказались несовместимыми с уравнениями классической механики Ньютона. Противоречия особенно обострились после осуществления Майкельсона опыта, результаты которого не могли быть объяснены в рамках классической физики.

Специальная, или частная, теория относительности, предметом которой является описание физических явлений (и в том числе распространения света) в инерциальных системах отсчёта, была опубликована Э. в 1905 в почти завершенном виде. Одно из её основных положений ‒ полная равноправность всех инерциальных систем отсчёта ‒ делает бессодержательными понятия абсолютного пространства и абсолютного времени ньютоновской физики. Физический смысл сохраняют лишь те выводы, которые не зависят от скорости движения инерциальной системы отсчёта. На основе этих представлений Э. вывел новые законы движения, сводящиеся в случае малых скоростей к законам Ньютона, а также дал теорию оптических явлений в движущихся телах. Обращаясь к гипотезе эфира, он приходит к выводу, что описание электромагнитного поля не требует вообще какой-либо среды и что теория оказывается непротиворечивой, если помимо принципа относительности ввести и постулат о независимости скорости света от системы отсчёта. Глубокий анализ понятия одновременности и процессов измерения интервалов времени и длины (частично проведённый также А. Пуанкаре) показал физическую необходимость сформулированного постулата. В том же (1905) году Э. опубликовал статью, где показал, что масса тела m пропорциональна его энергии Е, и в следующем году вывел знаменитое соотношение Е = mc2 (с ‒ скорость света в вакууме). Большое значение для завершения построения специальной теории относительности имела работа Г. Минковского о четырёхмерном пространстве‒времени. Специальная теория относительности стала необходимым орудием физических исследований (например, в ядерной физике и физике элементарных частиц), её выводы получили полное экспериментальное подтверждение.

Специальная теория относительности оставляла в стороне явление тяготения. Вопрос о природе гравитации, а также об уравнениях гравитационного поля и законах его распространения не был в ней даже поставлен. Э. обратил внимание на фундаментальное значение пропорциональности гравитационной и инертной масс (принцип эквивалентности). Пытаясь согласовать этот принцип с инвариантностью четырёхмерного интервала, Э. пришёл к идее зависимости геометрии пространства ‒ времени от материи и после долгих поисков вывел в 1915‒16 уравнение гравитационного поля (уравнение Эйнштейна, см. Тяготение). Эта работа заложила основы общей теории относительности.

Э. сделал попытку применить своё уравнение к изучению глобальных свойств Вселенной. В работе 1917 он показал, что из принципа её однородности можно получить связь между плотностью материи и радиусом кривизны пространства ‒ времени. Ограничиваясь, однако, статической моделью Вселенной, он был вынужден ввести в уравнение отрицательное давление (космологическую постоянную), чтобы уравновесить силы притяжения. Верный подход к проблеме был найден А. А. Фридманом, который пришёл к идее расширяющейся Вселенной. Эти работы положили начало релятивистской космологии.

В 1916 Э. предсказал существование гравитационных волн, решив задачу о распространении гравитационного возмущения. Тем самым было завершено построение основ общей теории относительности.

Общая теория относительности объяснила (1915) аномальное поведение орбиты планеты Меркурий, которое оставалось непонятным в рамках ньютоновской механики, предсказала отклонение луча света в поле тяготения Солнца (обнаружено в 1919‒22) и смещение спектральных линий атомов, находящихся в поле тяготения (обнаружено в 1925). Экспериментальное подтверждение существования этих явлений стало блестящим подтверждением общей теории относительности.

Развитие общей теории относительности в трудах Э. и его сотрудников связано с попыткой построения единой теории поля, в которой электромагнитное поле должно быть органически соединено с метрикой пространства ‒ времени, как и поле тяготения. Эти попытки не привели к успеху, однако интерес к указанной проблеме возрос в связи с построением релятивистской квантовой теории поля.

