Вселената на Айнщайн и защо трябва да си упорит


През 1900 г., вече занимаващ се с теоретична физика в Берлинския университет и достигнал, да кажем, напредналата възраст от 42 години, Макс Планк разкрива тайните на нова „квантова теория“, която твърди, че енергията не е нещо непрекъснато като течаща вода, а съществува в индивидуални порции, които нарича кванти. Това била нова идея и то добра. В краткосрочен план тя щяла да спомогне да се разреши загадката на експериментите на Микелсън-Морли, тъй като показва, че светлината в края на краищата не е на вълни. В дългосроченплан тази теория щяла да положи основите на цялата съвременна физика.


Във всеки случай това бил първият знак, че светът щял да се промени. Но епохалното събитие — зараждането на новия век — става през 1905 г., когато в немското списание по физика Годишници по физика се появява поредица от материали, написани от млад швейцарски административен служител, който не работел към университет, нямал достъп до лаборатория и до библиотека, по-голяма от тази на Националната патентна служба в Берн, където работел като технически експерт трета степен. (Молбата му да бъде повишен в технически експерт втора степен била неотдавна отхвърлена.) Името му било Алберт Айнщайн и в тази безметежна година той поместил в Годишници по физика пет материала, от които три, според Ч. П. Сноу, „били най-великите в областта на физиката“ — единият разглеждал фотоелектричния ефект чрез новата квантова теория на Планк, другият бил върху движението на малки частици, суспендирани в течност (известно като Брауново движение), а последният описвал една специална теория — теорията на относителността. Първият материал спечелва на автора Нобелова награда и обяснява същността на светлината (и също освен всичко друго спомага да имаме телевизия). Вторият дава доказателства, че атомите наистина съществуват — факт, който изненадващо бил спорен. Третият просто променя света. Айнщайн е роден през 1879 г. в Улм, Южна Германия, но израснал в Мюнхен. Почти нищо в ранните му години не предвещавало бъдещото му величие. Известно е, че се научил да говори чак на тригодишна възраст. През 1890 г. бизнесът на баща му в електрическия бранш се провалил, семейството му се преместило в Милано, но Алберт, който вече бил юноша, заминал за Швейцария, за да продължи образованието си — въпреки че първия път го скъсали на приемния изпит за колежа. През 1896 г. се отказал от германското си гражданство, за да избегне военната служба, и се записал на четиригодишен курс в Цюрихския политехнически университет, който бълвал учители по точните науки. Бил умен, но не и изключителен студент. През 1900 г. се дипломирал и след няколко месеца започнал да пише за Годишници по физика. Първият му материал относно физиката на флуидите в сламките за пиене (именно за тях сред всичко останало) се появил в същото издание заедно с квантовата теория на Планк. От 1902 г. до 1904 г. написал серия от материали върху статическата механика, след което разбрал, че тихият и продуктивен Дж. Уилярд Гибс от Кънектикът също бил работил върху този проблем в труда си от 1901 г. Елементарни принципи на статистическата механика. По това време се влюбил и в една състудентка — унгарка на име Милева Марич. През 1901 г. им се ражда извънбрачно дете — дъщеря, която дискретно е дадена за осиновяване. Айнщайн никога не вижда детето си. Две години по-късно той и Марич се оженват. По време на тези две събития през 1902 г. Айнщайн постъпва на работа в Швейцарската патентна служба, където работи през следващите седем години. Работата му харесвала: била достатъчно предизвикателна да привлече вниманието му, но не толкова предизвикателна, че да отклони интереса му от физиката. В тази обстановка през 1905 г. създава специалната теория за относителността. Върху електродинамиката на движещите се тела е един от най-забележителните трудове, публикувани някога, от гледна точка на това, как е представен, и на това, което изследва. Няма нито бележки под линия, нито цитати, не включва почти никаква математика, не споменава никакъв друг труд, който да е оказал влияние, и споменава за помощта на само една личност, колега в патентната служба на име Мишел Бесо. Както пише Ч. П. Сноу, „като че ли Айнщайн е достигнал до тези изводи само по мисловен път, без ничия помощ без да се осланя на мнението на другиго. Изненадващо е, че до голяма степен, точно това и бил направил.“ Забележителното уравнение Е=mc² не било включено в този труд, а било публикувано в кратко приложение, отпечатано след няколко месеца. Както може да си спомняте от ученическите години, в това уравнение Е е енергията, m — масата, а с² — скоростта на светлината на квадрат. Най-просто казано, според уравнението между масата и енергията съществува точна зависимост. Те са две форми на едно и също нещо: енергията е освободена материя; материята е енергия в очакване да се прояви като такава. Тъй като c² (скоростта на светлината се умножава на себе си) е действително голямо число, това, което казва уравнението, е, че има огромно количество — наистина огромно количество — от енергия във всяко материално нещо. Може и да не се чувствате изключително як, но ако сте среден по размер възрастен, скромното ви тяло ще съдържа не по-малко от 7×10 на степен 18 джаула потенциална енергия — достатъчно, за да експлодира със силата на 30 много големи водородни бомби, ако се приеме, че знаете как да я освободите и искате да го направите. Такава енергия се съдържа вътре във всичко. Просто не сме много добри в това да я освобождаваме. Дори една уранова бомба — най-енергийното нещо което засега сме създали — освобождава по-малко от 1% от енергията, която би могла да се освободи от нея, ако бяхме малко по-умели. Освен всичко друго, теорията на Айнщайн обяснява как радиацията действа: как парче уран може да излъчва постоянни потоци от високочестотна енергия, без да се стопи като къс лед. (Може да го направи, като превърне масата си в енергия по изключително ефикасен начин à la Е=mc².) Обяснява как звездите могат да горят милиарди години, без да им свършва горивото. (Същото, както по-горе.) С един замах, в една проста формула Айнщайн дарява геолозите и астрономите с лукса на милиарди години. И най-вече, специалната теория показва, че скоростта на светлината е постоянна и най-голямата стойност за скорост. Нищо не може да я надмине. Хвърля светлина (не се цели игра на думи) върху истинската същност на разбирането ни за вселената. Не случайно разрешава също проблема, свързан с етера, като става ясно, че той не съществува.

