- Част две -
Деветнадесети век приключваше, учените все по-разумно биха могли да мислят, че са разрешили почти всички тайни на физическия свят - да назовем поне електричество, магнетизъм, газове, оптика, акустика, кинетика и статистическа физика - всичко това се нареди пред тях в примерен пример добре. Учените са открили рентгенови и катодни лъчи, електрон и радиоактивност, излезли с ома, вата, келвина, джаула, ампера и малкия ерг101.
Ако нещо може да бъде вибрирано, ускорено, нарушено, дестилирано, комбинирано, претеглено или трансформирано в газ, тогава те са постигнали всичко това и по пътя са създали маса универсални закони, толкова тежки и величествени, че ние все още сме склонни да ги пишем с главна буква букви 102: теория на електромагнитното поле на светлината, закон на еквивалентите на Рихтер, закон на Чарлз за идеален газ, закон на комуникиращите съдове, нулевият принцип на термодинамиката, концепцията за валентност, законите на действащите маси и безброй други.
По целия свят машините и инструментите щракаха и издухаха, плодовете на изобретателността на учените. Тогава много умни хора вярваха, че науката почти няма какво друго да прави. Когато през 1875 г. млад германец от Кил, Макс Планк, решаваше дали да се отдаде на математиката или физиката, той беше горещо призован да не се занимава с физика, защото в тази област всички решаващи открития вече бяха направени. Беше уверен, че идващият век ще бъде векът на консолидация и подобряване на постигнатото, а не на революции. Планк не послуша. Той се занимава с теоретична физика и се посвещава изцяло на работата по концепцията за ентропия, концепция в основата на термодинамиката, която изглеждаше много обещаваща за амбициозен млад учен. * През 1891 г. той представи резултатите от труда си и, за пълното си объркване, научиче цялата важна работа по ентропията всъщност вече е била извършена от скромен учен от Йейл на име J. Willard Gibbs.
Гибс е може би най-брилянтната личност, за която повечето хора никога не са чували. Срамежлив, почти невидим, той по същество е изживял целия си живот, освен три години обучение в Европа, в рамките на три пресечки от дома си и от университета в Йейл в Ню Хейвън, Кънектикът. През първите си десет години в Йейл той дори не си направи труда да получи заплата. (Той имаше независим източник на доходи.) От 1871 г., когато стана професор в университета, до смъртта му през 1903 г., курсът му привличаше средно малко повече от един студент на семестър. Книгата, която той е написал, е трудна за разбиране и мнозина смятат собствените му обозначения за неразбираеми. Но тези неразбираеми формулировки на неговите скриха поразително живи догадки. * По-конкретно,ентропията е мярка за хаос или безпорядък в системата. Дарел Ебинг в своя учебник по обща химия обяснява това много добре с тесте карти.
В новия пакет, току-що изваден от кутията, картите са подредени по костюм и по старшинство - от аса до царе - можем да кажем, че картите в него са в подредено състояние. Разбъркайте картите и ще създадете бъркотия. Ентропията количествено определя колко е неподредено състоянието и помага да се определят вероятностите за различни резултати от по-нататъшно разбъркване. За да разберете напълно ентропията, трябва също така да разбирате понятия като термични неоднородности, кристални решетки, стехиометрични съотношения, но тук е представена най-общата идея. През 1875-1878 г. Гибс пуска поредица от творби под общото заглавие "За равновесието на хетерогенните вещества", където принципите на термодинамиката, може да се каже, почти всичко - „газове, смеси, повърхности, твърди вещества, фазови преходи … химични реакции,електрохимични клетки, осмоза и валежи “, изброява Уилям Кропър103. По принцип Гибс показа, че термодинамиката е свързана с топлината и енергията не само в мащаба на големите и шумни парни машини, но също така има значително влияние върху атомното ниво на химичните реакции.
