© сайт "Знания-сила".
Вице-президент АН СССР академик Е. Ве́лихов,
профессор В. Летохов. 1979 год.

Эйнштейн и прикладная физика

Введение

Имя физика-теоретика Альберта Эйнштейна навсегда вошло в историю науки, в летопись мировой культуры. Ему принадлежит большое число замечательных открытий, оказавших сильнейшее влияние на развитие науки и техники, открытий, в конечном итоге сильно повлиявших на мир, в котором мы живем. И это не преувеличение. Именно идеи, высказанные и разработанные в работах Эйнштейна, привели в итоге к становлению ряда крупнейших научно-технических направлений нашего столетия, и в частности ядерной техники и квантовой электроники. Первая из них дала человеку возможность управлять процессом высвобождения внутриядерной энергии, вторая — управлять процессом излучения света. Интересно и поучительно проследить судьбу идей Эйнштейна, его фундаментальных теоретических работ. На первый взгляд это совершенно отвлеченные, абстрактные работы, ставившие целью понять суть явлений природы. Но эти работы с неумолимой неизбежностью выходили в практику, всякий раз напоминая человечеству, как важны для него оригинальные идеи, высказываемые учёным с высоким творческим потенциалом и нестандартным, независимым мышлением. Многие работы, наме́тившие новую эпоху в физике, Эйнштейн сделал в первые годы своей научной деятельности, занимаясь исследованиями самостоятельно, как сейчас принято говорить, в свободное от работы время. И нужно сказать, что в те годы жизнь ставила немало препятствий на пути молодого человека в науку.

Альберт Эйнштейн
(1879-1955)

…1900 год. Успешно сданы́ дипломные экзамены в Федеральном высшем техническом училище в Цюрихе. Эйнштейн пытается получить в этом же училище должность ассистента, но ему отказывают скорее всего из-за независимости его поведения и суждений.

…1900-1902 годы. Период сильных материальных затруднений, случайных за́работков, вре́менной работы как репетитора, преподавателя в техникуме и пансионе для мальчиков.

…1902 год. По рекомендации отца одного из друзей Эйнштейн получает постоянную должность государственного служащего — становится техническим экспертом 3-го класса в Швейцарском ведомстве по идейной собственности, проще говоря, в патентном бюро. Это было настоящим спасением: скромный, но постоянный заработок стабилизи́ровал материальное положение Эйнштейна, чрезвычайно умеренного в своих потребностях. Свободное время, остающееся после службы, можно было отдать своей главной страсти — физике.

…1905 год. Скромный 26-летний эксперт 3-го класса публикует в ведущем физическом журнале того времени «Анналы физики» одну за одной несколько научных работ, вошедших в золотой фонд физики. Вот они, в совершенно конспективном, разумеется, пересказе.

«ОБ ОДНОЙ ЭВРИСТИЧЕСКОЙ ТОЧКЕ ЗРЕНИЯ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ И ПРЕВРАЩЕНИЕ СВЕТА» («Анналы физики», том 17, 1905 год, 17 журнальных страниц).

В этой работе высказана гипотеза «квантов света», рассмотрены элементарные процессы их поглощения и испускания. Цитируем статью: «…согласно этому сделанному предложению, при распространении луча света, вышедшего из некоторой точки, энергия не распределяется непрерывным образом во всё бо́льших и бо́льших объемах, а складывается из конечного числа локализованных в отдельных точках пространства квантов энергии, которые движутся как неделимые или возникают только целиком…» В этой работе рассмотрено «возбуждение катодных лучей при освещении твердых тел» и дано знаменитое уравнение для фотоэффекта (само это явление было открыто Г. Герцем и экспериментально исследовано А.Г. Столетовым): энергия электронов, выбитых светом из вещества, равна разности энергии поглощаемого кванта света и энергии, затраченной на выход электрона на свободу. Это была чисто теоретическая работа, предсказание количественных соотношений лишь на основе понимания сущности процесса.

Через 10 лет этот важный вывод был количественно подтвержден в экспериментах Милликена, а в 1922 году, когда эта и все последующие работы Эйнштейна получили полное признание, ему была присуждена Нобелевская премия «за его работы в области теоретической физики и, в частности, за открытие закона фотоэлектрического эффекта». Введенное Эйнштейном представление о квантах света было совершенно новым. Сто́ит вспомнить, что ещё спустя 8 лет после публикации статьи, то есть в 1913 году, рекомендуя Эйнштейна в члены Прусской Академии наук, Макс Планк и другие физики, перечислив научные заслуги Эйнштейна, сочли необходимым заметить: «То, что он в своих рассуждениях иногда выходит за пределы цели, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком ставить ему в вину. Ибо, не решившись пойти на риск, нельзя осуществить нового даже в самом точном естествознании».

