Владимир Львов - Альберт Эйнштейн

• Название: Альберт Эйнштейн
• Автор: Владимир Львов
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1959

Это книга о жизни и научных открытиях одного из величайших физиков нашего времени. Альберт Эйнштейн, мужественный ученый, смело пролагавший новые пути в науке, творец теории относительности, коренным образом изменившей научные взгляды на законы природы, выдающийся борец за мир, изображен автором на широком историческом фоне, в окружении близких ему людей, в борьбе с научными противниками. Рассказывая о сложном и противоречивом жизненном пути ученого, книга в общедоступной форме знакомит читателя с существом замечательных открытий Эйнштейна.

---

На страницах не только фантастических романов и газетных статей, но и в серьезных научных журналах все чаще стали упоминаться искусственные спутники Земли и дебатировался вопрос о запуске ракет в космос.

Эйнштейн, разумеется, не мог не вспомнить в этой связи о гениальном русском мыслителе-самоучке, о котором он столько наслышался в Берлине. «Эра Циолковского» и впрямь готовилась встретиться на перекрестке исторических дорог с «эрой Эйнштейна»! Искусственные спутники и космические ракеты, эти маленькие небесные тела, намеченные к запуску в пространство вселенной, обещали дать физикам инструмент для постановки таких экспериментов в космосе, от которых захватывало дух даже у самого автора теории относительности!

Начать с первого из эффектов, предсказываемых теорией тяготения, — эффекта движения перигелия планетных орбит.

Единственным «подопытным» небесным телом для исследований этого рода была, как мы помним, ближайшая к Солнцу планета Меркурий. Положение должно было измениться после появления вблизи земного шара новых искусственных лун. Теперь уже можно было надеяться подметить кривизну пространства, создаваемую полем тяготения Земли. И хотя масса земного шара в сотни тысяч раз меньше солнечной (что уменьшает эйнштейновский эффект вращения эллипса), но зато чрезвычайно велико число оборотов спутника вокруг Земли. Меркурий, например, за сто лет оборачивается 414 раз вокруг Солнца, тогда как спутник (обращающийся на расстоянии около тысячи километров) обошел бы нашу планету за тот же срок 540 000 раз! Это должно привести к более быстрому накоплению ничтожно малых изменений и — в итоге — смещение перигея[75] спутника за год достигло бы 14,5 дуговых секунды. Это всего лишь в три раза меньше аналогичного векового эффекта для Меркурия. Не нужно, стало быть, затрачивать на опыт целое столетие, но эксперимент может быть проведен, в разных притом условиях и на разных объектах, в течение одного года![76]

Столь же увлекательные перспективы для проверки эффекта «красного смещения».

Спутник, на борту которого находился бы постоянно действующий радиопередатчик, должен испытывать в поле земной тяжести все те изменения хода часов и сдвиги частот, о которых говорилось в связи со звездными спектрами. Сдвинутыми в данном случае оказались бы частоты не светового, а радиодиапазона, и это обеспечит гораздо большую относительную точность измерений. В области сантиметровых радиоволн современная техника и впрямь позволяет подметить изменение длин волн, исчисляемое миллиардными долями сантиметра. Своеобразие эксперимента на спутниках выразится далее в том, что излучатель и приемник колебаний будут находиться тут в обратной взаимосвязи по сравнению со звездными наблюдениями. В опыте, например, со спектром «Сириуса В» регистрирующий прибор помещался на Земле, то есть за пределами поля тяготения звезды, а излучатель (атомы звездного газа) находился в этом поле. Теперь же — в эксперименте с искусственными спутниками — объектом наблюдения явится само поле Земли, а генератор радиоволн окажется вынесенным на периферию этого поля. Сдвиг частот поэтому будет направлен в обратную сторону — число колебаний в секунду увеличится. Придется говорить поэтому уже не о «красном», а о «фиолетовом» смещении длин волн, испускаемых искусственными спутниками! Чем дальше при этом будет отстоять от Земли орбита маленькой луны, тем резче проявится эйнштейновский эффект изменения хода часов…

Но это было не всё.

Переносясь мысленно из царства эйнштейновских законов тяготения в область частной теории относительности («варианта 1905 года»), пионеры межпланетных полетов должны были задуматься всерьез над возможностями, скрывающимися в самом простом факте равномерного и прямолинейного движения.

Что сулит звездоплаванию относительность величин пространства и времени, заложенная в механике больших скоростей?

К этому вопросу подталкивали все новые и новые факты, входившие в повседневный обиход физиков в годы после окончания второй мировой войны.