Космос
Галактика – “Млечен Път”

Айнщайн ни дава вселена, която не се нуждае от него.

Физиците по правило не отдават голямо внимание на твърденията на швейцарски патентни чиновници, така че въпреки изобилието от полезни открития трудовете на Айнщайн не привлекли голямо внимание. След като разрешил няколко от най-големите загадки на вселената, Айнщайн се кандидатирал за пост на университетски преподавател и кандидатурата му била отхвърлена, кандидатствал и за гимназиален учител, но и там не го приели. Така че отново започнал да работи като експерт трета степен, но, разбира се, продължил да размишлява. Крайният резултат над това, което размишлявал, бил все още много далеч. Когато поетът Пол Валери веднъж попитал Айнщайн дали има тетрадка, в която да си записва идеите, Айнщайн го погледнал леко учуден. „О, това не е необходимо“ — отговорил той. — „Толкова рядко имам такава.“ Не е нужно да изтъквам, че когато имал такава, била много добра. Следващата идея била една от най-великите, които някой някога е имал — наистина най-великата според Бурз, Моц и Уивър в тяхната съдържателна история на науката за атома. „Сътворена от един единствен ум“ — пишат те — „несъмнено това е най-великото интелектуално постижение на човечеството“ — което, разбира се, е най-добрият комплимент, който може да бъде направен. Понякога се пише, че около 1907 г. Алберт Айнщайн видял работник да пада от покрив и започнал да мисли за гравитацията. Уви, както много други истории, тази изглежда съмнителна. Според самия Айнщайн, просто си седял в един стол, когато проблемът за гравитацията му дошъл наум. Всъщност това, което дошло наум на Айнщайн, било повече изходната точка на решението на проблема за гравитацията, тъй като осъзнавал от самото начало, че нещото, което липсвало в специалната теория, било гравитацията. „Специалното“ на специалната теория е, че се занимавала с тела, движещи се главно в безпрепятствено състояние. Но какво се случва, когато едно тяло в движение — светлината най-вече — срещне препятствие — такова като гравитацията. Това е въпрос, който занимавал Айнщайн през по-голямата част от следващото десетилетие и през 1917 г. той публикувал материал, наречен Космологически въпроси върху Общата теория на относителността. Специалната теория на относителността от 1905 г. е задълбочен и важен труд, но както Ч. П. Сноу веднъж отбелязал, ако Айнщайн не бил го създал тогава, то някой друг щял да го направи, навярно в рамките на следващите пет години; това било идея, която чакала да бъде открита. Но общата теория била нещо съвсем друго. „Без нея“ — пише Сноу през 1979 г. — „много е вероятно днес все още да сме в очакване на теорията.“ С пурата си, добросърдечен и скромен, с щръкнала коса, Айнщайн бил твърде блестяща личност, за да остане трайно в сянка, и през 1919 г., когато войната вече е приключила, светът изведнъж го забелязал. Почти веднага теориите му на относителността си създали репутацията на абсолютно неразбираеми за обикновените хора. Положението не се подобрило, както Дейвид Боданис изтъква в изключителната си книга Е=mc², когато Ню Йорк Таймс решил да напише материал и — по причини, които не спират да ни учудват — изпратили кореспондента си по голф, някой си Хенри Крауч, да вземе интервюто. Това били дълбоки води за Крауч и той объркал всичко. Една от грешките в репортажа му, които имали по-трайно значение, е, че Айнщайн е намерил издател, осмелил се да издаде книга, която само дванайсет души „в целия свят щели да разберат“. Нямало такава книга, нямало такъв издател, нито пък такъв кръг от учени, но това веднага се възприело. Скоро в общественото съзнание броят на хората, които можели да схванат относителността, бил намален още повече и трябва да се каже, че научните среди не направили много, за да разрушат този мит.