„Равновесието“на Гибс е наречено „основите на термодинамиката“104, но поради причини, които се противопоставят на обясненията, Гибс избра да публикува важните резултати от своите изследвания в Proceedings of Connecticut Academy of Arts and Sciences, списание, което успя да бъде почти непознато дори в Кънектикът. затова Планк разбрал за Гибс, когато вече било твърде късно. * Планк често нямал късмет в живота. Любимата му първа съпруга умира рано, през 1909 г., а най-малкият от двамата сина умира през Първата световна война. Имаше и две дъщери близнаци, които обожаваше. Единият почина при раждане. Друга се погрижи за момиченцето и се влюби в съпруга на сестра си. Те се ожениха и две години по-късно тя също почина при раждане. През 1944 г., когато Планк беше на осемдесет и пет години, бомба от съюзниците [в антихитлеристката коалиция] удари къщата му,и той загуби всичко - вестници, дневници, всичко, събрано през целия живот. На следващата година оцелелият му син беше осъден за заговор за убийство на Хитлер и екзекутиран. Без да загуби присъствието си на ум - но, да кажем, леко обезсърчен - Планк се обърна към други теми. * Ще се свържем с тях скоро, но първо ще прегледаме накратко (но по работа!) Поглед в Кливланд, Охайо, в институция, наречена тогава училище за приложни науки Case Там през 1880-те години сравнително младият физик Алберт Микелсън и неговият колега химик Едуард Морли предприемат поредица от експерименти с любопитни и тревожни резултати, които биха имали силен ефект върху последващия ход на събитията. в съществуването на определено вещество, наречено луминисферен етер - стабилно,невидима, безтегловна, незабележима и, за съжаление, напълно въображаема среда, която, както се смяташе, прониква в цялата Вселена. Породен от Декарт, лесно приет от Нютон и почитан от почти всички оттогава, етерът е бил основен за физиката на XIX век, обяснявайки как светлината пътува през празното пространство.
Това беше особено необходимо през деветнадесети век, защото светлината започна да се разглежда като електромагнитни вълни, тоест вид вибрация. И вибрациите трябва да се случват в нещо; оттук и необходимостта от излъчване и дълъг ангажимент към него. Още през 1909 г. видният британски физик Дж. Дж. Томсън105 категорично твърди: „Етърът не е продукт на въображението на един спекулативен философ; имаме нужда от него колкото въздуха, който дишаме. И това е повече от четири години, след като беше абсолютно неоспоримо доказано, че не съществува. Накратко, хората са много привързани към ефира. Ако трябва да илюстрирате идеята за Америка от XIX век като страна с отворени възможности, едва ли ще намерите по-добър пример от кариерата на Алберт Микелсън. Роден през 1852 г. на полско-германската граница в семейство на бедни еврейски търговци, той се премества със семейството си в САЩ в ранна възраст и израства в Калифорния в лагер за златна треска, където баща му търгува с дрехи. Неспособен да плати за колеж поради бедност, Алберт пътува до Вашингтон и започва да се мотае пред вратите на Белия дом, за да може Улис С. Грант да привлече вниманието на Улис С. Грант по време на ежедневните президентски упражнения. (Беше много по-наивна епоха.)и започна да се мотае пред вратите на Белия дом, за да може Улис С. Грант да привлече вниманието на Улисес С. Грант по време на ежедневните президентски упражнения. (Беше много по-наивна епоха.)и започна да се мотае пред вратите на Белия дом, за да може Улисес С. Грант да привлече вниманието на Улисес С. Грант по време на ежедневното президентско учение. (Беше много по-наивна епоха.)
Промоционално видео:
По време на тези разходки Микелсън толкова спечели благоволението на президента, че се съгласи да му осигури безплатно място във Военноморската академия на САЩ. Именно там Майкълсън усвоява физика. Десет години по-късно, вече професор в Кливландското училище за приложни науки, Майкълсън се интересува от възможността да измерва движението на етера - вид челен вятър, преживяван от предмети, проправящи си път през космоса. Едно от предсказанията на нютоновата физика беше, че скоростта на светлината, движеща се в ефира, трябва да се променя в зависимост от това дали наблюдателят се приближава към източника на светлина или се отдалечава от него, но все още никой не е измислил начин да измери това. На Майкълсън му хрумна, че след шест месеца посоката на движение на Земята около Слънцето е обърната. Следователно,ако правите внимателни измервания с много точен инструмент и сравните скоростта на светлината в противоположните сезони, можете да получите отговора.
