ЭЙНШТЕЙН (Einstein) Альберт (1879-1955) - выдающийся мыслитель 20 в., создатель физической теории пространства, времени и гравитации
ЭЙНШТЕЙН (Einstein) Альберт (1879-1955) - выдающийся мыслитель 20 в., создатель физической теории пространства, времени и гравитации, для которой исторически утвердилось название “теория относительности Э.”. Нобелевская премия по физике за заслуги в области теоретической физики и особенно за открытие законов фотоэффекта (1921). Член научных обществ многих стран мира, в том числе член Прусской Академии наук (1913—1933), почетный иностранный член Академии наук СССР (с 1927). Родился в г. Ульм (Германия) в семье инженера, переехавшего в Швейцарию (1893). Окончил Политехнический институт в Цюрихе (1900). Преподаватель гимназии (1900—1902), эксперт Федерального Бюро патентов в Берне (1902—1909), профессор Университета Цюриха (1909—1911), занимал кафедру теоретической физики в Немецком университете в Праге (1911—1912), профессор Политехнического института в Цюрихе (1912—1914), директор Физического института и профессор Университета Берлина (1914— 1933). В 1933 Э. эмигрировал в США, отказавшись от германского подданства и членства в Прусской Академии наук в связи с преследованиями его со стороны идеологов национал-социализма как ученого, общественного деятеля и еврея. С 1933 и до ухода из жизни Э. — профессор Принстонского института фундаментальных исследований. В конце 1940-х отказался от предложения стать первым Президентом государства Израиль. Антивоенную деятельность Э. начал в начале 1930-х совместно с А.Барбюсом, М.Горьким, Р.Ролланом. Э. — один из лидеров Пагуошского движения, соавтор “Манифеста Рассела - Э.” (1934). Известны также его высказывания против применения ядерной энергии в военных целях. Главные труды: “К электродинамике движущихся сред” (1905), “Вокруг теории относительности” (1921), “О современном кризисе теоретической физики” (1922), “Мир, каким я его вижу” (1934), “Физика и реальность” (1936), “Эволюция физики” (1940, в соавт. с Л.Инфельдом), “Сущность теории относительности” (1945) и др. В бернском периоде своей деятельности Э. установил глубокую связь между диффузией и броуновским движением, разработав к 1905 фундаментальную (молекулярно-статистическую) теорию флуктуационных процессов. В квантовой теории Э. выдвинул основополагающую концепцию о том, что “световое поле представляет собой совокупность элементарных световых полей фотонов или квантов света, независимо излученных телами и независимо же поглощаемых ими”, тем самым введя фотонную концепцию квантовой структуры поля излучения (1905), что позволило ему на этой основе открыть законы фотоэффекта и люминесценции. И только после создания целостной теории квантовой механики и квантовой электродинамики (1925—1928) было снято противоречие между волновой природой и квантовой структурой светового излучения. На основе фотонной теории Э. к проблемам статистической физики “были применены закономерности квантовой теории”, что привело его к созданию квантовой статистики и решению многих проблем термодинамики (1907). В 1917 Э. выдвинул концепцию индуцированного светового излучения, в котором “вероятность испускания фотона возбужденным атомом существенно зависит от количества таких фотонов, уже имеющихся вблизи атома”. Выдающимся достижением Э. явилось создание физической теории пространства, времени и гравитации — теории относительности. (Вплоть до конца 19 в. было принято считать, что объекты материального мира состоят из материальных точек, которые взаимодействуют между собой. Под воздействием приложенных сил материальные точки находятся в непрекращающемся движении, к которому сводятся все наблюдаемые явления. Такую концепцию мира Э. считал тесно связанной с наивным реализмом, сторонники которого полагали, по его мнению, что объекты внешнего мира даются человеку непосредственно чувственным восприятием. Однако введение материальных точек означало шаг к более “изощренному реализму”, потому что введение подобных атомистических элементов не основано на непосредственных наблюдениях.) Господствовавшие до Э. ньютонианские представления конца 17 в. реально не противоречили фактам действительности до тех пор, пока исследователи в физических науках не приступили к изучению объектов, движущихся со скоростями V, для которых невозможно пренебречь величинами порядка (V/С)2, где С — скорость света. Результаты экспериментов, противоречившие теориям классической физики (например, опыт Майкельсона измерения скорости света и др.), Э. объяснил на основании общих свойств пространства и времени, показав при этом, что одним из следствий этих свойств является