Когато един журналист попитал британския астроном сър Артър Едингтън дали е вярно, че е един от само тримата души в света, които могат да разберат айнщайновите теории на относителността, Едингтън се замислил за момент и отговорил: „Опитвам се да се сетя, кой е третият човек.“ Всъщност проблемът с относителността не е, че включвала много диференциални уравнения, Лоренцовата трансформация и друга сложна математика (макар че наистина включвала, дори и на Айнщайн му била нужна помощ за някои от тях), но просто била изключително неинтуитивна. Същността на относителността е, че пространството и времето не са абсолютни, а относителни спрямо наблюдателя и спрямо обекта, който се наблюдава, и колкото по-бързо човек се движи, толкова по-ясно изразени стават тези ефекти. Никога не можем да достигнем скоростта на светлината и колкото повече се опитваме (и по-бързо се движим), ще се получава все по-голямо изкривяване спрямо външния наблюдател. Почти веднага популяризаторите на науката се опитали да направят тези понятия разбираеми за обикновените хора. Един от по-успешните опити, поне в комерсиален план, било изданието АБВ на относителността от Бетран Ръсел, математик и философ. В него Ръсел използва сравнение, което оттогава се е използвало многократно. Той кара читателя да си представи влак, дълъг сто метра, движещ се с 60% от скоростта на светлината. За този, който стои на перона и гледа как той отминава, ще изглежда, че влакът е само осемдесет метра дълъг и всичко в него ще е компресирано по същия начин. Ако можем да чуем пътниците в него да говорят, гласовете им ще са слети и неясни като плоча, която е пусната да свири на по-бавни обороти, а движенията им ще изглеждат забавени по подобен начин. Дори часовниците във влака ще изглеждат, че се движат с четири-пети от нормалната си скорост. Обаче — и това най-същественото и най-странното на пръв поглед — хората във влака няма да осъзнават това изкривяване. За тях всичко във влака ще изглежда съвсем нормално, а ние на перона ще им изглеждаме странно компресирани и в забавено движение. Всичко ще е свързано с положението ни спрямо движещия се обект.

E=mc2
E=mc2

Този ефект в действителност се проявява всеки път, когато се движите.