Микелсън убеди наскоро богатия изобретател на телефони Александър Греъм Бел да осигури средства за създаването на оригинално и точно устройство със собствен дизайн, наречено интерферометър, което можеше да измерва скоростта на светлината с голяма точност. След това с помощта на талантливия, но сенчест Морли, Майкълсън предприе години на щателни измервания. Работата беше деликатна и изтощителна и временно беше спряна поради сериозно нервно изтощение на учения, но до 1887 г. резултатите бяха получени. Те изобщо не бяха това, което двамата експериментатори очакваха. Както астрофизик от Калифорнийския технологичен институт, Кип С. Торн, 106 пише: „Скоростта на светлината беше еднаква във всички посоки и през всички сезони“. Това беше първият от двеста години - наистина от точно двеста години - намек за товаче законите на Нютон не винаги могат да се прилагат навсякъде. Резултатът от експеримента на Майкълсън-Морли е, по думите на Уилям Кропър, „може би най-известният отрицателен резултат в цялата история на физиката“.
За тази работа Май-Келсън е удостоен с Нобелова награда за физика - и той става първият американец, получил тази награда - двайсет години по-късно И преди това експериментите на Майкълсън-Морли бяха неприятни, като лоша миризма, витаеха в покрайнините на научната мисъл. Изненадващо е, че въпреки откритията си, в зората на ХХ век, Мей-Келсън се класира сред онези, които вярват, че изграждането на науката е почти завършено и остава, по думите на един от авторите на списание Nature, „добавете само няколко кули и кули и изрежете няколко декорации на покрива.“В действителност, разбира се, светът беше на път да навлезе в епоха на такава наука, в която много хора изобщо няма да разберат нищо и никой няма да може да покрие всичко. Учените скоро ще се окажат заплетени в разхвърляно царство от частици и античастици, където нещата възникват и изчезват с течение на времето.в сравнение с това кои наносекунди изглеждат ненужно удължени и бедни за събития, при които всичко е непознато.
Науката се премести от света на макрофизиката, където обектите могат да се видят, държат, измерват, в света на микрофизиката, в който явленията се случват с неразбираема скорост и в мащаб, който се противопоставя на въображението. Тъкмо щяхме да навлезем в квантовата ера и първият, който натисна вратата, беше нещастният преди това Макс Планк. През 1900 г., в зрялата възраст на четиридесет и две години, сега теоретичен физик от университета в Берлин, Планк разкри нов " квантова теория ", който твърди, че енергията не е непрекъснат поток като течаща вода, а идва в отделни части, които той нарича кванти. Това беше наистина нова концепция и то много успешна. Скоро това ще помогне за решаването на мистерията на експериментите на Майкълсън-Морли, тъй като ще покаже, че светлината всъщност не трябва да бъде вълна. И в дългосрочен план тя ще се превърне в основата на цялата съвременна физика. Във всеки случай това беше първият сигнал, че светът скоро ще се промени.
Но повратната точка - зората на новия век - настъпва през 1905 г., когато германското физическо списание Annalen der Physik публикува поредица от статии на млад швейцарски служител, който не е свързан с университети, няма достъп до лаборатории и не е редовен читател на библиотеки, по-големи от националното патентно ведомство в Берн. където е работил като технически експерт от трети клас. (Малко преди това е отхвърлено заявление за повишение във втори клас.)