И всё же после выхода этой работы Эйнштейна многие физики начали развивать квантовые представления о свете, о его взаимодействии с веществом, нередко весьма успешно, но нередко встречая трудности. Наиболее трудным оказалось объяснение хорошо известных волновых свойств света, исходя из корпускулярных представлений, и полное признание гипотезы световых квантов затяну́лось на многие годы. Ещё в 1922 году Нильс Бор в работе о постула́тах квантовой теории писал, что гипотеза световых квантов «не может никоим образом рассматриваться как удовлетворительное решение. Как известно, именно эта гипотеза приводит к непреодолимым трудностям при объяснении явлений интерференции…» Попытки разрешить это противоречие привели в конце концов Эйнштейна к идее корпускулярно-волнового дуали́зма, которая в 1923 году была перенесена де Бро́йлем на микрочастицы (представление о волнах материи, о дебройлевской длине волны частиц), и в конце концов явилась фундаментом для создания квантовой или волновой механики.

«К ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ ДВИЖУЩИХСЯ ТЕЛ» («Анналы физики», том 17, 1905 год, 30 страниц).

Эта работа содержала в зародыше всю специальную теорию относительности, или, как её сейчас принято называть сокращенно, СТО. Эйнштейн начал статью с предположения, что во всех координатных системах, движущихся с постоянной скоростью друг относительно друга, справедливы одни и те же физические законы, и такое предположение он назвал принципом относительности. Он также ввёл такой постулат: свет в пустоте всегда распространяется с постоянной скоростью, не зависящей от скорости движения тела, и назвал его принципом постоянства скорости света. Эти две предпосылки, писал Эйнштейн в начале статьи, вполне достаточны для того, чтобы построить простую, свободную от противоречий электродинамику движущихся сред, в которой будут излишними понятия эфира, абсолютного пространства и абсолютного времени. Специальная теория относительности, являющаяся, безусловно, вершиной научной мысли, была подготовлена всем предыдущим ходом физических исследований (электродинамика Максвелла, преобразования Лоренца, опыт Майкельсона, работы Пуанкаре). Но требовалось совершенно свободное от предубеждений, совершенно независимое и, конечно, смелое, решительное мышление, чтобы взглянуть на всю проблему с новой точки зрения. Приняв принцип постоянства скорости света в пустом пространстве в качестве одного из основных законов природы, теория относительности кардинально изменила фундаментальные представления о природе пространства и времени.

Время и пространство, существовавшие до Эйнштейна в физике как независимые и самостоятельные, оказались связанными друг с другом скоростью света. С точки зрения эйнштейновской теории относительности во вселенной существует лишь собственное время различных движущихся тел, оно одинаково только для тех тел, которые находятся в покое друг относительно друга. Это и есть релятивистское представление о времени, представление о его относительности, которое ведёт к фундаментальному заключению: для движущегося тела все процессы идут медленнее, само время течёт медленнее и тем медленнее, чем ближе скорость движения к скорости света.

Этот вывод, конечно, был неприемлем для людей с консервативным мышлением, и поэтому вокруг теории относительности долгие годы бушевали споры. Их эхо дошло до наших дней и виде редких, но всё ещё проявляющихся научных публикаций, в которых оспариваются и смысл и существо теории относительности. Оспариваются безрезультатно. Ни одна физическая теория, писал выдающийся физик Макс Лауэ, не волновала и не возбуждала умы со времён античности так, как вторжение теории относительности в привычные представления о пространстве и времени.

Прошло много лет, теория относительности стала одним из оснований всей физической науки, от теории элементарных частиц до космологии, стала одним из оснований гигантского гармоничного здания современной теоретической физики. И уже сам Эйнштейн, вглядываясь в прошлое, писал: «Теория относительности является хорошим примером того, как развивается теория. Исходные гипотезы становятся всё более абстрактными, далёкими от жизненного опыта. Но зато мы приближаемся к благороднейшей научной цели: охватить путём логической дедукции максимальное количество фактов, исходя из минимального количества гипотез и аксиом… Надо разрешить теоретику фантазировать, ибо иной дороги к цели для него вообще нет. Разумеется, речь идёт не о бесцельной игре фантазии, а о поисках самых простых и логичных возможностей и их следствий». И, вспоминая свой трудный путь к истине, он пишет: «Только тот, кто сам это изведал, знает, что такое полные предчувствий, длящиеся годами поиски во мраке, волнение и страстное ожидание, переходы от уверенности к изнеможению и, наконец, рывок, приносящий ясность».