8

Вот, например, мю-мезоны — новые атомные частицы, замеченные впервые в потоке космических лучей. Измеренный тогда же срок жизни этих неустойчивых частиц — они возникают в атмосфере и составляют вторичную, «жесткую» компоненту лучей из космоса — выражается двумя миллионными долями секунды. Но если мю-мезон «живет» в среднем две миллионные секунды, то какую длину пути может он пройти за это время в воздухе? Если допустить — в пределе, — что полет происходит без торможения и со скоростью, почти не отличающейся от быстроты света, то ответ дается простым перемножением: 300 000 (километров в секунду) X 0,000002 (секунды) = 0,6 (километра). Однако практически, как показали наблюдения, мезоны в потоке космических лучей проходят до момента своего распада толщину атмосферы, исчисляемую многими километрами и даже десятками километров. Как понять эту неувязку? Разгадка оказалась простой: две миллионные секунды — это срок жизни мю-мезона, который показывают «стрелки часов», связанные с самим мезоном (или с любой материальной «площадкой», покоящейся относительно мезона). Рассматривая же поведение частицы относительно поверхности Земли, придется сделать вывод, что ход течения времени для движущегося мезона замедляется. Это был тот самый эффект «растяжения времени», который десятилетием раньше был воспроизведен в лаборатории Айвсом и Стилуэллом. Теперь его демонстрировала физикам сама природа. Срок жизни мезонов, согласно эйнштейновской механике, оказывается увеличенным не менее чем в 15–20 раз, и это дает им возможность пролететь (по отношению к поверхности Земли) в 15–20 раз больший отрезок траектории.

Необычайный эффект «замедленного старения» мезона, пополнив список экспериментальных подтверждений теории относительности, заставил вспомнить об одном парадоксальном рассуждении, рассматривавшемся еще в первые годы эйнштейновской теории.

Если ход часов на движущихся материальных «площадках» замедляется, то пассажиры межпланетной ракеты, умчавшейся с большой скоростью прочь от нашей планеты, будут стареть гораздо медленнее, чем их сверстники, оставшиеся на Земле. Ведь замедление течения времени должно сказаться, бесспорно, не только на периоде качания маятника и на беге часовой стрелки, но и на ритме всех процессов в организме. Темп биений сердца, скорость обмена веществ в клетках, ритм замыканий и размыканий в нервных путях — все должно быть иным в ракете, движущейся по отношению к Земле, если вести счет времени по циферблату часов Земли. Подсчет показывает, что пассажир ракеты, двигавшейся в два раза медленнее, чем свет, вернувшись домой после трех лет странствий (исчисленных «по часам ракеты»), увидит Землю и всех людей на ней постаревшими на пять лет. Звездоплаватель же, летевший со скоростью в 99 процентов от быстроты света, после трех лет отлучки обнаружит, что на Земле прошло пятьдесят лет!

Успехи ракетной техники и общий интерес к звездоплаванию заставили заговорить о «парадоксе Эйнштейна» как о чем-то находящемся, во всяком случае, на полпути от научной фантастики к реальному будущему.

Беседуя как-то раз за чашкой чая с одним из энтузиастов межпланетного дела (это было в 1951 или 1952 году), Эйнштейн услышал из его уст целую развернутую программу дальних вояжей в космосе, программу, основанную целиком на законах его, эйнштейновской, механики и раздвигающую горизонты дальше, чем мог подозревать он сам!

Собеседник сослался на расчеты и соображения западногерманского физика Эугена Зенгера, только что опубликованные тогда в одном из научных журналов.

— Барьер скорости света, — сказал собеседник, — не может отныне считаться преградой, заслоняющей путь человеку в самые дальние глубины вселенной. Это остается верным, даже если принять во внимание механику Эйнштейна и закон предельности скорости света.

Предположим, что ракета совершает путь между Землей и ближайшей звездой Проксимой в созвездии Центавра, отстоящей от нас на четыре с третью световых года. (Световой год — отрезок пути, проходимый светом за год.) Значит ли это, что пассажиры ракеты при всех условиях не смогут достигнуть этой звезды раньше, чем за четыре с третью года? Речь идет тут о годах человеческой жизни, пределы которой хорошо известны. На первый взгляд как будто приходится ответить «да». И если так, тогда из пределов досягаемости для человека заведомо оказалось бы исключенным все пространство космоса, простирающееся дальше, чем на какую-нибудь сотню световых лет!

Разберемся в этом. Пусть ракета, совершающая перелет между Землей и звездой Проксимой, движется так, что в первую половину пути скорость наращивается постепенно на 10 метров в секунду каждую секунду, а во вторую половину — убывает тем же темпом[77]. Необходимую энергетическую базу для ускоренного движения на столь чудовищно огромных расстояниях, заметим, смог бы дать в будущем процесс полного преобразования («аннигиляции») вещества. Речь идет о превращении и исчезновении атомных ядер нацело, с выделением наружу всей их массы и энергии! Формула E = mc2, формула Эйнштейна, дает для этого теоретического процесса выход энергии, в 100 раз превосходящий то, что могут дать термоядерные реакции, и в 1000 раз — расщепление ядер урана. Струя реактивного выхлопа в ракете, работающей на таком источнике, состояла бы из частиц — фотонов и мезонов, — движущихся со скоростью, равной или почти равной скорости света. Расчет, проведенный на основе эйнштейновской механики, показывает, что в этих условиях весь маршрут «Земля — звезда Проксима» займет по часам ракеты 3,6 года, а перелет в оба конца (без остановок) — 7,2 года. Между тем свет потребовал бы для такого же путешествия около девяти лет. Означает ли это, что ракета полетит быстрее света? Вовсе нет. Дело лишь в том, что все отрезки пути (если судить о них с помощью «путемера», находящегося на ракете) сокращаются по сравнению с расстояниями по масштабам Земли. Двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, ракета, следуя эйнштейновской механике, будет как бы стирать расстояния. (Другой стороной той же медали явится эффект «растяжения» времени…)