Евгений Серебряный
К.ф.-м.н. Теоретическая и математическая физика
Science
4 мин на чтение

Научный фольклор: кто настоящий автор мема атомной эры?

Научный фольклор: кто настоящий автор мема атомной эры?
Поделиться материалом

«Это стало огромным сюрпризом. Потому что в студенческие годы Эйнштейн был настоящим лентяем Он никогда серьезно не занимался математикой»

Герман Минковский (в книге Карла Зелига «Альберт Эйнштейн»)

Согласно научным преданиям, Альберт Эйнштейн сформулировал E = mc2  в 1905 году, и с божественной легкостью объяснил, как энергия может высвобождаться в звездах и ядерных взрывах. Так гласит легенда. На самом деле Эйнштейн не был первым человеком, который рассмотрел эквивалентность массы и энергии.

Знаменитая формула для энергии E, скрытой во всяком материальном теле массой M: E = mc2 (С = 300 тыс. км/сек — скорость света) стала мемом атомной эры.

Что это за огромная загадочная энергия, стало ясно с развитием атомной физики. Чтобы извлечь ее в виде излучения, возьмите полграмма вещества и полграмма антивещества. Приведите в соприкосновение.

Получите взрыв, мощностью в 21,5 килотонны в тротиловом эквиваленте. Что примерно соответствует мощности атомной бомбы «Fat Man», сброшенной 9 августа 1945 года американцами на Нагасаки (Япония). Часть этой энергии высвобождается, скажем, в ядерных реакциях внутри звезд, разогревая и наше Солнце, и нашу Землю.

Альберт Эйнштейн анализировал эту формулу в знаменитой статье 1905 года — «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?».  

В том же году Эйнштейн опубликовал статью, посвященную объяснению фотоэффекта на основании квантовой теории света.

Именно за нее он получил Нобелевскую премию (1921 г.). Эйнштейн не был противником квантовой теории. Он был лишь противником ее вероятностной интерпретации.

Формула настолько символична, что можно встретить мысль, будто Эйнштейн написал ее по наитию


Но это не так. Он не
является ее автором. В 1864 году выдающийся шотландский физик Максвелл публиковал работу «Динамическая теория электромагнитного поля».

В ней, с учетом известных законов электричества и магнетизма, используя механическую модель распространения волн, он предложил уравнения, имеющие для электрических сил то же значение, что и закон гравитационного взаимодействия небесных тел, опубликованный Ньютоном почти за 200 лет до того.

Одним из замечательных следствий был вывод Максвелла о том, что свет — это и есть электромагнитные волны.

Там, где бытовая интуиция ничем помочь не может, ученые руководствуются загадочным, иррациональным чувством прекрасного. Они опираются на ощущение логического совершенства, идеи симметрии, философские доктрины и вещи вне физики


Симметрия в математике характеризуется набором преобразований, которые переводят картинку, фигуру, уравнения в себя.

Например, вращение кубика вокруг независимых осей.

После каждого поворота на 90 градусов, он совмещается сам с собой. Поскольку два последовательных поворота — снова какой-нибудь поворот, все такие преобразования вместе образуют единый объект — группу симметрий.

Что касается кубика, как выглядит его группа симметрий, мы понимаем интуитивно.

Для пространства и времени она вытекает из фундаментального физического принципа: все законы природы выглядят одинаково в системах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга.

Другими словами, плывя в большом океанском лайнере и не выглядывая в иллюминатор, вы никакими экспериментами не определите — движется он или стоит в порту


Образно говоря, при переходе между эквивалентными системами отсчета, физика «совмещается сама с собой».  Группа симметрий в физике, под названием «преобразования Галилея», была известна для уравнений движения Ньютона — ключевого научного продукта дорелятивистской эры.

И вот, оказалось (Г. А. Лоренц и А. Пуанкаре), что уравнения Максвелла обладают другой, более сложной группой симметрии (Пуанкаре назвал ее повороты «преобразования Лоренца» в честь первооткрывателя).

По Ньютону физика симметрична так, а по Максвеллу — этак. Кто-то из двоих ошибся! И похоже, исправлять надо было теорию гравитации самого Ньютона


Новая
фундаментальная симметрия мироздания соединяла воедино, перемешивала (как вращения перемешивают грани симметричного кубика) ранее, казалось бы, разнородные объекты — электричество и магнетизм, энергию и импульс, пространство и время. Это было непонятно и захватывающе.

Именно из формулы перемешивания энергии и импульса, взялось соотношение  E = mc2.

Геометрическую логику этой новой симметрии хорошо понимал преподаватель математики Эйнштейна — Герман Минковский.

Ему (вслед за А. Пуанкаре) принадлежит математически прозрачное описание того, что специальная теория относительности изменяет театр действия физических законов.

На смену трехмерному пространству, плюс вечное равномерно текущее время, приходит четырехмерное пространство-время (пространство Минковского), ингредиенты которого перемешиваются при переходе от одной равномерно движущейся системы отсчета к другой:

«Взгляды, которые я хочу перед вами развить, возникли на экспериментально-физической основе. В этом заключается их сила. Их тенденция радикальна. Отныне, пространство само по себе и время само по себе, низводятся до роли теней, и лишь некоторый вид их соединения сохраняет шанс на реальность»
(Из доклада Г.
Минковского 1908 г, по кн. М. Борн «Размышления и воспоминания физика»)

Для Эйнштейна главным уроком было такое прочтение той формулы: М = Е/С² означавшее эквивалентность энергии и инертной массы (свет гравитирует!).

Эта мысль, геометрические идеи Минковского, работы Анри Пуанкаре и помощь приятеля Марселя Гроссмана в вопросах римановой геометрии, привели Эйнштейна к новой теории гравитации спустя 10 лет.

Поделиться материалом

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Получайте свежие статьи

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: