Как Алберт Айнщайн се бори за европейски мир и теоретична физика

2024 Автор: Malcolm Clapton | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 03:47

За това как науката беше тясно преплетена с политиката.

В самото начало на ХХ век във физиката са направени колосални открития, редица от които принадлежат на Алберт Айнщайн, създателят на общата теория на относителността.

Учените бяха на прага на напълно нов поглед към Вселената, което им изискваше интелектуална смелост, желание да се потопят в теорията и умения за работа със сложен математически апарат. Предизвикателството не беше прието от всички и, както понякога се случва, научните спорове бяха насложени върху политическите различия, причинени първо от Първата световна война, а след това от идването на Хитлер на власт в Германия. Айнщайн също беше ключова фигура, около която се чупеха копия.

Айнщайн срещу всички

Избухването на Първата световна война е съпроводено с патриотичен подем сред населението на участващите държави, включително учени.

В Германия през 1914 г. 93 учени и културни дейци, включително Макс Планк, Фриц Хабер и Вилхелм Рентген, публикуват манифест, изразяващ пълната си подкрепа за държавата и войната, която тя води: „Ние, представители на германската наука и изкуство, протестираме пред целият културен свят срещу лъжите и клеветите, с които нашите врагове се опитват да замърсят справедливата кауза на Германия в наложената й тежка борба за съществуване. Без германския милитаризъм немската култура би била унищожена отдавна в самото си начало. Германският милитаризъм е продукт на немската култура и е роден в страна, която, като никоя друга страна в света, е била подложена на хищнически набези от векове."

Въпреки това имаше един немски учен, който се изказа остро против подобни идеи. Алберт Айнщайн публикува манифест за отговор „Към европейците“през 1915 г.: „Никога преди войната не е нарушавала толкова взаимодействието на културите. Дълг на европейците, образовани и с добра воля, е да не оставят Европа да се поддаде. Този призив обаче, освен самия Айнщайн, е подписан само от трима души.

Айнщайн стана немски учен съвсем наскоро, въпреки че е роден в Германия. Завършва училище и университет в Швейцария, а след това близо десет години различни университети в Европа отказват да го наемат. Това отчасти се дължи на начина, по който Айнщайн подходи към искането за разглеждане на неговата кандидатура.

И така, в писмо до Пол Друде, създателят на електронната теория на металите, той първо посочи две грешки, съдържащи се в неговата теория, и едва след това поиска да бъде нает.

В резултат на това Айнщайн трябваше да намери работа в швейцарското патентно ведомство в Берн и едва в самия край на 1909 г. успя да получи позиция в университета в Цюрих. И вече през 1913 г. самият Макс Планк, заедно с бъдещия Нобелов лауреат по химия Валтер Нернст, лично идва в Цюрих, за да убеди Айнщайн да приеме германско гражданство, да се премести в Берлин и да стане член на Пруската академия на науките и директор на института на физиката.

Айнщайн намира работата си в патентното ведомство за удивително продуктивна от научна гледна точка. „Когато някой минаваше оттам, поставях бележките си в едно чекмедже и се преструвах, че извършвам патентна работа“, спомня си той. 1905 година влезе в историята на науката като annus mirabilis, „годината на чудесата“.

Тази година списание Annalen der Physik публикува четири статии на Айнщайн, в които той успя теоретично да опише Брауновското движение, да обясни, използвайки планковската идея за светлинните кванти, фотоефекта или ефекта на електроните, избягали от метал, когато той е облъчен със светлина (именно в такъв експеримент JJ Thomson открива електрона) и има решаващ принос за създаването на специалната теория на относителността.

Удивително съвпадение: теорията на относителността се появи почти едновременно с теорията на квантите и също толкова неочаквано и безвъзвратно промени основите на физиката.

През 19 век вълновата природа на светлината е твърдо установена и учените се интересуват как е подредено веществото, в което се разпространяват тези вълни.

Въпреки факта, че никой все още не е наблюдавал етера (това е името на това вещество) директно, съмнения, че той съществува и прониква в цялата Вселена, не се появиха: беше ясно, че вълната трябва да се разпространява в някакъв вид еластична среда, по аналогия с кръгове от камък, хвърлен върху водата: водната повърхност в точката на падане на камъка започва да се трепти и тъй като е еластична, трептенията се предават към съседни точки, от тях към съседните и т.н. На. След откриването на атоми и електрони, съществуването на физически обекти, които не могат да се видят със съществуващите инструменти, също не изненада никого.