Казваше се Алберт Айнщайн и в една богата година той представи на Annalen der Physik пет статии, от които три, според C. P. Сняг, „бяха сред най-големите трудове в историята на физиката“- в едната, използвайки новата квантова теория на Планк, беше изследван фотоелектричният ефект, другата беше посветена на поведението на малки частици в суспензия (известна като Брауново движение), а друга постави основите на специалната теория на относителността. * Айнщайн е удостоен с малко неясна „награда за теоретична физика“. Трябваше да чака шестнадесет години за наградата, до 1921 г. - доста дълго време по всякакви стандарти, но дреболия в сравнение с връчването на наградата Фредерик Рейнс, който откри неутрино през 1957 г. и спечели Нобелова награда едва през 1995 г., тридесет и осем години по-късно,или на германеца Enrst Ruske, който е изобретил електронния микроскоп през 1932 г. и е получил Нобелова награда през 1986 г., почти половин век по-късно. Тъй като Нобеловата награда не се присъжда посмъртно, дълголетието е важна предпоставка за това, заедно с изобретателността. Първата, за която нейният автор е удостоен с Нобелова награда, обяснява естеството на светлината (което, наред с други неща, допринася за появата на телевизия). * Вторият съдържаше доказателство, че атомите наистина съществуват, факт, който, колкото и да е странно, продължаваше да се оспорва по това време. А третият просто промени света.за което авторът му е отличен с Нобелова награда, обяснява естеството на светлината (което, наред с други неща, допринася за появата на телевизия) *. Вторият съдържаше доказателство, че атомите наистина съществуват, факт, който, колкото и да е странно, продължаваше да се оспорва по това време. А третият просто промени света.за което авторът му е отличен с Нобелова награда, обяснява естеството на светлината (което, наред с други неща, допринася за появата на телевизия) *. Вторият съдържаше доказателство, че атомите наистина съществуват, факт, който, колкото и да е странно, продължаваше да се оспорва по това време. А третият просто промени света.
Айнщайн е роден през 1879 г. в Улм, Южна Германия, но израснал в Мюнхен. В ранния период от живота му малко каза за предстоящите мащаби на личността му. През 1890-те години електрическият бизнес на баща му започва да запада и семейството се премества в Милано, но Алберт, по това време вече тийнейджър, заминава за Швейцария, за да продължи образованието си - въпреки че не може да издържи приемния изпит от първия опит. През 1896 г., за да не бъде призован в армията, той се отказва от германско гражданство и постъпва в политехническия институт в Цюрих за четиригодишен курс, който завършва учители по природни науки за средните училища. Той беше способен, но не особено забележителен студент; през 1900 г. завършва института и няколко месеца по-късно започва да публикува в Annalen der Physik. Първата му работа по физиката на течностите в сламки за пиене (уау!) се появи в същия брой с работата на Планк по квантовата теория. От 1902 до 1904 г. той публикува поредица от статии за статистическата механика, едва по-късно, за да разбере, че в Кънектикът скромният плодовит Дж. Уилард Гибс прави същото през 1901 г., публикувайки резултатите в своите Основни основи на статистическата механика. Алберт се влюбва в унгарски студент. съученичка Милева Марич. През 1901 г. те имат извънбрачно дете, дъщеря, която бавно дават за осиновяване. Айнщайн никога не е виждал детето си. Две години по-късно тя и Милева се ожениха107. Между тези две събития Айнщайн отива да работи в швейцарското патентно ведомство, където работи през следващите седем години. Работата му харесваше: беше достатъчно интересна, за да даде работа на ума, но не толкова стресираща, че да пречи на физиката. Именно в тези условия той създава специалната теория на относителността през 1905 година.
„За електродинамиката на движещите се тела“е една от най-удивителните научни публикации, публикувани някога, както в презентация, така и в съдържание. Нямаше справки или бележки под линия, почти нямаше математически изчисления, 108 не се споменаваше за предишна или влиятелна работа и имаше само помощта на един човек - колега в патентното ведомство Мишел Бесо. Оказа се, пише Ч. П. Snow109, че „Айнщайн е стигнал до тези заключения само чрез абстрактно размишление, без външна помощ, без да се вслушва в мнението на другите. Изненадващо, до голяма степен точно така беше.
