Современная физика создавалась усилиями большого сообщества исследователей из многих стран. Если кого-то из них и следует выделить, то прежде всего Эйнштейна.
Жизнь. Альберт Эйнштейн (Albert Einstein, 1879–1955) родился в еврейской семье в Германии. После пребывания в Швейцарии он стал в 1914 г. профессором и руководителем института физики кайзера Вильгельма в Берлине, где работал до 1932 г., когда уехал из Германии в связи с приходом к власти нацистов. (Он обосновался в Принстонском университете в США.) В 1905 г Эйнштейн создал так называемую специальную теорию относительности, в 1916 г. — общую теорию относительности, а в 1921 г. получил Нобелевскую премию по физике (но не за работы по теории относительности, а по квантовой механике).
Эйнштейн был пацифистом и критически относился к Германии времен первой мировой войны. Был сторонником индивидуальной свободы и мирного международного сотрудничества (Лиги Наций). Очень рано понял, что нацизм представляет главную угрозу человечеству и должен быть остановлен даже путем использования ядерного оружия. На раннем этапе второй мировой войны он пришел к выводу, что физика в состоянии создать атомное оружие, и обратился к президенту США Франклину Рузвельту (Franklin Delano Roosevelt, 1882–1945) с предложением начать разработку такого оружия. Сам Эйнштейн не участвовал в создании атомной бомбы. После войны он выступал против совершенствования и испытаний ядерного оружия и предпринимал усилия для объединения других физиков-атомщиков в борьбе против ядерного вооружения.
Эйнштейн помог основать Еврейский университет в Иерусалиме, но отказался переехать туда, а в 1952 г. отверг предложение стать президентом Израиля. Эйнштейн с его еврейским воспитанием был религиозным человеком, однако не верил в персонифицированного Бога. Для Эйнштейна божественное заключалось в законах физики (параллель со Спинозой?). На протяжении всей творческой жизни он проявлял интерес к философским аспектам физики.
Эйнштейновские теории относительности предлагают новую интерпретацию понятий пространства и времени.
Специальная теория относительности начинает с равномерного движения по прямой линии и объясняет, почему наблюдатели, которые движутся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, придут к одним и тем же инвариантным формулировкам физических законов. Общая теория относительности начинает с ускоренного движения и описывает тяготение как свойство четырехмерного «пространства-времени».
Результаты наших измерений зависят от наших измерительных устройств. Так, если мы измеряем с помощью резиновой ленты, то результат будет зависеть от того, как сильно мы ее растянули. Но даже железный стержень несколько изменит свою длину с изменением температуры.
Эйнштейн оперировал понятиями типа «сокращение длины» и «замедление времени». Так, когда стержень измеряется наблюдателем, перемещающимся относительно стержня, то его измеренная длина будет меньше по сравнению с той, которую получит наблюдатель, находящийся в покое относительно стержня. Интервал времени между двумя событиями будет меньше, когда он измеряется наблюдателем, покоящимся относительно этих событий, чем когда измерения проводятся наблюдателем, движущимся относительно этих событий. Другими словами, при измерении из движущейся системы отсчета длина стержня оказывается короче, а интервал между событиями оказывается больше, чем в покоящейся относительно их системе! Эти следствия специальной теории относительности были экспериментально подтверждены следующим образом. Было обнаружено, что нестабильные элементарные частицы имеют большее время полураспада, когда они находятся в движении (скорость которого близка скорости света), чем когда они покоятся относительно Земли. Такой эффект очень мал при медленной скорости, но становится существенным, когда скорость движения частицы приближается к скорости света. Более того, согласно специальной теории относительности, не имеет места классический закон сложения скоростей. Если человек перемещается в вагоне по движению поезда со скоростью в 10 км/час (v), а сам поезд движется 90 км/час (и), то, согласно классической физике, скорость человека относительно земли должна быть равна (10 + 90) км/час (v + u). Но согласно специальной теории относительности, скорость человека относительно земли будет равна
v+u/1+v+u/c2 или 10+90/1+10+90/с2
Здесь с = 300 000 км/час — скорость света. Этот результат противоречит классической физике, в которой скорость является аддитивной физической величиной.
Даже бесконечное увеличение приложенной к телу силы не сможет заставить его превзойти скорость света, которая является максимально возможной в природе, то есть физической константой. Однако масса тела не является постоянной и при изменении его скорости изменяется согласно формуле: m = m0 * у.
Здесь m0 — масса покоя и у (гамма) равна: у = 1 / (1 — v2/c2) в 1/2 степени
При приближении скорости тела к с (скорости света) значение массы стремится к бесконечности. Физически это означает, что ни одно тело не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. (Когда скорость тела v приближается к скорости света с, то (1 — v2/c2) устремляется к нулю. Гамма является дробью, числитель которой равен 1, а знаменатель является корнем из числа, стремящегося к нулю. Поэтому гамма (у) и, таким образом, масса (от) устремляются к бесконечности, когда v приближается к с.)
Это опять говорит о том, что скорость света не может быть превзойдена. Некоторые философы (Hans Blumenberg) усмотрели в этом факте фундаментальное ограничение человеческого познания. Мы никогда не будем способны проверить наши гипотезы относительно вселенной, так как ее пространственные параметры настолько огромны, что потребуются миллиарды световых лет прежде, чем «мы» получим ответ. Но к этому времени нас давно уже не будет, и ответ потеряет для «нас» всякое значение! Мы останемся, следовательно, всегда в неведении относительно вопросов о крупномасштабной структуре вселенной.
Эйнштейн также установил, что масса связана с энергией следующей формулой:
E = mc2
Световые волны обладают энергией и, как следует из этой формулы, массой движения. Благодаря этой массе они притягиваются к другим центрам масс, и траектории их движения искривляются. Если прямую линию определить как траекторию движения светового луча, то в пространстве, где есть центры масс, между любыми двумя его точками можно провести более чем одну прямые линии. Это «искривленное» пространство описывается с помощью неевклидовой геометрии.
Общая теория относительности утверждает, что скорость массивного тела, на которое воздействуют гравитационные силы, может быть понята как геометрическое свойство пространственно-временного-континуума. При этом не существует способа отличить ситуацию равномерного ускорения тела от ситуации его движения в гравитационном поле. Общая теория относительности предсказывает ряд наблюдаемых эффектов и их величину. Наиболее известный из них связан с измерением отклонения исходящего от звезды луча света при его прохождении рядом с поверхностью Солнца во время солнечного затмения (1919 г.). Ряд других успешных подтверждений общей теории относительности был получен в 60-х гг. XX столетия.
Современная физика требует интеграции теоретических и экспериментальных исследований. Сегодня для проведения экспериментов необходимо сооружение гигантских установок, подобных ускорителю элементарных частиц в ЦЕРНе, центре европейских ядерных исследований, где трудятся многотысячные коллективы ученых, инженеров, техников и рабочих. Их строительство и содержание требует многомиллионных затрат. Тем самым технология, экономика и управление превращаются в интегрированные факторы научного исследования. Междисциплинарное сотрудничество и политика управления исследованиями (research-political management) становятся необходимыми и порождают много дополнительных проблем.
Сегодня физика является существенной частью современного общества, которое все в большей степени пронизывается научными концепциями, наукоемкими изделиями и решениями. Никогда прежде человечество не знало и не умело так много, как в наши дни. В то же время мы живем под страхом неисчислимых угроз, порождаемых возможностью военной катастрофы и экологических кризисов, материальной несправедливостью и распадом общественных институтов. Как мы можем теоретически и практически улучшить наше понимание этой ситуации?
