Читать книгу Особенности американского мышления. Закат физики в западной цивилизации - Александр Унцикер - Страница 7

Альберт Эйнштейн, родившийся в 1879 году, как никто другой, олицетворяет европейскую научную культуру. Будучи по методам работы одиночкой, он исследовал всю область теоретической физики и даже первым поставил важные эксперименты77. Совершенно не интересуясь технологиями и их применением, он сосредоточился на фундаментальных вопросах природы и, благодаря своему особому таланту, проник в суть дела глубже, чем большинство других. Своей сильной стороной он считал интуицию – в гораздо большей степени, чем умение вычислять. Он практически «изобрел» мысленный эксперимент и следовал традиции выведения естественных законов из элементарных принципов.

Я доверяю интуиции.

Альберт Эйнштейн

Во время его работы в США практически не было теоретических исследований, но в Европе были вполне определенные технологические приложения. Например, отец Эйнштейна Херрманн руководил в Мюнхене компанией по установке электрического уличного освещения – высокотехнологичным предприятием того времени. Альберт, с другой стороны, был больше увлечен абстракцией. Мальчик-интроверт, которого с ранних лет очаровывала магнитная игла компаса, в возрасте двенадцати лет нашел доказательство теоремы Пифагора. Однако в гимназии, где царила прусская дисциплина, он не чувствовал себя как дома. Когда его родители переехали в Верхнюю Италию, он бросил школу в возрасте 15 лет и позже получил «Абитур»78 в Ааргау, Швейцария. Примерно в это время он уже размышлял о том, что произойдет, если он будет двигаться со скоростью света вместе со световой волной.

Думать важнее, чем рассчитывать

В своих автобиографических мемуарах «Мое мировоззрение» Эйнштейн сообщает, что эти соображения уже легли в основу специальной теории относительности, которую он сформулировал в 1905 году, будучи клерком патентного бюро в Берне. Это интересно, потому что теория относительности часто ассоциируется со сложной математикой, которую Эйнштейн, конечно, еще не освоил в том юном возрасте. Хотя, вопреки легенде, в студенческие годы у него были отличные оценки. Позже также стало очевидно, что математические способности Эйнштейна хотя и были на высоком профессиональном уровне, не могли конкурировать, например, с математическими способностями Давида Гильберта или Эли Картана. Своим мастерством в дифференциальной геометрии, которое ему понадобилось для формулировки общей теории относительности, он также был обязан в первую очередь своему другу Марселю Гроссману. Интуиция Эйнштейна, с другой стороны, была непревзойденной в открытии фундаментальных, абстрактных принципов, составляющих самое ядро естественного закона. Он часто использовал свои мысленные эксперименты, которые не могли быть осуществлены из-за технических трудностей (некоторые были реализованы спустя десятилетия), но привели к решающим открытиям.

Предчувствие, многолетний поиск в темноте с его напряженной тоской, чередованием уверенности и усталости и окончательным прорывом к истине, которую знают только те, кто пережил ее сам.

Альберт Эйнштейн

Специальная теория относительности, изложенная в эссе 1905 года «Об электродинамике движущихся тел» (Zur Elektrodynamik bewegter Körper), нанесла удар по идеальному миру классической физики. Понятия пространства и времени, лежащие в основе всех теоретических рассуждений со времен Ньютона, вдруг оказались странным образом переплетенными. Это проявляется в так называемом замедлении времени, которое было экспериментально подтверждено: движущиеся часы идут медленнее. Также частью теории была формула E=mc², о которой в то время никто не знал, что она предскажет взрывы ядерного оружия. Решающая идея, которую Эйнштейн развил в своей работе 1905 года, не имела никакого отношения к расчетам: он признал, что согласно уравнениям Максвелла, волна, то есть свет, распространяется в пустом пространстве без какой-либо связи с источником излучения. Поэтому скорость света должна быть независимой от движения такого источника или наблюдателя. Все уравнения вытекают из этого единственного принципа.

У меня нет особых талантов, я просто ужасно любопытен.

Альберт Эйнштейн

Общая теория относительности, которую Эйнштейн завершил десять лет спустя, также была основана на простом мысленном эксперименте, так называемом принципе эквивалентности. Согласно этому, нет разницы, воспринимает ли человек в комнате на Земле ее притяжение или его толкают к земле с соответствующей силой, поскольку он находится в ускоренной системе в невесомом пространстве, например, в ракете во время фазы движения. Поскольку инерция материи перед лицом ускорения отвечает за последнюю силу, а гравитация – за первую, этот принцип также называют равенством инерционной и тяжелой массы.