изменение протяженностей материальных объектов и промежутков времени при изменениях состояния движения материальных объектов. Таким образом, следующий шаг в процессе изменения физической картины мира был и сделан самим Э. в специальной теории относительности (далее — СТО). Э. показал, что для согласования теоретических представлений с опытом следует отказаться от понятий абсолютного пространства (эфира) и времени, и ввел понятие относительного характера длины, интервала времени и одновременности. В основу СТО легли два постулата: принцип относительности и принцип постоянства скорости света. Принцип относительности состоит в том, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета, т.е. в системах, движущихся с постоянной скоростью. Этот принцип имел экспериментальное обоснование, состоявшее в отрицательном результате опыта Майкельсона, в котором он пытался обнаружить движение Земли относительно абсолютного пространства (эфира). Принцип постоянства скорости света был введен Э. без экспериментального обоснования. Э. показал, что для согласования этих двух постулатов следует отказаться от идеи о абсолютном характере одновременности, длин и промежутков времени, которые, как оказалось, зависят от состояния системы отсчета. Таким образом, понятие эфира и абсолютного пространства стали ненужными. В рамках СТО время потеряло свой абсолютный характер и стало рассматриваться как параметр, алгебраически подобный пространственным координатам. В физику было введено понятие о четырехмерном пространстве-времени. Пуанкаре в статье “О динамике электрона” (1905, опубликовано в 1906) независимо от Э. вывел и развил математические следствия концепции ковариантности (сохранения формы) законов при преобразованиях от одной инерциальной системы отсчета к другой (постулата относительности), поэтому СТО также называют теорией относительности Э. — Пуанкаре. Предметом СТО, согласно работе Э. “К электродинамике движущихся тел”, являются пространственно-временные соотношения при равномерных и прямолинейных (т.е. инерциальных) движениях систем отсчета. В СТО Э. открыл новые законы движения, сводимые к законам Ньютона только в случаях возможности пренебрежения величинами порядка (V/С)2. Там же была дана и теория оптических явлений в движущихся материальных объектах. В дополнении к СТО также была показана пропорциональность массы материального объекта заключающейся в нем энергии (широко известное соотношение E = МхС2, где E - энергия, М - масса). В своей книге “Сущность теории относительности” Э. писал: “Мы останемся верными принципу относительности в его наиболее широком смысле, если придадим такую форму законам природы, что они окажутся применимыми в любой четырехмерной системе координат”. Основное положение СТО постулирует полную равноправность всех инерциальных систем отсчета, что отвергает существование абсолютного Пространства и абсолютного Времени, концептуализированного в теории Ньютона. Абсолютный смысл имеют только некоторое сочетания неразрывно связанных Пространства и Времени. Математическим выражением этого принципа относительности является ковариантность законов природы. СТО утверждает, что все физические закономерности, имеющие объективное значение, сохраняют свое значение при переходе к любой системе отсчета (в том числе и инерциальной), “если в формулировке этих законов правильно учтены свойства Пространства и Времени”. В СТО ковариантность законов Пространства и Времени рассматривается как отражение их объективного свойства однородности. После СТО Э. начал исследования общих пространственно-временных отношений (в случаях несводимости изменения системы отсчета к переходу из одного инерциального движения в другое и к распространению на этот случай принципов ковариантности законов природы). Э. открыл полную эквивалентность между переходом из инерциальной системы в систему, движущуюся прямолинейно, но неравномерно, с одной стороны, и появлением нового поля гравитирования, — с другой. Поэтому проблема ковариантности оказалась полностью включена в проблему гравитации и наоборот. К 1916 Э. создал общую теорию относительности (далее — ОТО), которая была фундирована на интеграции принципов эквивалентности и относительности как релятивистская теория гравитации, где выделена неоднородность пространства-времени. Э. доказал, что в присутствии материальных объектов, создающих поле гравитации, метрика (как количественные меры пространства и времени) становится иной, чем в отсутствие таких объектов (например, время замедляется, сумма углов треугольника больше двух прямых и пр.). Переход к другой системе отсчета (движущейся, например, прямолинейно и неравномерно, т.