Известното му уравнение E = mc2 отсъства в тази работа, но се появява след кратко добавяне няколко месеца по-късно. Както може би си спомняте от ученическите си дни, E в уравнението означава енергия, m означава маса, а c2 означава скорост на светлината на квадрат. С най-простите думи това уравнение означава, че масата и енергията са еквивалентни. Това са две форми на едно нещо: енергията е освободена материя; материята е енергия, която чака в крилата. Тъй като c2 (скоростта на светлината, умножена по себе си) всъщност е огромен брой, формулата показва, че във всеки материален обект има чудовищно - наистина чудовищно - количество енергия. тук Дейвид Боданис предполага, че идва от латинското celentias, което означава скорост. В съответния том на Оксфордския речник на английския език, изготвен десет години преди появата на теорията на Айнщайн, за символа c са посочени различни значения, от въглерод до крикет, но не се споменава за символа на светлината или скоростта. смятайте се за силен малък, но ако сте просто възрастен с нормално телосложение, тогава във вашата незабележителна фигура ще има поне 7 х 1018 джаула енергия. Това е достатъчно, за да избухне със силата на тридесет много големи водородни бомби, при условие, че знаете как да освободите тази енергия и наистина искате да го направите. Всичко, което ни заобикаля, съдържа този вид енергия. Просто не сме много силни да го пуснем. Дори водородната бомба е най-енергийното нещо, което успяхме да създадем днес,- освобождава по-малко от 1 процент от енергията, която тя би могла да освободи, ако бяхме по-сръчни.
Наред с много други неща, теорията на Айнщайн обяснява механизма на радиоактивността: как бучка уран може непрекъснато да излъчва високоенергийни лъчи и да не се топи от нея като ледено кубче. (Това е възможно благодарение на най-високата ефективност на превръщането на масата в енергия в съответствие с формулата E = mc2.) Това също обяснява как звездите могат да изгарят милиарди години, без да изразходват горивото си. С един замах на писалката, проста формула, Айнщайн дарява на геолози и астрономи лукса да работят милиарди години. Но най-важното е, че специалната теория на относителността показа, че скоростта на светлината е постоянна и ограничаваща. Нищо не може да го надвиши. Относителността ни помогна да видим светлината (без игра на думи) като най-централната концепция в нашето разбиране за природата на Вселената. И, което също далеч не е случайно,тя реши проблема със светещия етер, като стана напълно ясно, че той не съществува. Айнщайн ни даде вселена, която не се нуждаеше от него. Физиците обикновено не са склонни да обръщат твърде много внимание на претенциите на швейцарското патентно ведомство, така че въпреки изобилието от полезни иновации, които съдържат, малко хора забелязаха статиите на Айнщайн.
След като разрешава някои от най-големите мистерии на Вселената, Айнщайн се опитва да си намери работа като преподавател в университета, но му е отказано, след това иска да стане учител в гимназията, но тук му е отказано. Затова се върна на мястото си като третокласен технически експерт - но разбира се продължи да мисли. Краят дори не се виждаше. Когато поетът Пол Валери веднъж попита Айнщайн дали има тетрадка, в която записва идеите си, Айнщайн го погледна с искрена изненада. "О, това не е необходимо", отговори той. "Нямам ги толкова често." Излишно е да казвам, че когато ги имаше, те обикновено бяха добри. Следващата идея на Айнщайн е най-великата, която някога е хрумвала на някого - наистина най-великата от великите, както посочва Burs,Motz и Weaver в тяхната обемна история на атомната физика 111. „Като продукт на един ум - пишат те, - това несъмнено е най-високото интелектуално постижение на човечеството“. И това е заслужена похвала. Понякога те пишат, че някъде около 1907 г. Алберт Айнщайн видял работник да падне от покрива и започнал да мисли за проблема с гравитацията. Уви, както много забавни истории, и тази изглежда съмнителна. Според самия Айнщайн той е мислил за проблема с гравитацията, просто седнал на стол.като много забавни истории, и тази е съмнителна. Според самия Айнщайн той е мислил за проблема с гравитацията, просто седнал на стол.като много забавни истории, и тази изглежда съмнителна. Според самия Айнщайн той е мислил за проблема с гравитацията, просто седнал на стол.