Един от простите въпроси, на които класическата физика не можеше да намери отговор, беше следният: унася ли етерът от тела, движещи се в него? До края на 19-ти век някои експерименти убедително показват, че етерът е изцяло отнесен от движещи се тела, докато други, и не по-малко убедително, че е отнесен само частично.

Кръговете върху водата са един пример за вълна в еластична среда. Ако движещото се тяло не носи етера, тогава скоростта на светлината спрямо тялото ще бъде сумата от скоростта на светлината спрямо етера и скоростта на самото тяло. Ако напълно увлече етера (както се случва при движение във вискозна течност), тогава скоростта на светлината спрямо тялото ще бъде равна на скоростта на светлината спрямо етера и няма да зависи по никакъв начин от скоростта на самото тяло.

Френският физик Луи Физо показа през 1851 г., че етерът е частично отнесен от движещия се воден поток. В поредица от експерименти от 1880-1887 г. американците Алберт Майкълсън и Едуард Морли, от една страна, потвърждават заключението на Физо с по-висока точност, а от друга установяват, че Земята, въртяща се около Слънцето, напълно увлича етерът с него, тоест скоростта на светлината на Земята не зависи от това как се движи.

За да определят как Земята се движи спрямо етера, Майкълсън и Морли конструират специален инструмент, интерферометър (вижте диаграмата по-долу). Светлината от източника пада върху полупрозрачната плоча, откъдето се отразява частично в огледалото 1 и частично преминава към огледалото 2 (огледалата са на същото разстояние от плочата). Отразените от огледалата лъчи след това отново падат върху полупрозрачната плоча и от нея заедно достигат до детектора, върху който възниква интерференционна картина.

Ако Земята се движи спрямо етера, например в посока на огледало 2, тогава скоростта на светлината в хоризонтална и вертикална посока няма да съвпада, което трябва да доведе до фазово изместване на вълните, отразени от различни огледала на детектор (например, както е показано на диаграмата, долу вдясно). В действителност не се наблюдава изместване (виж долу вляво).

Айнщайн срещу Нютон

В опитите си да разберат движението на етера и разпространението на светлината в него, Лоренц и френският математик Анри Поанкаре трябваше да приемат, че размерите на движещите се тела се променят в сравнение с размерите на неподвижните и освен това времето за движещите се тела протичат по-бавно. Трудно е да си представим - и Лоренц третира тези предположения повече като математически трик, отколкото като физически ефект - но те позволяват съвместяването на механиката, електромагнитната теория на светлината и експерименталните данни.

Айнщайн в две статии от 1905 г. успява, въз основа на тези интуитивни съображения, да създаде последователна теория, в която всички тези удивителни ефекти са следствие от два постулата:

• скоростта на светлината е постоянна и не зависи от това как се движат източникът и приемникът (и е равна на около 300 000 километра в секунда);
• за всяка физическа система физическите закони действат по същия начин, независимо дали се движи без ускорение (с всякаква скорост) или е в покой.

И той изведе най-известната физическа формула - E = mc²! Освен това, поради първия постулат, движението на етера престана да има значение и Айнщайн просто го изостави - светлината може да се разпространява в празнота.

По-специално ефектът на забавяне на времето води до известния „парадокс на близнаците“. Ако единият от двамата близнаци, Иван, отиде на космически кораб към звездите, а вторият, Петър, остане да го чака на Земята, то след завръщането му ще се окаже, че Иван е остарял по-малко от Петър от време на време. неговият бързо движещ се космически кораб се движеше по-бавно, отколкото на Земята.

Този ефект, както и други разлики между теорията на относителността и обикновената механика, се проявява само при огромна скорост на движение, сравнима със скоростта на светлината, и затова никога не го срещаме в ежедневието. За обичайните скорости, с които се срещаме на Земята, частта v / c (припомнете си, c = 300 000 километра в секунда) е много малко по-различна от нулата и се връщаме в познатия и уютен свят на училищната механика.

Независимо от това, ефектите от теорията на относителността трябва да се вземат предвид, например, при синхронизиране на часовници на GPS сателити с наземни такива за точна работа на системата за позициониране. Освен това ефектът от забавянето на времето се проявява при изследване на елементарните частици. Много от тях са нестабилни и се превръщат в други за много кратко време. Те обаче обикновено се движат бързо и поради това времето преди трансформацията им от гледна точка на наблюдателя се разтяга, което прави възможно регистрирането и изследването им.

