Лекция 14. Физика и астрономия на рубеже 19 и 20 веков: атом и космос
Рассказ о физике в лекции 11 был завершен уравнениями Максвелла (1831-1879). Эти уравнения в их современной симметричной векторной форме были записаны немцем Генрихом Герцем (1857-1894). Максвелл экспериментально не обнаружил электромагнитных волн, свойства которых описывали его уравнения. Это сделал Герц в 1886 году. Герц установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Он рано умер от туберкулеза. Его именем названа единица частоты колебаний. Слова Герман Герц были первыми словами, которые в начале мая 1895 года передал Александр Степанович Попов (1859-1906) с помощью изобретенного им радиопередатчика.
Из уравнений Максвелла следовало, что скорость света в пустоте не зависит от скорости источника света во всех инерциальных системах. Это подтвердил в 1881 году практически опыт американского физика Альберта Майкельсона (1852-1931). Его вычисления скорости света в пустоте дали такой результат:229 792 458 км/сек (с точностью до 1,2 км/сек). Эти выводы не согласовывались с законами механики Ньютона. Потребовалось разработать новую теорию, выводы которой согласовывались бы с экспериментальными данными. Это было сделано в начале 20 века нескольких ученых, но наиболее полно это было сделано Альбертом Эйнштейном (1879-1955), и потому эту теорию именуют специальной теорией относительности Эйнштейна (кратко – СТО).
Эйнштейн родился в южно-германском городе Ульме, учился в гимназии в Мюнхене, но ее не закончил, уехал в 1894 году в Швейцарию и там, окончив в 1896 году школу в маленьком городке Аарау, поступил затем на педагогическое отделение Политехнического института в Цюрихе, который и окончил в 1900 году. Математику в Политехникуме читали друзья Гильберта – Гурвиц (1859-1919) и Минковский (1864-1909). Но ни их лекции не были интересны Эйнштейну, ни сам Эйнштейн не произвел на них никакого впечатления. Давая некоторое время частные уроки и став в 1901 году швейцарским гражданином, Эйнштейн с 1902 по 1909 год работал экспертом в патентном бюро в Берне. В 1903 году он женился на своей однокурснице сербке Милеве Марич. У них было двое сыновей. Развелись Альберт и Милева в 1919 году (а разошлись еще раньше).
Первая работа Эйнштейна по СТО (как и работа Пуанкаре) была опубликована в 1905 году и называлась похоже: «К электродинамике движущихся тел» (у Пуанкаре - «О динамике электрона»). В основе СТО лежат два постулата:
1. Любые физические явления протекают во всех инерциальных системах по одинаковым законам. 2. Относительно всякой инерциальной системы свет распространяется с одной и той же скоростью.
Из этих двух постулатов чисто математически следуют интересные и, часто, неожиданные выводы. Согласно СТО каждое событие относительно выбранной инерциальной системы определяется тремя пространственными координатами x, y, z и координатой времени t. Из двух постулатов СТО выводятся формулы, связывающие эти координаты в двух инерциальных системах. Оказывается, что это формулы, полученные ранее в 1886 году голландским физиком Хендриком Антоном Лоренцем (1853-1928) – преобразования Лоренца. В 1905 году Эйнштейн опубликовал еще одну работу, в которой, используя СТО, вывел знаменитую формулу Е=mc2.
Изложение СТО, данное Эйнштейном, было трудно для понимания. Минковский часто (самокритично) говорил своим студентам в Гёттингене: «Эйнштейн излагает свою глубокую теорию с математической точки зрения неуклюже – я имею право так говорить, поскольку свое математическое образование он получил в Цюрихе у меня». Преодолел эту «неуклюжесть» Минковский в своем докладе «Пространство и время» в Кёльне в 1908 году. Он дал простую и ясную математическую модель СТО. Свой доклад он начал так: «Воззрения на пространство и время, которое я хочу изложить перед вами, возникли на экспериментально-физической основе. В этом их сила. Они направлены к коренному перевороту в нашем отношении к пространству и времени. Отныне пространство и время, рассматриваемые отдельно и независимо, обращаются в тени и только их соединение сохраняет самостоятельность.» Математической моделью СТО стала четырехмерная псевдоеклидова геометрия Минковского, а соответствующая этой геометрии группа преобразований – это преобразования Лоренца. Факты, инвариантные относительно этой группы преобразований, образуют геометрию пространства-времени, геометрию мира. Она уже никак не зависит от системы отсчета, как не зависят от системы отсчета сами события и их отношения.
