Эйнштейн и современная картина мира
Доктор физико-математических наук Б. БОЛОТОВСКИЙ.
Многие знают Альберта Эйнштейна только как автора теории относительности. Но его вклад в физику не исчерпывается одной теорией относительности. Были у него и другие работы, которые легли в основу современной науки.
Формула для зависимости среднего квадрата смещения от времени получила название формулы Эйнштейна. Поскольку эта формула выведена на основе молекулярно-кинетической теории, она связывает среднее значение квадрата смещения с фундаментальными величинами молекулярно-кинетической теории - с универсальной газовой постоянной R и с числом Авогадро NА. Если известны размер броуновской частицы а, вязкость жидкости , температура T , то можно, измерив средний квадрат смещения , определить число Авогадро NА. Соответствующие измерения были проведены, и для числа Авогадро получилось значение, хорошо совпавшее с тем, которое было известно из теории газов. После этого самые упорные противники молекулярно-кинетической теории, в первую очередь Вильгельм Оствальд, убедились в справедливости молекулярно-кинетической теории.
Знаменитый физик Макс Планк как-то сказал, что новая теория утверждается не потому, что сторонники старой теории меняют свои взгляды, а потому что они постепенно вымирают. Окончательное утверждение молекулярно-кинетической гипотезы строения вещества произошло другим путем. Противники этой гипотезы убедились в ее справедливости при жизни.
В работах по теории броуновского движения проявилась одна важная черта, которая была характерна для подхода Эйнштейна. Заключалась она в следующем. Эрнст Мах, Вильгельм Оствальд и их последователи отвергали молекулярно-кинетическую теорию на том основании, что ни атомов, ни молекул никто не видел (и, как мы можем добавить, не может увидеть при прямом наблюдении). Эйнштейн рассуждал иначе. Ход его рассуждений, конечно, в несколько упрощенном виде можно свести к следующему: ладно, мы не можем своими глазами убедиться в существовании атомов и молекул. Но мы можем пойти другим путем. Сделаем предположение, что существуют атомы и молекулы, которые образуют все известные нам твердые тела, жидкости и газы. Из такого предположения выведем все возможные следствия, которые могут быть проверены на опыте. Имеются в виду следствия молекулярно-кинетической теории - уравнение состояния газов, законы броуновского движения и многое другое. Проверим их на опыте, и если окажется, что все следствия из этой теории выполняются, то можно ли сомневаться в ее справедливости, в том, что действительно существуют и атомы и молекулы? Человек способен понять и то, что скрыто за пределами прямого наблюдения. Если же какие-то следствия проверяемой гипотезы не найдут подтверждения на опыте, это будет указывать, что ее нужно или уточнить, или отвергнуть. Кстати, в самом начале своей статьи о броуновском движении Эйнштейн написал:
"Если же, наоборот, предсказание этого движения не оправдается, это станет веским аргументом против молекулярно-кинетического представления о теплоте".
Но предсказание оправдалось.
СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Вторая статья Эйнштейна, опубликованная в 1905 году, содержала законченную формулировку специальной теории относительности. В статье она была изложена в том виде, в каком теперь входит в учебники. Можно сказать даже больше. Эта статья Эйнштейна до сегодняшнего дня остается лучшим учебником, по которому можно изучать специальную теорию относительности.
Прилагательное "специальная" в названии теории означает, что она рассматривает законы природы с точки зрения наблюдателей, расположенных не в произвольных системах координат, а только в инерциальных, где выполняется закон инерции (поэтому теорию нередко называют "частной"). Согласно этому закону, пока на тело не подействует сила, оно сохраняет свое состояние покоя или прямолинейного равномерного движения. Вот это ограничение специальным выбором систем отсчета и объясняет название "специальная теория относительности" (далее мы для краткости будем пользоваться сокращением СТО).
В создание СТО внесли свой вклад несколько выдающихся ученых. При этом соображения, которые играли решающую роль в работе, для разных исследователей были различны. Можно сказать, что физики шли к теории относительности с разных сторон. Для большинства стартовой точкой исследований, приведших к осознанию теории относительности, стала теория электромаг нитных явлений, созданная великим английским физиком Дж. К. Максвеллом.
В 1873 году вышел из печати двухтомник Максвелла "Трактат об электричестве и магнетизме". В этой книге был подведен итог работы автора по созданию теории электрических и магнитных явлений и даны знаменитые уравнения Максвелла для электромаг нитного поля. Теперь, спустя много лет, можно сказать, что эти уравнения описывают все богатство электромагнитных явлений. Однако в год появления книги лишь немногие поняли, что теория электромагнитных явлений наконец-то создана. Даже великое достоинство этой книги поначалу рассматривалось как недостаток. Максвелл с помощью своих уравнений показал, что электромагнит ное поле распространяется в пустоте со скоростью света, образуя волны. Отсюда следовало, что и свет представляет собой электромагнитные волны. В то время существовало несколько других теорий электрических и магнитных явлений. Ни одна из них не предсказывала электромагнитных волн. И экспериментаторы еще не получили их в лабораторных условиях. Поэтому вывод Максвелла о существовании электромагнитных волн многие рассматривали как недостаток его теории.
Читайте в любое время