Работы по квантовой теории. Э. принадлежит важная роль в разработке основ квантовой теории. Он ввёл представление о дискретной структуре поля излучения и на этой основе вывел законы фотоэффекта, а также объяснил люминесцентные и фотохимические закономерности. Идеи Э. о квантовой структуре света (опубликована в 1905) находились в кажущемся противоречии с волновой природой света, которое нашло разрешение только после создания квантовой механики.

Успешно развивая квантовую теорию, Э. в 1916 приходит к разделению процессов излучения на самопроизвольные (спонтанные) и вынужденные (индуцированные) и вводит Эйнштейна коэффициенты А и В, определяющие вероятности указанных процессов. Следствием рассуждений Э. оказался статистический вывод Планка закона излучения из условия равновесия между излучателями и излучением. Эта работа Э. лежит в основе современной квантовой электроники.

Применяя такое же статистическое рассмотрение уже не к излучению света, а к колебаниям кристаллической решётки, Э. создаёт теорию теплоёмкости твёрдых тел (1907, 1911). В 1909 он выводит формулу для флуктуации энергии в поле излучения. Эта работа явилась подтверждением его квантовой теория излучения и сыграла важную роль в становлении теории флуктуаций.

Первая работа Э. в области статистической физики появилась в 1902. В ней Э., не зная о трудах Дж. У. Гиббса, развивает свой вариант статистической физики, определяя вероятность состояния как среднее по времени. Такой взгляд на исходные положения статистической физики приводит Э. к разработке теории броуновского движения (опубл. в 1905), которая легла в основу теории флуктуаций.

В 1924, познакомившись со статьей Ш. Бозе по статистике световых квантов и оценив её значение, Э. опубликовал статью Бозе со своими примечаниями, в которых указал на непосредственное обобщение теории Бозе на идеальный газ. Вслед за этим появилась работа Э. по квантовой теории идеального газа; так возникла Бозе ‒ Эйнштейна статистика.

Разрабатывая теорию подвижности молекул (1905) и исследуя реальность токов Ампера, порождающих магнитные моменты, Э. пришёл к предсказанию и экспериментальному обнаружению совместно с нидерландским физиком В. де Хаазом эффекта изменения механического момента тела при его намагничивании (Эйнштейна ‒де Хааза эффект).

Научные труды Э. сыграли большую роль в развитии современной физики. Специальная теория относительности и квантовая теория излучения явились основой квантовой электродинамики, квантовой теории поля, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц, квантовой электроники, релятивистской космологии и др. разделов физики и астрофизики.

Идеи Э. имеют огромное методологическое значение. Они изменили господствовавшие в физике со времён Ньютона механистические взгляды на пространство и время и привели к новой, материалистической картине мира, основанной на глубокой, органические связи этих понятий с материей и её движением, одним из проявлений этой связи оказалось тяготение. Идеи Э. стали основной составной частью современной теории динамической, непрерывно расширяющейся Вселенной, позволяющей объяснить необычайно широкий круг наблюдаемых явлений.

Открытия Э. были признаны учёными всего мира и создали ему международный авторитет. Э. очень волновали общественно-политическое события 20‒40-х гг., он решительно выступал против фашизма, войны, применения ядерного оружия. Он принял участие в антивоенной борьбе в начале 30-х гг. В 1940 Э. подписал письмо к президенту США, в котором указал на опасность появления ядерного оружия в фашистской Германии, что стимулировало организацию ядерных исследований в США.

Э. был членом многих научных обществ и академий мира, в том числе почётным членом АН СССР (1926).

Соч.: Собр. научных трудов, т. 1‒4, М., 1965‒67 (лит.).

Лит.: Эйнштейн и современная физика. Сб. памяти А. Эйнштейна, М., 1956; Зелиг К., Альберт Эйнштейн, пер. с нем., М., 1964; Кузнецов Б. Г., Эйнштейн. 3 изд., М., 1967.

Я. А. Смородинский.

Источник: Эйнштейн Альберт