Знаменательный год в биографии Эйнштейна

В 1905 году 26-летний служащий патентного бюро по имени Альберт Эйнштейн опубликовал четыре научные статьи, которые изменили наши представления о Вселенной — от ее мельчайших частиц до огромных галактик. Под влиянием идей, изложенных в этих статьях, в минувшем веке был сделан ряд крупных изобретений, изменивших нашу жизнь.

«Едва ли в современной физике можно найти фундаментальные идеи, которые, по крайней мере частично, не коренились бы в работах Эйнштейна»,— сказал лауреат Нобелевской премии по физике Изидор Раби. Но какие именно открытия сделал Эйнштейн сто лет назад?

Что такое свет

В марте 1905 года вышла статья Эйнштейна, в которой он глубже раскрыл природу света. Ученые к тому времени уже доказали, что свет распространяется подобно волнам на поверхности воды. Однако в рамках волновой теории не удавалось объяснить одну из особенностей физического явления, называемого фотоэффектом. Дело в том, что яркий красный свет, падая на пластину из определенного металла, не вызывает электрического тока, тогда как слабый синий свет вызывает. Эту особенность и объяснил Эйнштейн.

Согласно гипотезе Эйнштейна, при определенных условиях можно считать, что свет состоит из маленьких порций энергии — квантов. Кванты с разной энергией нами воспринимаются как свет разного цвета. Если кванты света (позже названные фотонами) имеют достаточную энергию, они могут выбивать электроны из атомов некоторых металлов. Фотоны красного света слишком слабые, чтобы справиться с этой задачей. В ходе взаимодействия света с веществом возникает электрический ток. На теории фотоэффекта, разработанной Эйнштейном, основаны такие технические новшества, как передающие трубки телекамер, солнечные батареи и фотоэкспонометры.

За вклад в понимание природы света Эйнштейну в 1921 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Его статья способствовала появлению нового раздела науки — квантовой теории, которая в свою очередь нашла применение в разных областях, например: в ядерной физике, электронике и нанотехнологии.

«Танец пыльцы»

В том же 1905 году Эйнштейн обратил свое внимание на атомы и молекулы. Он дал теоретическое обоснование тому, каким образом они действуют на мельчайшие частицы пыльцы, взвешенные в воде. Еще в 1827 году ботаник Роберт Броун, исследуя пыльцу растений под микроскопом, заметил, что ее частицы, погруженные в воду, беспорядочно движутся. Хотя он открыл этот «танец пыльцы», получивший название броуновского движения, понять его причины он не смог.

В статье, напечатанной в мае 1905 года, Эйнштейн объяснил, как колеблющиеся молекулы воды вызывают броуновское движение. Он не только вычислил размеры этих молекул, но и предсказал некоторые характеристики их атомов. Другие ученые продолжили работать в этом направлении, и существование атомов стало неоспоримым фактом. Идея, что материя состоит из атомов, лежит в основе современной физики.

Время относительно

До Эйнштейна ученые, в частности Исаак Ньютон, считали, что время в любой точке пространства течет одинаково. Специальная (или частная) теория относительности, опубликованная Эйнштейном в июне 1905 года, шла вразрез с этим, на первый взгляд очевидным, фактом. Хотя сегодня теория Эйнштейна общепризнанна, ее следствия могут показаться странными.

Например, вы с другом точно сверили часы. Затем ваш друг облетает вокруг света, а вы все это время остаетесь дома. Когда он возвращается, его часы чуть-чуть отстают от ваших. С вашей точки зрения, время для вашего друга-путешественника текло медленнее. Конечно, при обычных, земных скоростях разница в показаниях часов будет бесконечно малой. Однако по мере приближения к скорости света можно заметить не только замедление времени, но и сокращение размеров тел, а также увеличение их массы. Согласно теории Эйнштейна, одинаковым в любой точке пространства является не течение времени, а скорость света.

Уравнение, изменившее мир

В сентябре 1905 года Эйнштейн опубликовал еще одну статью, которую считают математическим приложением к его специальной теории относительности. В нее вошло уравнение, ставшее символом его вклада в науку: E=mc². Согласно этому уравнению, энергия, высвобождаемая при делении атома, равна потере массы, умноженной на квадрат скорости света.

Благодаря труду таких ученых, как Эйнштейн, человечество многое узнало об устройстве Вселенной. Тем не менее мы знаем еще так мало. Трудно не согласиться с Иовом, жившим в древности, который, говоря о делах Творца, смиренно признал: «Вот, это только края путей Его, и мы только некоторый шепот слова Его слыхали» (Иов 26:14, ПАМ).

[Схема/Иллюстрации, страница 20]

(Смотрите в публикации)

Свет можно рассматривать и как поток волн, и как поток частиц. Понимание этого позволило разработать калькуляторы на солнечных батареях и светочувствительные элементы для цифровых фотоаппаратов

[Схема/Иллюстрации, страница 21]

(Смотрите в публикации)

Беспорядочное движение броуновских частиц стало подтверждением существования атомов

[Схема/Иллюстрации, страница 21]

(Полное оформление текста смотрите в публикации)

E Энергия

= равна

m массе,

c² умноженной на скорость света в квадрате.

c² означает c умножить на c, или 299 792 километра в секунду умножить на 299 792 километра в секунду.

Поскольку c² невероятно огромно (89 875 000 000 км₂/сек²), небольшое количество материи можно превратить в громадное количество энергии. При делении атома урана образуется два атома меньшего размера, одновременно теряется около 0,1 процента массы. Такая незначительная потеря массы приводит к огромному выбросу энергии.

Высвобождается энергия

Если всего 1 килограмм любого вещества полностью превратить в энергию, то полученной энергии будет достаточно, чтобы...

◼ выработать 25 миллиардов киловатт-часов электроэнергии

◼ автомобиль 400 000 раз объехал вокруг Земли

◼ самый крупный танкер 900 раз совершил кругосветное путешествие

◼ два дня снабжать электроэнергией такую страну, как Соединенные Штаты.

Верно и обратное: чтобы «материализовать» всего один атом, необходима гигантская энергия.

[Иллюстрации, страница 21]

Чем быстрее вы движетесь, тем медленнее течет время

[Иллюстрация, страница 21]

Ход часов на борту спутников глобальной системы местоопределения (GPS) отличается от хода часов на Земле. Если не учитывать поправку на относительность времени, сигналы GPS будут бесполезными

[Сведения об иллюстрациях, страница 20]

Einstein: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; background: CERN photo, Geneva