Специалната теория на относителността възниква от необходимостта да се съгласува електромагнитната теория на светлината с механиката на бързо (и с постоянна скорост) движещи се тела. След като се премества в Германия, Айнщайн завършва общата си теория на относителността (GTR), където добавя гравитацията към електромагнитните и механичните явления. Оказа се, че гравитационното поле може да се опише като деформация от масивно тяло от пространство и време.

Едно от последствията от общата теория на относителността е кривината на траекторията на лъча, когато светлината преминава близо до голяма маса. Първият опит за експериментална проверка на общата теория на относителността трябва да се извърши през лятото на 1914 г. при наблюдение на слънчево затъмнение в Крим. Въпреки това, екип от германски астрономи е интерниран във връзка с избухването на войната. Това в известен смисъл спаси репутацията на общата теория на относителността, тъй като в този момент теорията съдържаше грешки и дава неправилна прогноза за ъгъла на отклонение на лъча.

През 1919 г. английският физик Артър Единингтън, когато наблюдава слънчево затъмнение на остров Принсипи край западния бряг на Африка, успява да потвърди, че светлината на звезда (тя стана видима поради факта, че Слънцето не я затъмни), минавайки покрай Слънцето, се отклонява точно под същия ъгъл, както е предвидено в уравненията на Айнщайн.

Откритието на Едингтън направи Айнщайн суперзвезда.

На 7 ноември 1919 г., в разгара на Парижката мирна конференция, когато цялото внимание изглежда е фокусирано върху това как ще съществува светът след Първата световна война, лондонският вестник The Times публикува редакционна статия: „Революция в науката: Нова теория на Вселената, идеите на Нютон са победени."

Репортерите преследваха Айнщайн навсякъде, тормозеха го с молби да обясни накратко теорията на относителността, а залите, в които изнасяше публични лекции, бяха препълнени (в същото време, съдейки по рецензиите на съвременниците му, Айнщайн не беше много добър лектор; публиката не разбра същността на лекцията, но все пак дойде да види знаменитостта).

През 1921 г. Айнщайн, заедно с английския биохимик и бъдещ президент на Израел Хаим Вайцман, отиват на обиколка с лекции в Съединените щати, за да съберат средства за подкрепа на еврейските селища в Палестина. Според The New York Times „Всяко място в Метрополитън опера беше заето, от оркестровата яма до последния ред на галерията, стотици хора стояха по пътеките“. Кореспондентът на вестника подчертава: „Айнщайн говореше немски, но нетърпелив да види и чуе човек, който допълни научната концепция за Вселената с нова теория за пространството, времето и движението, зае всички места в залата“.

Въпреки успеха сред широката публика, теорията на относителността беше приета с големи трудности в научната общност.

От 1910 до 1921 г. прогресивно мислещи колеги номинираха Айнщайн за Нобелова награда по физика десет пъти, но консервативният Нобелов комитет отказваше всеки път, позовавайки се на факта, че теорията на относителността все още не е получила достатъчно експериментално потвърждение.

След експедицията на Едингтън това започва да се чувства все по-скандално и през 1921 г., все още неубедени, членовете на комитета вземат елегантно решение - да присъдят награда на Айнщайн, без изобщо да споменават теорията на относителността, а именно: „За услуги на теоретичната физика и особено за откриването му на закона за фотоелектричния ефект”.

Арийската физика срещу Айнщайн

Популярността на Айнщайн на Запад предизвика болезнена реакция от страна на колегите в Германия, които се оказаха практически изолирани след войнстващия манифест от 1914 г. и поражението в Първата световна война. През 1921 г. Айнщайн е единственият немски учен, който получава покана за Световния конгрес по физика на Солвей в Брюксел (която той обаче пренебрегва в полза на пътуване до Съединените щати с Вайцман).

В същото време, въпреки идеологическите различия, Айнщайн успява да поддържа приятелски отношения с повечето си колеги-патриоти. Но от крайно дясното крило на студенти и академици Айнщайн си е спечелил репутацията на предател, който отклонява германската наука.

Един от представителите на това крило беше Филип Леонард. Въпреки факта, че през 1905 г. Ленард получава Нобелова награда по физика за експериментално изследване на електрони, произведени от фотоелектричния ефект, той страда през цялото време поради факта, че приносът му към науката не е достатъчно признат.

Първо, през 1893 г. той заема разрядна тръба от собственото си производство на Рентген, а през 1895 г. Рентген открива, че разрядните тръби излъчват лъчи, които все още са неизвестни на науката. Ленард вярваше, че откритието поне трябва да се счита за съвместно, но цялата слава на откритието и Нобеловата награда по физика през 1901 г. отива при Рентген сам. Ленард се възмути и обяви, че той е майката на лъчите, докато Рентген е само акушерка. В същото време, очевидно, Рентген не е използвал тръбата на Ленард в решаващи експерименти.