Упрямые натурфилософы

Удивительно, что современная физика, несмотря на все культовое почитание Эйнштейна, так мало ориентирована на метод работы, с которым он был успешен. Сегодня десятки тысяч физиков занимаются чрезмерными расчетами, которые Эйнштейн не смог бы выполнить, но за более чем сто лет не было открыто ни одного принципа, сравнимого по важности с принципом эквивалентности Эйнштейна.

Эйнштейн также отличался замкнутым стилем работы; он часто настаивал на своих идеях в абсолютно самоуверенной, а иногда и упрямой манере. В своей собственной самоуничижительной скромности он сказал об этом так:

Я не подхожу для работы в тандеме или команде… Такая изоляция иногда бывает горькой… но я чувствую компенсацию за нее, поскольку она позволяет мне быть независимым от обычаев, мнений и предрассудков других людей и не стремиться ставить мир своей души на такие шаткие основания79.

Важным пионером общей теории относительности был венский физик и философ Эрнст Мах, которого Эйнштейн высоко ценил и который заслуживает особого упоминания здесь. Мах – прототип европейского натурфилософа80, который ищет конечные причины законов с неподкупной логикой, не делая особых расчетов. В своей главной работе «Историческая механика» (Die Mechanik historisch-kritisch dargestellt), вышедшей в 1883 году, Мах указал на слабое место в теории тяготения Ньютона, которое оставалось скрытым от физиков почти двести лет81.

Мыслитель из Вены бросает вызов Ньютону

Мы совершенно не в состоянии измерить изменения в вещах и времени. Время – это скорее абстракция, к которой мы приходим через изменение вещей82.

Эрнст Мах

Мах атаковал концепцию абсолютного пространства и времени, введенную Ньютоном. Ньютон хотел доказать существование абсолютного пространства с помощью мысленного эксперимента. Он представил себе ведро, наполненное водой, в котором поверхность воды естественно гладкая до тех пор, пока ведро находится в состоянии покоя. Но если вращать ведро вокруг вертикальной оси, то вращательное движение ведра медленно передается воде через трение. При вращении вода под действием возникающей центробежной силы поднимается по стенкам ковша, так что образуется изогнутая поверхность. И наоборот, из этой кривизны можно сделать вывод, что ведро вращается, даже если смотреть на него изолированно. Ньютон утверждал, что это доказывает, что не ускоренное, абсолютное пространство не вращается, и естественно предположил, что это верно независимо от распределения масс во Вселенной. Мах глубокомысленно возразил:

Никто не может сказать, как пройдет эксперимент, если стенки сосуда станут толще и массивнее, наконец, толщиной в несколько миль…

Он намекнул, что вода, возможно, больше не будет подниматься по стенам, если вся Вселенная будет вращаться вокруг «ведра». Тогда удаленные массы в космосе будут определять, что считать покоем. Тогда инерция массы, сопротивляющейся ускорению, будет, по его мнению, относиться ко всей Вселенной.

Предположив эквивалентность ускорения и гравитационного эффекта (тем самым предвосхитив принцип эквивалентности Эйнштейна), Мах тем самым развил гениальную идею о том, что сила гравитации зависит от всех других масс во Вселенной, которая стала известна как «принцип Маха». Хотя проблема в основном не решена и сегодня, принцип Маха влачит теневое существование в современной теоретической физике; от большинства «современных» американских теоретиков вы услышите, что это философская чепуха из Старой Европы.

Трагедия незаконченной мысли Маха заключалась в том, что первые космологические наблюдения, которые позволили бы вычислительно проверить его идею, появились только через 15 лет после его смерти, примерно в 1930 году. Они предполагают, что гравитация берет свое начало во всех массах во Вселенной. Ведь гравитационная постоянная G, которая количественно определяет мощь этой силы, необъяснимым образом связана с этими данными83. Причина, по которой я подробно излагаю идею Эрнста Маха, заключается в общем натурфилософском значении таких природных констант, как G. Эта гравитационная постоянная или скорость света c являются загадочными посланиями природы, которые физикам пока не удалось расшифровать.

Чем меньше констант, тем лучше

В тех редких случаях, когда удавалось решить загадку природной константы, это каждый раз было революционным прогрессом. Например, центральная идея электродинамики Максвелла может быть обобщена в формуле ε₀μ₀ =1/c², которая была подтверждена Герцем. Это раскрывает скорость света c как скорость электромагнитных волн, которая определяется электрическими и магнитными постоянными ε₀ и μ₀. Таким образом, приведенное выше уравнение уменьшает число независимых природных констант на единицу, что является упрощением в методологическом смысле.