Прелетете над Съединените щати и ще слезете от самолета една квинтилионна (10 на степен –18) от секундата, или горе-долу толкова, по-млади, от тези, с които сте били преди това. Дори и като прекосите стаята, съвсем леко ще промените собственото си чувство спрямо времето и пространството. Изчислено е, че ако се хвърли бейзболна топка, която лети със 150 километра в час, масата й ще се увеличи с 0,000000000002 грама, докато стигне гумената плоча, бележеща мястото на батсмана. Така че ефектите на относителността са реални и са измерими. Проблемът е, че такива промени са изключително малки, за да ни се отразят въобще. Но за други неща във вселената светлината, гравитацията, самата вселена — те са съществени. Така че, ако идеите на относителността са странни, то е само защото не изпитваме този вид взаимодействие в нормалния живот. Обаче, за да се върнем отново към Боданис, обикновено се сблъскваме с друг вид относителност — например по отношение на звука. Ако сме в парка и някой свири неприятна музика, знаем, че ако се отдалечим, музиката ще се чува по-тихо. Това не е защото тя свири по-тихо разбира се, а просто защото положението ни спрямо нея се е променило. По същия начин за нещо, което е твърде малко и бавно — като охлюв да речем — идеята, че една и съща музика от грамофон може да звучи с различна сила за двама наблюдатели, навярно ще изглежда невероятно. От всички идеи в общата теория на относителността най-предизвикателната и неинтуитивна е идеята, че времето е част от пространството. Инстинктът ни е да смятаме времето като вечно, абсолютно, неизменно — нищо не може да наруши постоянното му тиктакане. Всъщност, според Айнщайн, времето е с променлива величина и винаги се изменя. Дори има форма. Обвързано е („неразрурушимо взаимосвързано“ по думите на Стивън Хокинг) с трите измерения на пространството в едно особено измерение, известно като пространство-време. Пространство-времето обикновено се обяснява, като се опитаме да си представим нещо плоско, но гъвкаво — да кажем матрак или опънат гумен дюшек — на който се намира тежък кръгъл предмет като желязна топка. Тежестта на желязната топка кара материала, върху който се намира, да се изпъва и леко да хлътва. Това е в общи линии аналогично на ефекта, който един масивен обект като Слънцето (желязната топка) има върху пространство-времето (материала): разтяга го, извива го и го деформира. Сега, ако търкулнем по-малка топка по повърхността, тя ще се опита да се движи по права линия, както е според законите за движението на Нютон, но когато се доближи до масивния обект и наклона на хлътналата тъкан, се търкулва надолу, и бива неизбежно привлечена към по-масивния обект. Това е гравитацията — продукт на изкривяване на пространство-времето. Всеки обект, който има маса, създава малка „падина“ в тъканта на космоса. Така че вселената, както го казва Денис Оувърбай, „представлява последната за момента форма на хлътналия дюшек.“ Гравитацията според това схващане вече не е толкова субект, колкото резултат — „не е сила, а е вторичен продукт от изкривяване на пространство-времето“ — по думите на физика Мичио Каку, който продължава:

В определен смисъл гравитацията не съществува; това, което движи планетите и звездите, е изкривяване на пространството и времето.

Разбира се, аналогията на хлътналия дюшек свършва дотук, защото не включва ефекта на времето. Но мозъците ни възприемат само единствено дотук, защото е почти невъзможно да си представим измерение, съдържащо три части пространство, свързани към една част време — всичките взаимообвързани като вплетени нишки на кариран плат. Във всеки случай смятам, че всички ще се съгласят — това е една страшно голяма идея на млад мъж, който гледа през прозореца на патентен офис в столицата на Швейцария. Освен всичко друго, общата теория на относителността показала, че вселената или трябва да се разширява, или да се свива. Но Айнщайн не бил космолог и приел преобладаващото схващане, че вселената е фиксирана и вечна. Малко или повече импулсивно, включил в уравненията си нещо, наречено космологична константна, която произволно уравновесява ефектите на гравитацията, служейки като вид математически бутон за пауза. Книгите за история на науката винаги прощават на Айнщайн този пропуск, но всъщност това било доста неприятна част от научната му дейност и той го знаел. Нарекъл го:

най-глупавата грешка в живота ми!

Време и Космос
Пространство и Време

Вашият коментар