Два важных следствия

Альберт Эйнштейн

Из специальной теории относительности вытекают два важных следствия. Они касаются взаимозависимости между массой и скоростью, а также между массой и энергией. Диалектический характер этих проблем представляется очевидным. Найденное Эйнштейном решение выходит по своему значению далеко за пределы круга результатов, представляющих чисто научный интерес.

До Эйнштейна инертная масса, то есть инерциальное сопротивление тела, рассматривалась как неизменная величина. Это соответствовало механистически-метафизическим представлениям ньютоновской натурфилософии. Еще в 1895 году, в докладе на Собрании естествоиспытателей в Любеке, Оствальд ссылался на классическое представление о неизменности массы. Однако вскоре после этого, в 1901 году, физики-экспериментаторы обнаружили в опытах с быстро движущимися электронами, что масса электрона возрастает при увеличении скорости. Теперь этот факт получил научное обоснование в эйнштейновской теории относительности.

Пока скорость движущегося тела мала по сравнению со скоростью света, возрастание массы, обусловленное движением, остается незначительным. Поэтому в классической механике, имеющей дело с малыми скоростями больших тел, такое возрастание не обнаруживается. Наоборот, в релятивистской механике увеличение массы играет важную роль. Правильность этого вывода Эйнштейна была практически доказана атомной физикой, когда были созданы гигантские установки для ускорения элементарных частиц.

Второе следствие еще более важно. Его значение выходит далеко за пределы физики и техники. Оно определяет судьбы народов и будущее всего человечества.

Вскоре после опубликования статьи "К электродинамике движущихся тел" Эйнштейн писал своему другу Конраду Габихту: "Мне пришло в голову еще одно следствие электродинамической работы. Из принципа относительности в сочетании с фундаментальными уравнениями Максвелла следует, что масса должна быть непосредственной мерой энергии, содержащейся в теле; свет переносит массу. У радия должно происходить заметное убывание массы. Это соображение радует и подкупает. Однако не смеется ли по этому поводу и не водит ли меня за нос господь бог - этого я не могу знать".

Результаты, вытекающие из такого "радующего и подкупающего соображения", Эйнштейн изложил в уже упоминавшейся выше статье о связи между инерцией тела и содержащейся в нем энергией. Упомянутая статья объемом в три печатных страницы принадлежит к самым коротким и в то же время ни с чем не сравнимым по важности последствий публикациям в мировой истории естествознания. Она содержит основные положения закона об эквивалентности массы и энергии.

Математическим выражением закона Эйнштейна является всемирно знаменитая, теперь уже почти вошедшая в поговорку формула E=mc². Она гласит, что любой перенос энергии (E) всегда связан с переносом соответствующей массы (m), а квадрат скорости света c играет здесь роль коэффициента пропорциональности. Эта формула также трактуется как выражение, описывающее "превращение" массы в энергию. Именно на этом представлении основано объяснение так называемого дефекта массы. В механических, химических, тепловых и электрических процессах он слишком мал и потому оставался незамеченным. Однако в атомной физике он имеет большое значение. Дефект массы заключается в том, что сумма масс отдельных составных частей атомного ядра может быть больше массы атомного ядра в целом. Это следует понимать таким образом, что недостающая масса превратилась в энергию связи, необходимую для удержания в ядре входящих в его состав частей. Атомная энергия есть не что иное, как превратившаяся в энергию масса. В искусственно вызываемых ядерных реакциях происходит освобождение этой могучей энергии.

Открытая Эйнштейном эквивалентность массы и энергии позволила упростить все физические законы сохранения. Оба закона - сохранения массы и сохранения энергии, - до этого существовавшие отдельно друг от друга, превратились теперь в один общий закон, который можно сформулировать следующим образом: для замкнутой материальной системы сумма массы и энергии остается неизменной при любых процессах.

Разумеется, время для этого открытия назрело. Не было недостатка в важных предварительных работах и ценных частных результатах. К ним принадлежали, например, исследования русского физика-экспериментатора П.Н.Лебедева, приведшие к открытию давления, производимого светом на твердые тела, а также изыскания австрийского физика Фрица Хазенерля; однако и здесь решающий шаг был сделан Эйнштейном.

В целом вклад, внесенный Эйнштейном в науку, требовал смелости мысли, свободы от предрассудков и отсутствия преклонения перед авторитетами, догматические взгляды которых определяли представления естествоиспытателей. Всеми этими качествами обладал Эйнштейн, который с самых ранних лет был противником любых догм. В годы, предшествовавшие открытиям, эти свойства его характера развились и укрепились под влиянием чтения работ по теории познания. Но работа Эйнштейна требовала также очень тонкой интуиции и способности улавливать суть назревших к тому времени проблем. "Сила духа не может заменить чуткости пальцев", - писал ученый позднее, умудренный собственным опытом в вопросах научного творчества.

Эйнштейн никогда не скрывал, что теоретическое изучение природы представляет собой очень трудоемкое и зачастую полное приключений предприятие, исход которого далеко не всегда можно предвидеть заранее. Он воспринимал физику как "авантюру познания". В одной из позднейших статей, излагая историю своих исследований по теории относительности, Эйнштейн писал, между прочим, следующее: "В свете уже достигнутого знания удачно полученные результаты представляются само собой разумеющимися, и любой сообразительный студент может усвоить их без особого труда. Но полные предчувствий многолетние искания во тьме с их напряженными устремлениями, с чередованием уверенности и разочарования и с их конечным прорывом к истине - все это знает лишь том, кто пережил это".

Несмотря на то что статьи Эйнштейна, содержащие принципиально новые идей, были с интересом встречены некоторыми его коллегами, в целом успех его научной работы заставил себя ждать еще довольно долго. В 1905 году Эйнштейн не без трудностей защитил в Цюрихском университете диссертацию на соискание степени доктора философии. В качестве диссертации он представил одну из своих статей по молекулярной физике. Через два года после получения степени он потерпел неудачу при попытке занять в Бернском университете место доцента по теоретической физике. По совету близких друзей через полгода он еще раз повторил попытку добиться от факультета права на преподавание - и на этот раз с большим успехом. Представленная им на соискание доцентуры рукопись имела следующее заглавие: "Следствия из закона распределения энергии в излучении черного тела, касающиеся структуры излучения". В зимнем семестре 1908/09 учебного года тридцатилетний приват-доцент прочел свои первые лекции; они были посвящены теории излучения. В аудитории сидели всего четыре слушателя, причем одним из них был коллега Эйнштейна по работе в Бюро патентов.

Весной 1909 года Эйнштейн был назначен экстраординарным профессором теоретической физики Цюрихского университета. Прежде чем приступить к лекционной деятельности в начале осеннего семестра, Эйнштейн впервые выступил перед научной общественностью на конференции естествоиспытателей в Зальцбурге. Темой его доклада, встреченного с большим вниманием, было "Развитие наших представлений о сущности и структуре излучения". В ходе конференции он завязал личное знакомство с Максом Планком, Вильгельмом Вином, Генрихом Рубенсом, Арнольдом Зоммерфельдом и другими известными физиками. Здесь же он впервые встретился с Максом Борном, который был на несколько лет моложе Эйнштейна. Борн, ученик и сотрудник Минковского в Геттингене, позднее, в период первой мировой войны, стал одним из ближайших друзей Эйнштейна в Берлине.

Фридрих Гернек, 1984 год