Поэтому в европейской традиции изучение естественных констант – это подход к физике, который подчеркивает простоту фундаментальных законо84. Каждое необъяснимое открытие обычно порождает новую природную константу и тем самым усугубляет проблему. Поэтому очевидно, что каждая естественная константа физики представляет собой проблему, которую еще предстоит решить. Эйнштейн также был убежден в этом и выразил это следующим образом:

Я не могу придумать разумную физическую теорию, использующую произвольное число, которое по воле прихоти Творца могло быть выбрано иначе.

То, что эти и другие замечательные высказывания задокументированы, стало возможным благодаря Илзе Розенталь-Шнайдер, студентке философского факультета, которая познакомилась с Эйнштейном в Берлине примерно в 1920 году. В 1938 году она также была вынуждена эмигрировать и впоследствии преподавала в Австралии, откуда в послевоенный период переписывалась с Эйнштейном.

Как упоминалось выше, космологические наблюдения даже предполагают, что принцип Маха может быть использован для вычисления гравитационной постоянной. Это совпадение было замечено в 1980-х годах в США некоторыми исследователями, которые, как оказалось, ничего не знали ни об Эйнштейне, ни о Махе. Они основали теоретическую моду (так называемую космическую инфляцию), которая производит серию дальнейших произвольных чисел вместо того, чтобы дать основные объяснения. Нетрудно предсказать, что бы подумал об этом Эйнштейн.

Одна из особенностей, отличающая Эйнштейна от современных теоретиков, – его компетентность практически во всех областях теоретической физики. Это позволило ему инициировать вторую научную революцию XX века, квантовую механику, в дополнение к специальной и общей теории относительности, которая считается его главной работой.

Открытие Планка, которое Эйнштейн

воплотил в жизнь

Важную подготовительную работу проделал Макс Планк, родившийся в 1858 году, который с 1885 года занимал должность профессора в Киле. Вклад Планка также освещает важное взаимодействие между технологиями и фундаментальными исследованиями. Ведь измерения так называемого излучения черного тела, которое Планк пытался объяснить на рубеже веков, также проводились для усовершенствования лампочки, изобретенной Эдисоном. Однако теоретика Планка не интересовало получение света, он хотел вывести точный закон, указывающий на излучение света при определенной температуре. Благодаря своим математическим способностям, он наконец смог угадать формулу и позже обосновать ее теоретически85. В нем появилась странная величина, которая позже стала известна как постоянная Планка, также являющаяся фундаментальной природной константой. Планк, однако, почти бесхитростно называл его «вспомогательной величиной» h.

Люди ошибочно жалуются, что у нашего поколения нет философов. Философы теперь только на другом факультете, они называются Эйнштейн и Планк.

Адольф фон Харнак

Эйнштейн понял, что h, очевидно, имеет отношение к световому излучению, и применил эту идею в эксперименте по фотоэлектрическому эффекту. В этом эксперименте падающий свет выбивал электроны из металлов, но результаты казались нелогичными: ниже определенной частоты отсечки света электроны оставались в металле, независимо от интенсивности облучения.

В смелом порыве мысли Эйнштейн предположил, что энергия в световой волне в основном возникает порциями размером E=hf (f обозначает частоту). И эта гипотеза блестяще подтвердилась, хотя Макс Планк, как никто другой, долгое время относился к ней скептически. Эти световые кванты дали название позднейшей квантовой механике и, по сути, до сих пор относятся к самым загадочным явлениям природы, для которых нет априорного объяснения. В европейской традиции натурфилософии следовало бы спросить: мыслима ли вообще физика без этой постоянной h, и если нет, то почему? Несмотря на необъяснимость, этот квант h тем не менее продолжил свое триумфальное шествие по теоретической физике. Даже в термодинамике h играет важную роль, например, в парадоксе смешивания, названном в честь вышеупомянутого Уильяма Джошуа Гиббса.

Пятьдесят лет размышлений не приблизили меня к решению вопроса «Что такое кванты света?»

– Альберт Эйнштейн

Непревзойденная интуиция из Копенгагена

Датчанин Нильс Бор (1885—1962) также был одним из величайших мыслителей в физике начала XX века, и его способности также были скорее интуитивно-вопросительными, чем вычислительными. Например, он первым признал, что радиоактивность, открытая в 1896 году, является явлением атомного ядра, а не атомной оболочки, состоящей из электронов. Бор также был первым, кто понял86, что химические свойства элемента определяются числом протонов в ядре. Сегодня эти факты кажутся настолько очевидными, что легко забыть, каким интеллектуальным достижением было их открытие. Это также соответствовало его интуитивному подходу к реализации идеи, которую уже в XIX веке сформулировали японский физик Хантаро Нагаока и Вильгельм Вебер: атом может быть маленькой солнечной системой! Идея о том, что электроны вращаются вокруг атомного ядра, как планеты вокруг нашей родной звезды, невероятно увлекла исследователей того времени.