Разрядната тръба, с която Ленард изследва електроните във фотоелектричния ефект, а Рентген открива своето излъчване

Разрядната тръба, с която Ленард изследва електроните във фотоелектричния ефект, а Рентген открива своето излъчване

Второ, Ленард беше дълбоко обиден от британската физика. Той оспори приоритета на откриването на електрона от Томсън и обвини английския учен, че неправилно се позовава на неговата работа. Ленард създава модел на атома, който може да се счита за предшественик на модела на Ръдърфорд, но това не е правилно отбелязано. Не е изненадващо, че Ленард нарече британците нация от наемници и измамни търговци, а германците, напротив, нация на герои, а след избухването на Първата световна война той предложи да организира интелектуална континентална блокада на Великобритания.

Трето, Айнщайн успява да обясни теоретично фотоелектричния ефект, а Ленард през 1913 г., още преди разногласията, свързани с войната, дори го препоръчва за професор. Но Нобеловата награда за откриването на закона за фотоелектричния ефект през 1921 г. е дадена само на Айнщайн.

Началото на 20-те години на миналия век като цяло беше трудно време за Ленард. Той се сблъсква с ентусиазирани леви студенти и е публично унижен, когато след убийството на либералния политик от еврейски произход и германския външен министър Валтер Ратенау отказва да свали знамето на сградата на своя институт в Хайделберг.

Спестяванията му, инвестирани в държавния дълг, са изгорени от инфлацията, а през 1922 г. единственият му син умира от последиците от недохранването по време на войната. Ленард започва да мисли, че проблемите на Германия (включително в немската наука) са резултат от еврейски заговор.

Близък сътрудник на Ленард по това време е Йоханес Старк, носител на Нобелова награда по физика от 1919 г., също склонен да обвинява машинациите на евреите за собствените си неуспехи. След войната Старк, в опозиция на либералното дружество по физика, организира консервативната "Немска професионална общност на университетските преподаватели", с помощта на която се опитва да контролира финансирането за научни изследвания и назначения на научни и преподавателски позиции, но не успява. След неуспешна защита на аспирант през 1922 г., Старк заявява, че е заобиколен от почитатели на Айнщайн, и подава оставка като професор в университета.

През 1924 г., шест месеца след Бирения путч, Grossdeutsche Zeitung публикува статия на Ленард и Старк „Духът и науката на Хитлер“. Авторите сравняват Хитлер с такива гиганти на науката като Галилей, Кеплер, Нютон и Фарадей („Каква благословия, че този гений в плът живее сред нас!“), А също така похвалиха арийския гений и осъдиха развращаващия юдаизъм.

Според Ленард и Старк в науката пагубното еврейско влияние се проявява в нови направления на теоретичната физика - квантовата механика и теорията на относителността, които изискват отхвърляне на старите концепции и използват сложен и непознат математически апарат.

За по-възрастните учени, дори такива талантливи като Ленард, това беше предизвикателство, което малцина успяха да приемат.

Ленард противопоставя "еврейската", тоест теоретичната, физика на "арийската", тоест експерименталната, и изисква германската наука да се съсредоточи върху последното. В предговора към учебника „Германска физика” той пише: „Германска физика? – ще попитат хората. Бих могъл също да кажа арийска физика, или физика на скандинавските хора, физика на търсещите истината, физика на тези, които са основали научни изследвания."

Дълго време "арийската физика" на Ленард и Старк остава маргинално явление, а физици от различен произход се занимават с теоретични и експериментални изследвания от най-високо ниво в Германия.

Всичко се промени, когато Адолф Хитлер става канцлер на Германия през 1933 г. Айнщайн, който по това време беше в Съединените щати, се отказа от германско гражданство и членство в Академията на науките, а президентът на академията Макс Планк приветства това решение: „Въпреки дълбоката пропаст, която разделя нашите политически възгледи, нашите лични приятелства винаги ще останат непроменени “, той увери, че е лична кореспонденция на Айнщайн. В същото време някои членове на академията се дразнеха, че Айнщайн не е бил демонстративно изключен от нея.

Йоханес Старк скоро става президент на Института по физика и технологии и на Германското изследователско дружество. През следващата година една четвърт от всички физици и половината от физиците-теоретици напуснаха Германия.