Экспериментально, в прямых опытах, замедление времени для движущихся тел было доказано гораздо позже, в 30-х годах, уже после полного триумфа СТО. Ускоренная до скорости, близкой к скорости света, элементарная частица (например, мезон) распадается гораздо медленнее, чем такая же частица с нерелятивистской скоростью. Это обусловлено именно замедлением времени для движущейся частицы.

«О ДВИЖЕНИИ ВЗВЕШЕННЫХ В ПОКОЯЩЕЙСЯ ЖИДКОСТИ ЧАСТИЦ, ТРЕБУЕМОМ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИЕЙ ТЕПЛОТЫ» («Анналы физики», том 17, 1905 год, 21 страница).

Статья начинается так: «В этой работе будет показано, что, согласно молекулярно-кинетической теории теплоты, взвешенные в жидкости тела микроскопических размеров из-за молекулярного теплового движения должны совершать движения такой величины, что легко могут быть обнаружены под микроскопом. Возможно, что рассматриваемые движения тождественны с так называемым броуновским молекулярным движением; однако доступные мне данные относительно последнего настолько не точны, что я не мог составить об этом определенного мнения». В этих строчках видны черты научного почерка молодого Эйнштейна: фундаментальность вывода, блестящая интуиция, связь теоретических представлений с экспериментальным фактом, абсолютная объективность.

Беспорядочное движение мельчайших взвешенных частиц в жидкости, обнаруженное в 1827 году английским ботаником Броуном, было, пожалуй, первым экспериментально наблюдаемым флуктуационным явлением. Флуктуации — это случайные, временные отклонения какой-либо величины от наиболее вероятного её значения. Вот один из примеров флуктуации: скорость пылинки в воздухе флуктуирует за счет ударов со стороны молекул воздуха. Другой пример — барабанная перепонка нашего уха сама по себе флуктуирует вследствие теплового движения, она, как принято говорить, шумит со средней амплитудой около 10^-8см=1А. Очень слабые звуки, вызывающие колебания барабанной перепонки с меньшей амплитудой, мы уже не слышим — они просто тонут в тепловом шуме. Этот наглядный пример вводит нас в огромную область современной радиотехники — приём чрезвычайно слабых сигналов.

В этой своей работе Эйнштейн на основе молекулярно-кинетической теории теплоты развил теорию тепловых флуктуаций для конкретного случая — хаотических движений малой частицы вещества, взвешенной в жидкости. Ему удалось найти закон случайного диффузионного блуждания частицы и связать среднее её смещение за какое-то время с экспериментально измеряемыми параметрами жидкости и самой частицы. Заканчивается статья обсуждением формулы для такого среднего смещения и вытекающего из неё нового метода определения числа молекул в одной грамм-молекуле. Можно считать, что всем этим было положено начало точным методам расчёта флуктуации и вместе с этим важнейшим прикладным направлениям современной статистической физики.

Уже гораздо позже инженеры и физики столкнулись с неизбежностью флуктуации в любой электрической цепи, электронной лампе, транзисторе. С такими, например, явлениями, как дробовой эффект, вызванный нерегулярностью движения дискретных зарядов. На заре радиоэлектроники это явление никого не заботило, но сейчас электрические флуктуации, электрические шумы — одно из главных препятствий на пути повышения чувствительности электронных усилителей. Шумы ограничивают усиление слабых электрических сигналов, подобно тому, как шумы ограничивают уровень слышимости слабых звуков. Однако же радио-инженеры научились вести эффективную борьбу с шумами в электронной аппаратуре, во многом опираясь при этом на достижения физики.

Интересно отметить, что работа Эйнштейна по теории броуновского движения позже, в 1920 году, была математически строго обоснована 25-летним Норбертом Винером, одним из создателей кибернетики. Здесь, кстати, хочется отметить, что великолепные результаты, полученные Эйнштейном в его ранних работах, никак не объясняются умелым применением математического аппарата. Основа всего здесь — глубокое понимание физической сущности задач, сильнейшая интуиция, открывавшая кратчайший путь не только к решению той или иной задачи, но прежде всего к её выбору. Здесь, может быть, уместно вспомнить известное определение: хороший физик не тот, кто способен решить сто задач, а тот, кто из ста задач способен выделить и решить ту, которая заслуживает решения.