2005 - год физика

Гладун Анатолий Диомидович - Доктор физико-математических наук, зав. кафедрой общей физики МФТИ.

Год Эйнштейна

В мои студенческие годы в Москву приезжал крупнейший физик-теоретик XX в. Поль Андриен Морис Дирак (1902 - 1984). Я был почти на всех его лекциях. После одной из них в аудитории Московского государственного университета на доске осталась меловая надпись: «Physical laws should have mathematical beauty»(«Физические законы должны обладать математической красотой»). С тех пор я не раз убеждался в том, что неотъемлемой частью настоящей физической или математической теории является её красота. Великие физические эксперименты также необычайно красивы. Говорят, что нашему замечательному авиаконструктору А. Н. Туполеву принадлежат слова: «Летать может только красивый самолёт». В данной статье я хочу поделиться с читателем своим восхищением красотой некоторых жемчужин человеческой мысли, принадлежащих, в основном, Альберту Эйнштейну (1879 - 1955). В этом году исполняется 100 лет его знаменитым статьям, оказавшим решающее влияние на развитие современной физики. В 1905 г. А. Эйнштейн опубликовал шесть статей.

1. «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». Эта работа послужила началом квантовой теории излучения. В ней сформулирован закон Эйнштейна для фотоэффекта. Статья поступила в редакцию журнала «Аnnalen der Physik) 18 марта. Она принесла автору Нобелевскую премию за 1921 г. (присуждена 9 ноября 1922 г.). Статья была написана раньше докторской диссертации. Заметим, что 14 марта 1905 г. Эйнштейну исполнилось 26 лет. Поражает свобода мысли и фантастическая физическая интуиция Эйнштейна. Ведь шёл лишь 1905 год. Ещё не было планетарной модели атома Э. Резерфорда, корпускулярно-волновой гипотезы Л. де Бройля, квантовой механики В. Гейзенберга, Э. Шредингера и П. Дирака. Существовала лишь странная гипотеза М. Планка о кванте энергии $hv$ , которая вызывала ожесточённое сопротивление физиков. Сам Планк старался заменить её чем-нибудь более приемлемым. В конце своей жизни Эйнштейн писал: «Каждый физик думает, что он знает, что такое фотон. Я потратил всю жизнь, чтобы узнать, что такое фотон, и до сих пор этого не знаю».
2. «Новое определение размеров молекул», поступила в редакцию 30 апреля. Это – докторская диссертация Эйнштейна, которую он защитил в Цюрихском университете. Диссертация имеет посвящение «Моему другу доктору М. Гроссману». Эту работу в современной литературе цитируют чаще всего.
3. «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты», поступила в редакцию «Annalen der Physik» 11 мая. Статья является прямым продолжением его докторской диссертационной работы. В ней речь идёт о броуновском движении. Эйнштейновская теория броуновского движения оказалась решающей в обосновании атомистической теории строения вещества, так как подтверждалась блестящими экспериментами Ж. Перрена (Perrin). Эта теория, однако, опровергалась не менее блестящими опытами В. Анри (Henri). В чём дело? Почему подтверждение Перрена оказалось более важным, чем опровержение Анри? Потому что любая теория, прежде чем подвергнуться эмпирической проверке, проходит целый комплекс неэмпирических испытаний. Теория должна быть логически непротиворечивой, совместимой с другими, ранее принятыми теориями, соответствовать общепринятой философии науки – быть простой, красивой и т. д. Эйнштейновская теория броуновского движения была принята, в частности, потому что она объясняла броуновское движение, согласовалась с кинетической теорией газов и химическими представлениями об атомах. А что же опыты Анри? Как выяснилось впоследствии, они были просто неправильно истолкованы.
4. «К электродинамике движущихся тел». Это первая статья по специальной теории относительности. Получена тем же журналом 30 июня.
5. «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нём энергии?». Это – вторая статья по специальной теории относительности. Она содержит соотношения $E=mc^2$ . Получена редакцией того же журнала 27 сентября. Специальная теория относительности – это теория пространства и времени. Она лежит в основе современной физики. Что составляет её суть с современной точки зрения? Основная идея специальной теории относительности содержится в следующем утверждении: физические процессы протекают в четырёхмерном пространстве, геометрия которого псевдоевклидова. Принцип относительности есть частное проявление этого фундаментального постулата. Расстояние между двумя точками в трёхмерном пространстве и время между двумя событиями не являются при этом абсолютными, как в механике Ньютона. Абсолютен интервал, $\[ dS^2 = c^2 dt^2 - dx^2 - dy^2 - dz^2\],$ который может быть положительным, отрицательным или равным нулю. Любые преобразования координат не могут нарушить этот абсолютизм.
6. «К теории броуновского движения». Это вторая статья о броуновском движении. Получена тем же журналом 19 декабря. Опубликована она уже в следующем, 1906 г.

