Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн - Тибо Дамур

Однажды Эйнштейн сказал: «Стыдно должно быть тем, кто бездумно пользуется чудесами науки и техники, понимая в них не более коровы, с наслаждением пасущейся на лугу, не зная ничего о ботанике». А еще он настаивал на том, что основным источником всех технических достижений являются «божественное любопытство и увлеченное стремление исследователя думать и изобретать». Из уважения к Эйнштейну я хотел бы призвать вас, дорогой читатель, иногда задумываться о всех тех повседневных услугах и технологиях, которые возникли благодаря увлеченному стремлению Эйнштейна размышлять о структуре реальности.

Заметим к тому же, что Эйнштейн не был «чистым теоретиком», не проявляющим никакого интереса к практическим приложениям. На протяжении всей своей жизни, со времен лабораторных занятий в Цюрихе и работы в патентном бюро, он сохранял интерес к экспериментальным исследованиям и практическому применению научных знаний. [Напомним также, что его дядя Якоб был инженером, работавшим вместе с его отцом над электрификацией города Мюнхена, а затем провинции Павия в Италии.] В частности, Эйнштейн получил ряд патентов на различные изобретения, начиная от устройства для измерения малых напряжений, бесшумного холодильника и гирокомпаса на магнитной подвеске и заканчивая слуховым аппаратом.

Физика присутствует во всем, что нас окружает, и при этом большая часть современной физики непосредственно вытекает из теоретических идей, сформулированных Эйнштейном. Лазеры имеют множество практических применений: от промышленной резки материалов до проигрывателей компакт-дисков, от манипуляций с отдельными биологическими молекулами до всевозможных систем управления. Стоит иногда задуматься, что высказанная в 1916 г. идея Эйнштейна об обмене энергией и импульсом между атомами и квантами света привела к предсказанию процесса, лежащего в самой основе лазера, – процесса вынужденного излучения.

Допустим, вы не слушали сегодня компакт-диски и, таким образом, упустили возможность подумать о работе Эйнштейна 1916 г., но вы, наверное, смотрели телевизор{181}. Раз так, то представьте, что электроны в электронно-лучевой трубке разгоняются примерно до одной трети скорости света, и поэтому точный расчет их траекторий на пути к экрану требует анализа динамических уравнений специальной теории относительности, полученных Эйнштейном в июне 1905 г.

Но, возможно, вы решили не сидеть дома, а пойти за покупками. Тогда, вполне вероятно, вам придется пройти через автоматические двери с фотоэлектрическими элементами. Подумайте тогда над тем, что фундаментальный теоретический закон фотоэлектрического эффекта был сформулирован Эйнштейном в марте 1905 г. Заметьте также, что этот закон был открыт не ввиду своих применений, а в качестве побочного продукта глубоких размышлений о природе света{182}.

А может быть, вы сядете в машину и воспользуетесь системой глобального позиционирования GPS. Подумайте тогда, что общая теория относительности Эйнштейна лежит в основе работы этой системы, имеющей сегодня все большее число применений – от управления самолетами и кораблями до управления тракторами для вспашки огромных полей с сантиметровой точностью. Фактически позиционирование основано на передаче пользователю временных сигналов, излучаемых атомными часами на орбите вокруг Земли. Программное обеспечение системы GPS принимает в расчет пространственно-временную деформацию, вызванную массой Земли. Эта деформация приводит к тому, что часы на спутниках кажутся с Земли идущими быстрее. К этому добавляется эффект орбитальной скорости, из-за которого в соответствии с теорией относительности при наблюдении с Земли кажется, что часы на орбите идут медленнее. Эти два эффекта не компенсируют друг друга, но оба, хотя и являются весьма малыми, очень важны для достижения точности хронометража, необходимой, чтобы система функционировала{183}. Если не учитывать эффектов, возникающих согласно двум теориям относительности, система GPS станет непригодной через несколько минут.

Можно привести и другие примеры. Например, если учесть, что Эйнштейн был первым физиком, серьезно рассмотревшим идею квантов, и не только для света, но и, как мы видели, для возможных энергетических уровней материальных осцилляторов, то можно было бы вспомнить о нем в связи с многочисленными приложениями квантовой физики, и в частности, с физикой твердого тела{184}.

Наконец, исследование научных статей, опубликованных до 1912 г. и получивших наибольшую цитируемость между 1961 и 1975 гг., показало, что из 11 статей, оказавших наибольшее влияние, четыре принадлежат Эйнштейну, а семь других написаны семью разными авторами{185}. Что еще более примечательно, в этот список наиболее значимых научных статей XX в. не входит ни статья о квантах света, написанная в марте 1905 г., ни статья о теории относительности, написанная в июне 1905 г. На самом деле, эти две статьи были настолько основополагающими и важными и настолько изменили курс науки XX в., что спустя 50 лет после появления их просто перестали цитировать! Они стали самой сутью современной физики. Именно поэтому с удивлением обнаруживаешь, что в список статей, имеющих наибольшее влияние, вошли другие работы Эйнштейна: в частности, статьи, написанные в течение чудесного 1905 г., о которых мы не говорили выше. Так, в 1905 г. Эйнштейн написал диссертационную работу на тему «нового метода определения молекулярных размеров» и инновационную статью о броуновском движении зерен пыльцы или коллоидных частиц в суспензии. Эти работы нашли и до сих пор находят применение в самых разных областях, начиная от экологических исследований дисперсии аэрозолей в атмосфере и заканчивая исследованиями поведения частиц казеина в молоке в процессе изготовления сыра!