Минковский выразил это так: «Название постулат относительности слишком бледно выражает его истинное значение, вернее назвать его постулатом абсолютного мира».
Герман Минковский (1864 – 1909) вошел в историю науки и как создатель современной теории выпуклых тел, а также геометрической теории чисел. Он умер в расцвете сил и таланта после неудачной операции аппендицита.
После создания СТО Эйнштейн стал знаменит. В 1913 году его пригласили в Берлин, он стал членом Прусской АН, директором Физического института. Впервые теории гравитации Эйнштейн касается в 1907 году. В 1913 году появилась его работа (в соавторстве с Гроссманом) «Проект обобщенной теории относительности и теории тяготения». В 1915 году, опираясь на работы Эйнштейна, Гильберт вариационным методом выводит дифференциальные уравнения, связывающие пространственно-временные координаты и тензор гравитации. Эти уравнения именуют уравнениями Эйнштейна. В 1916 году Эйнштейн публикует основную работу «Основы общей теории относительности», в которой метрика пространства-времени определяется распределением в нем гравитационных масс. (Эту теорию кратко именуют ОТО). Астрономические наблюдения подтверждают эту теорию.
Различные решения уравнений Эйнштейна описывают различные космологические модели Вселенной. Сам Эйнштейн и голландец Виллем де Ситтер (1872-1934) нашли статические решения этих уравнений. Советский ученый Александр Александрович Фридман (1888-1925) в 1922-24 гг. нашел их нестатические решения, которые положили начало теории расширяющейся Вселенной. Эта теория была подтверждена в 1929 году наблюдениями американца Эдвина Хаббла (1889-1953).
В 1921 году Эйнштейну присудили Нобелевскую премию, но не за СТО и ОТО, а «за открытие закона фотоэффекта и за его работы в области теоретической физики». Денежную часть премии Эйнштейн отдал Милеве.
Немецкий фашизм вынудил Эйнштейна покинуть Германию. С 1933 года он стал профессором в Институте перспективных исследований в Принстоне в США. Эйнштейн был активным пацифистом, хотя им и была поставлена подпись под письмом к президенту Рузвельту, в котором физики США ставили вопрос о создании атомного оружия. У Эйнштейна фактически не было учеников и он не создал научной школы.
Механика Ньютона не отрицается СТО и ОТО, а получается (в приближении) из них для скоростей, малых по сравнению со скоростью света.
От макромира – космоса – перейдем к исследованиям микромира – атома. Радиоактивность и строение атома – вот две главные проблемы физики на рубеже 19 и 20 веков. В том же 1881 году, когда Майкельсон проводил свои опыты по определению скорости света, английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) (физики звали его Джи-джи, чтобы отличать от Вильяма Томсона – лорда Кельвина) в Кавендишской лаборатории открыл электрон. Д.Д.Томсон стал третьим директором Кавендишской лаборатории (с 1884 года). Вторым (после Максвелла) был лорд Джон Рэлей (1842-1919) (он открыл аргон в воздухе, объяснил, почему небо – голубое (исследовал рассеяние света), занимался акустикой) – Нобелевский лауреат по физике за 1904 год. В 1906 году Д.Д.Томсону была присуждена Нобелевская премия по физике.
В 1894 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923) открыл х-лучи (позднее названные рентгеновскими), а в 1896 году француз Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл естественную радиоактивность урановой соли.
Открытия Рентгена и Беккереля привлекли внимание супругов Кюри – француза Пьера Кюри (1959-1906) и его жены-полячке Марии Кюри-Склодовской (1867-1934), а также Эрнеста Резерфорда (1871-1937).
Супруги Кюри открыли в 1898 году два новых элемента – радий и полоний, исследовали радиоактивное излучение, они ввел термин радиоактивность. В 1903 году супруги Кюри вместе с Беккерелем стали Нобелевскими лауреатами по физике. Рентген получил Нобелевскую премию по физике в 1901 году. Мария Кюри-Склодовская в 1910 году получила металлический радий и за это была удостоена второй Нобелевской премии (по химии). Пьер погиб в 1906 году от несчастного случая. У супругов Кюри было две дочери. Младшая их дочь Ева стала писательницей. Старшая дочь Ирен (1897-1956) стала физиком и вместе со своим мужем Фредериком Жолио (1900-1958) открыла искусственную радиоактивность. Они стали Нобелевскими лауреатами в 1935 году. Семья Кюри богаче всех Нобелевскими лауреатами.