е. неинерциально), эквивалентный введению нового поля гравитирования, соответственно изменяет метрику пространств. Лобачевский еще в первой половине 19 в. показал, что метрика реального пространства может обладать такими отклонениями от обычно принимающейся метрики Евклида (с попытками экспериментального поиска таких отклонений). В ОТО Э. нашел (физическую) причину такого отклонения, дал его математическое выражение и показал, что такие отклонения в метрике реального Пространства невозможно отрывать от соответствующих трансформаций Времени. Теория Э. о пространстве, времени и гравитации показала их неразрывную взаимосвязь, причем в ОТО не всякое гравитирование возможно полностью свести к эффектам стандартной кинематики. Уравнения гравитационного поля в ОТО дефинируют и метрику пространства-времени, и законы движения материальных объектов, являющихся полевыми источниками. Но отклонение метрики пространства от евклидовой и законов движения от законов Ньютона проявляется лишь в сильных гравитационных полях больших масс тел. Поэтому ОТО стала основой исследований проблем космологии, а СТО и квантовая теория — основой исследований структур атома, его ядра и элементарных частиц. Изменение представлений о пространстве, времени, гравитации и их взаимосвязях означало отход от теории Ньютона, предполагавшей независимое существование Пространства и Времени, в отрыве от Материи. Э. писал: “согласно ньютоновской системе, физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек)… После Максвелла физическая реальность мыслилась в виде непрерывных, неподдающихся механическому объяснению полей, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных. Это изменение понятия реальности является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которые испытывала физика со времен Ньютона… Нарисованной мною картине чисто фиктивного характера основных представлений научной теории не придавалось особого значения в 18 и 19 вв. Но сейчас она приобретает все большее значение по мере того, как увеличивается в нашем мышлении расстояние между фундаментальными понятиями и законами, с одной стороны, и выводами, к которым они приводят в отношении нашего опыта, с другой стороны, по мере того, как упрощается логическая структура, уменьшается число логически независимых концептуальных элементов, необходимых для поддержания структуры”. (По мнению Э., основной постулат ОТО, согласно которому общие законы природы должны быть выражены через уравнения, справедливые во всех координатных системах, отнимает у пространства и времени последний остаток физической предметности, и означает, что введение координатной системы служит только для более простого описания совокупности совпадений. Общая теории относительности была подтверждена опытным путем посредством объяснения ряда наблюдаемых явлений: аномального поведения орбиты планеты Меркурий, отклонения лучей света в поле тяготения Солнца и смещения спектральных линий атомов в поле тяготения.) В книге “Эволюция физики” Э., фактически принимая точку зрения Канта, писал: “Физические понятия суть свободные творения человеческого разума, а не определены однозначно внешним миром… В нашем стремлении познать реальность мы отчасти подобны человеку, который хочет понять механизм закрытых часов. Он видит циферблат и движущиеся стрелки… слышит тиканье, но не имеет средств открыть их корпус. … он может нарисовать себе некую картину механизма, которая бы отвечала всему, что он наблюдает, но он никогда не может быть уверен в том, что его картина единственная, которая могла бы объяснить его наблюдения. Он никогда не будет в состоянии сравнить свою картину с реальным механизмом, и он не может даже представить себе возможность или смысл такого сравнения”. М.Клайн полагал, что “мы в состоянии оценить, сколь велика та часть нашей физической науки, которая была математизирована в форме геометрии… Э. подхватил их /Лобачевского, Бойяи и Римана — В.Т., C.C.I идеи, превратив наш физический мир в четырехмерный математический. Гравитация, время и материя наряду с пространством стали компонентами геометрической структуры четырехмерного пространства-времени. Так, уверенность древних греков в том, что реальный мир удобнее и понятнее всего выражать через его геометрические свойства и проникнутое духом Возрождения учение Декарта о том, что феномены материи и движения легко объяснить через геометрию пространства, получили убедительнейшее подтверждение”. В исследованиях Э. всегда значительное место занимали общефилософские проблемы естествознания: “Почему возможно такое превосходное соответствие математики с реальными предметами, если сама она является