Всъщност това, което Айнщайн измисли, беше повече от началото на решаването на проблема с гравитацията, тъй като за него беше очевидно от самото начало, че гравитацията е единственото нещо, което липсва в специалната му теория. „Специалното“нещо в тази теория беше, че тя се занимаваше главно с обекти, които се движат свободно112. Но какво се случва, ако движещ се обект - предимно светлина - срещне такава пречка като гравитацията? Този въпрос заемаше мислите му през по-голямата част от следващото десетилетие и доведе до публикуването в началото на 1917 г. на труд, озаглавен „Космологични съображения за общата относителност“113. Специалната теория на относителността от 1905 г. беше, разбира се, дълбока и значима работа; но, както Ч. П. Сноу, ако Айнщайн не беше мислил за нея по негово време, някой друг щеше да го направи,може би през следващите пет години; тази идея беше във въздуха. Общата теория обаче е съвсем друг въпрос. „Ако не се беше появила, пише Сноу през 1979 г., може би ще я изчакаме и до днес.“С лулата си, скромен апел и наелектризирана коса, Айнщайн беше твърде талантлив, за да остане завинаги в сянка, а през 1919 г. година, когато войната беше назад, светът изведнъж я отвори. Почти веднага неговите теории на относителността придобиха репутацията на неразбираеми за обикновените смъртни. Инциденти като случилото се с Ню Йорк Таймс, който реши да даде материал по теорията на относителността, не помогнаха да се коригира това впечатление. Айнщайн е твърде талантлив, за да остане завинаги в сянка, и през 1919 г., с войната зад гърба си, светът внезапно го отваря с нисък глас и наелектризирана коса. Почти веднага неговите теории на относителността придобиха репутацията на неразбираеми за обикновените смъртни. Инциденти като случилото се с Ню Йорк Таймс, който реши да даде материал по теорията на относителността, не помогнаха да се коригира това впечатление. Айнщайн е твърде талантлив, за да остане завинаги в сянка, и през 1919 г., с войната зад гърба си, светът внезапно го отваря с нисък глас и наелектризирана коса. Почти веднага неговите теории на относителността придобиха репутацията на неразбираеми за обикновените смъртни. Инциденти като случилото се с Ню Йорк Таймс, който реши да даде материал по теорията на относителността, не помогнаха да се коригира това впечатление.реши да даде материал за теорията на относителността.реши да даде материал за теорията на относителността.
Докато Дейвид Боданис пише за това в своята отлична книга E = mc2, поради причини, които не предизвикаха нищо друго освен изненада, вестникът изпрати да интервюира учения на своя спортен кореспондент, специалист по голф, някакъв Хенри Крауч. Материалът очевидно не беше за него. зъби и той обърка почти всичко. Сред упоритите гафове, съдържащи се в материала, е твърдението, че Айнщайн е успял да намери издател, достатъчно смел, за да се заеме с издаването на книга, която само дузина мъдреци "в целия свят могат да разберат". Нямаше такава книга, такъв издател, такъв кръг от учени, но славата остана. Скоро броят на хората, способни да разберат значението на относителността, намаля още повече в човешката фантазия - и, трябва да кажа, в научната общност, малко беше направено, за да се предотврати разпространението на това изобретение. Когато журналист попита британския астроном сър Артър Едингтън дали е вярно, че той е един от само трима души в целия свят, които разбират теориите за относителността на Айнщайн, Едингтън се преструва за момент, че се замисля дълбоко, а след това отговаря: който е третият. " Всъщност трудността с относителността не беше в това, че тя съдържаше много диференциални уравнения, преобразувания на Лоренц и други сложни математически изчисления (въпреки че беше така - дори Айнщайн се нуждаеше от помощта на математиците при работа с тях), а че противно на обичайните идеи. В действителност трудността с относителността не беше в това, че тя съдържаше много диференциални уравнения, преобразувания на Лоренц и други сложни математически изчисления (въпреки че беше така - дори Айнщайн се нуждаеше от помощта на математиците при работа с тях), а че противно на обичайните идеи. Всъщност трудността с относителността не беше в това, че тя съдържаше много диференциални уравнения, преобразувания на Лоренц и други сложни математически изчисления (въпреки че беше така - дори Айнщайн се нуждаеше от помощта на математиците при работа с тях), а че противно на обичайните идеи.
- Част две -