Резерфорд родился в Новой Зеландии. После окончания колледжа на родине он в 1895 году получил стипендию для обучения в Англии и начал работать в Кембридже, в Кавендишской лаборатории. В 1898 году Резерфорд уехал в Канаду и работал там в Монреале до 1907 года. В 1899 году Резерфорд открыл и лучи. За их открытие и исследование в 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии. С 1907 по 1919 Резерфорд работал в Манчестере и в этот период (в 1911 году) им была разработана планетарная модель атома. С 1919 года до своей смерти в 1937 году Резерфорд был директором Кавендишской лаборатории (после Д.Д.Томсона). У Резерфорда было много учеников (в том числе П.Л.Капица (1894-1984), который работал у Резерфорда с 1921 по 1934 год; Капица открыл в 1938 году сверхтекучесть жидкого гелия; Нобелевская премия за 1978 год).
На рубеже двух веков (в декабре 1900) произошло еще одна революционное открытие в физике. Непрерывное излучение электромагнитных волн согласно электродинамике Максвелла и классической теории вело к выводу, что нагретое тело должно охладиться до абсолютного нуля, чего на практике не происходит: нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение электромагнитных волн. Выход из этого противоречия нашел немецкий физик Макс Планк (1858-1947). Он предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами. При этом энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения: Е=h. Коэффициент пропорциональности h называется постоянной Планка. Формула Е=h - вторая простая и великая формула. Первая – Е=тс2. Нобелевскую премию по физике Планк получил в 1918 году. Планк был антифашистом. Его сына казнили в 1944 году за соучастие в заговоре против Гитлера. Главный научный институт в Германии сейчас назван именем Планка.
Квантовая планетарная теория атома была разработана в 1913 году датчанином Нильсом Бором (1885-1962). За эту теорию он получил Нобелевскую премию по физике в 1922 году. В основе теории лежат два постулата Бора:
Первый постулат: атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Еп; в стационарном состоянии атом не излучает.
Второй постулат: излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ек в стационарное состояние с меньшей энергией Еп. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.
С 1911 по 1916 год Бор работал в Англии сначала в Кембридже у Дж.Дж.Томсона, а затем в Манчестере у Резерфорда. В 1920 году Бор основал в Копенгагене Институт теоретической физики (на средства одного из датских пивоваров). Он воспитал в этом институте большую научную школу физиков. В 1943 году из оккупированной немцами Дании Бор бежал на яхте в Швецию, а оттуда был тайно вывезен на самолете сначала в Англию, а затем в США. В США во время войны он работал над созданием атомной бомбы, но в послевоенный период активно боролся против атомной угрозы.
Квантовая теория атома развивалась затем многими учеными:
французом Луи де Бройлем (1892-1987), который в 1924 году выступил с идеей о волновых свойствах материи (корпускулярно-волновой дуализм де Бройля); после того, как эти идеи были подтверждены экспериментально другими физиками, де Бройль в 1929 году получил Нобелевскую премию;
немцами Максом Борном (1882-1970) и учеником Бора Вернером Гейзенбергом (1901-1976), которые дали статистическое толкование квантовой механики (принцип неопределенности Гейзенберга); Нобелевскими лауреатами они стали в 1932 году (Гейзенберг) и в 1954 году (Борн); Эйнштейн не принимал вероятностный характер квантовой механики и писал Борну: «Я не думаю, что Бог играет в кости»;
австрийцами Эрвином Шрёдингером (1887-1971) – создателем волновой квантовой механики и Вольфгангом Паули (1900-1958), учеником Бора и Борна, создателем релятивистской квантовой электродинамики; Нобелевскими лауреатами Шрёдингер стал в 1933 году, а Паули в 1945 году;
англичанином Полем Дираком (1902-1984), заложившим основы квантовой электродинамики и квантовой теории гравитации; Нобелевскую премию получил в 1933 году вместе с Шрёдингером;
итальянцем Энрико Ферми (1901-1954); он вместе с Дираком разработал квантовую статистику; построил первый атомный реактор (в 1942 году в Сша) и осуществил в нем цепную атомную реакцию; участвовал в создании атомной бомбы в США; Нобелевская премия в 1938 году.
Искусственную радиоактивность открыли в 1934 году супруги Жолио-Кюри: Фредерик (1900-1958) и Ирен (1897-1956). В 1935 году за это открытие они стали Нобелевскими лауреатами. Фредерик Жолио-Кюри сочетал активную научную работу с общественной деятельностью.
История науки в 20 веке уже прослеживается Нобелевскими премиями (кроме математики – у нее своя история).