произведением только человеческой мысли, не связанной ни с каким опытом? Может ли человеческий разум без всякого опыта, путем одного только размышления понять свойства реальных вещей?.. Если теоремы математики прилагаются к отражению реального мира, они не точны; они точны до тех пор, пока не ссылаются на действительность… Однако, с другой стороны, верно и то, что математика вообще и геометрия в частности обязаны своим происхождением необходимости узнать что-либо о поведении реально существующих объектов” (”Вокруг теории относительности”). При этом Э., понимавшего изопытную выводимость логических принципов и математических аксиом, интересовала прекрасная согласованность с опытом тех следствий, которые вытекали из созданных человеком принципов и аксиом. Первое собственное объяснение эффективности математики Э. предлагал еще в 1918: “История показала, что из всех мыслимых построений в данный момент только одно оказывается преобладающим. Никто из тех, кто действительно углублялся в предмет, не станет отрицать, что теоретическая система практически однозначно определяется миром наблюдений, хотя никакой логический путь не ведет от наблюдений к логическим принципам теории. В этом суть того, что Лейбниц удачно назвал “предустановленной гармонией”. Размышления о природе математики и потере ее прежнего статуса свода общепринятых базисных истин склонили Э. к концепции созданной человеком математики: “каждый, кто осмеливается взять на себя роль судьи во всем, что касается Истины и Знания, терпит крушение под смех Богов”. Э. писал относительно существования внешней реальности и надежности нашего знания о ней: “Вера в существование внешнего мира, независимого от воспринимающего субъекта, лежит в основе всего естествознания. Но так как чувственное восприятие дает информацию об этом внешнем мире, или о “физической реальности”, опосредствовано, мы можем охватить последнюю только путем рассуждений”; т.е. для Э. опыт носит личностный характер и потому не может служит доказательством существования внешней реальности. Будучи убежденным в том, что конструируемая человеком математика определяется реальностью, Э. писал: “Если бы даже оказалось, что мир идей нельзя вывести из опыта логическим путем, а что в определенных пределах этот мир есть порождение человеческого разума, без которого никакая наука невозможна, все же он столь же мало был бы независим от природы наших ощущений, как одежда - от формы человеческого тела”. Концепция более поздних исследований Э. отражена в его книге “Мир, каким я его вижу”, где он отмечал: “Весь предшествующий опыт убеждает нас в том, что природа представляет собой реализацию простейших математически мыслимых элементов. …Посредством чисто математических конструкций мы можем найти те понятия и закономерные связи между ними, которые дадут нам ключ к пониманию явлений природы. Опыт может подсказать нам соответствующие математические понятия, но они ни в коем случае не могут быть выведены из него. Конечно, опыт остается единственным критерием пригодности математических конструкций физики. Но настоящее творческое начало присуще именно математике. Поэтому я считаю в известном смысле оправданной веру древних в то, что чистое мышление в состоянии постигнуть реальность”. Этим тезисом Э. может только констатировать существование некоторых законов вне нас. Свое убеждение Э. основывает и на собственном широко известном неверии в то, что “Бог играет в кости” (а если бы это было и так, то по этому поводу еще Р.У.Эмерсон сказал, что “кости Господа Бога налиты свинцом”), ибо, согласно Э., “Господь Бог изощрен, но не злобен”. Несмотря на то, что вероятностная интерпретация квантовой механики и принцип неопределенности Гейзенберга получили широкое распространение, Э. (совместно с М.Планком и Шредингером), согласно детерминизма и причинности классической механики, выступал против основной идеи современной ему статистической квантовой теории, мотивируя это (в 1955) приближенным характером и неполнотой квантовой теории: “Я не верю, что такая фундаментальная концепция может стать надлежащей основой для всей физики в целом… Я твердо убежден, что существенно статистический характер современной квантовой теории следует приписать исключительно тому, что эта теория оперирует с неполным описанием физических систем”. В принстонский период (1933—1955) своей деятельности Э. занимался, в основном, развитием ОТО в направлении решения проблем космологии и единой теории поля. Однако его работы в направлении объединения поля электромагнитного с метрикой пространства-времени (аналогично полю гравитационному) оказались безуспешны.
В. Ф, Тарасов, C.B. Силков