Альберт Эйнштейн (1879-1955)

Альберт Эйнштейн родился в Ульме в Германии. Его отец был инженером-химиком. Семнадцати лет Эйнштейн поступил в Федеральное высшее политехническое училище в Цюрихе, где одним из профессоров был Минковский, а в 1900 г. окончил по педагогическому отделению. Благодаря своему другу юности математику Гроссману Эйнштейн стал тогда младшим экспертом Бюро по охране интеллектуальной собственности – Патентного бюро в Берне. В 1901 г. были опубликованы его первые работы по теоретической физике. Удивительным был 1905 г., когда вышли три замечательные работы Эйнштейна: по квантовой теории фотоэффекта, о броуновском движении и, наконец, по электродинамике движущихся тел, приведшей к созданию специальной теории относительности. В 1909 г. Эйнштейн стал профессором университета в Берне, затем один год работал в немецком университете в Праге и в 1912 г. стал профессором Политехникума в Цюрихе. В 1913 г. по представлению М. Планка Эйнштейн был избран в Прусскую академию наук, после чего переехал в Берлин. В последующие годы появились его основополагающие работы по общей теории относительности. В 1924 г. Эйнштейн опубликовал исследование по квантовой теории излучения. Зимой 1932 г. Эйнштейн поехал в США читать лекции. Через год на его родине к власти пришел Гитлер. Вскоре Эйнштейна исключают из Прусской академии, и он отказывается от германского подданства. Эйнштейн стал сотрудником Института перспективных исследований в Принстоне. Заключительный период его жиз-ни был посвящен поискам единой теории поля, теории, которая должна была объединить тяготение и электродинамику; однако эти работы к успеху не привели. Эйнштейн умер в Принстоне. Он не создал школы, немногие его ученики не оставили глубокого следа в науке; но его одинокий и независимый гений дал нам новое понима-ние основных понятий физики: времени и пространства, энергии и массы, инерции и тяго-тения. Велико было значение его работ по созданию основных представлений квантовой теории: Нобелевскую премию 1921 года Эйнштейн получил за теорию фотоэффекта.

Причины образования извилин в руслах рек и так называемый закон Бэра¹

Общеизвестно, что русла рек имеют тенденцию приобретать извилистую форму, вместо того чтобы следовать линии максимального уклона местности. Географам также хорошо известно, что реки северного полушария размывают главным образом правый берег. Реки южного полушария ведут себя противоположным образом (закон Бэра). Предпринималось много попыток для объяснения этого явления, и я не уверен, будет ли для знатоков новым то, что я скажу ниже; некоторая часть моих соображений, несомненно, является уже известной. Тем не менее, не найдя никого, кто бы до конца был знаком с причинами обсуждаемых эффектов, я считаю уместным дать здесь их краткое качественное описание. Прежде всего ясно, что эрозия должна быть тем сильнее, чем больше скорость потока там, где он касается рассматриваемого берега; точнее, эрозия должна быть сильнее в том месте ограничивающей стенки, где скорость потока наиболее быстро падает до нуля. Это является правильным при всех обстоятельствах, независимо от того, обусловлена ли эрозия механическими или физико-химическими факторами (разложение почвы). Поэтому нам следует сконцентрировать свое внимание на обстоятельствах, которые влияют на величину градиента скорости у стенки. В обоих случаях асимметрия обсуждаемого падения скорости косвенно обусловлена образованием циркуляции, на которой мы и сосредоточим наше внимание. Я начну с небольшого эксперимента, который каждый может легко повторить. Представим себе чашку с плоским дном, полную чая. Пусть на дне её имеется несколько чаинок, которые остаются там, так как оказываются тяжелее вытесняемой ими жидкости. Если с помощью ложки привести во вращение жидкость в чашке, то чаинки быстро соберутся в центре дна чашки. Объяснение этого явления заключается в следующем. Вращение жидкости приводит к появлению центробежных сил. Эти силы сами по себе не могли бы привести к изменению потока жидкости, если бы последняя вращалась как твердое тело. Но слои жидкости, находящиеся по соседству со стенками чашки, задерживаются благодаря трению, так что угловая скорость, с которой они вращаются, оказывается меньше, чем в других местах, более близких к центру. В частности, угловая скорость вращения, а следовательно, и центробежная сила будут вблизи дна меньше, чем вдали от него. Результатом этого явится круговое движение жидкости, подобное изображенному на рис. 1, которое возрастает до тех пор, пока под влиянием трения не станет стационарным. Чаинки сносятся в центр круговым движением, чем и доказывают его существование.

Русский перевод статьи был опубликован в журнале «Успехи физических наук», 1956, 59, 185. Немецкий текст статьи был напечатан также в сб. «Mem Weltbild» (1934). Английский перевод был опубликован в сб. «The World as I see it» и «Ideas and Opinions».

Сноски

¹ Die Ursache der Maanderbildung der Flusslaufe und des sogenannten Baerschen Gesetzes. Naturwiss., 1926, 14, 223—224. (Доложено на собрании Прусской Академии 7 января 1926 г. — Ред.)