Марио Бертолотти - История лазера

• Название: История лазера
• Автор: Марио Бертолотти
• Издательство: Издательский Дом «Интеллект»
• Жанр: Физика
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-91559-097-6

Книга, которую Вы взяли в руки — редкий сплав добротного изложения основ современной физики и ее истории. История науки предстает здесь в неразрывной связи драмы идей в познании природы и судеб конкретных людей. Все эти выдающиеся исследователи были захвачены в круговорот жестокой истории XX века, которой в книге уделено немало страниц.

Автору удалось совместить рассказы о жизненном пути замечательных личностей с пристальным, шаг за шагом, анализом гипотез, теории и эксперимента.

Для широкого круга читателей, интересующихся современной физикой.

---

Семья Эйнштейна происходила из маленького, тихого немецкого городка Бухау на пути к озеру Констанц. Там жили евреи, которые уже не соблюдали религиозных правил и обычаев. В 1880 г. семья перебралась в Мюнхен, где отец Эйнштейна инженер по профессии, открыл в партнерстве со своим братом маленькую электрохимическую мастерскую. В следующем году родилась единственная сестра Альберта, к которой он был очень привязан. Молодого Альберта описывают как скрытного, меланхоличного и задумчивого мальчика, который поздно стал говорить, не любил физической активности и игр с другими мальчиками. Когда ему было четыре или пять лет, произошло нечто, глубоко потрясшее его: отец показал ему карманный компас, который постоянно указывал одно и то же направление, повинуясь невидимой и таинственной силе, как бы не вертели компас.

Спустя некоторое время, когда ему было пять или шесть лет, он с большим рвением стал учиться играть на скрипке, больше получая удовольствие от самой игры нежели от мастерства исполнения. Он поступил в католическую начальную школу, так как это было наиболее удобно, и оказался евреем среди христиан; а среди евреев он был аутсайдером, подобно членам его семьи. Позднее, в возрасте 10 лет, он перешел в гимназию, но был нетерпим к строгой дисциплине, диктаторскому духу и отсутствию свободы. В гимназии его заставляли учить латинскую и греческую грамматику, что мешало его изучению математики и физики, интерес к которым он получил от своего дяди Якоба инженера. «Алгебра — веселая наука» — любил он говорить. «Мы идем на охоту за маленьким зверем, название которого мы не знаем, так что мы называем его х. Когда мы подстрелим нашу дичь, мы набрасываемся на нее и даем ей ее собственное название».

В то время Эйнштейн прочел книгу по геометрии Эвклида и серию популярных книг по науке и познакомился с принципами дифференциального и интегрального исчисления. Окружающим юный Эйнштейн казался несчастным и подавленным аутсайдером. Учителя обвиняли его в плохом влиянии на соучеников. Но даже если его детство и было ничем непримечательным, его школьная жизнь, вопреки тому, что написано в некоторых биографиях, была достаточно яркой.

Однажды в гимназии учитель попросил его выйти из класса. Эйнштейн ответил, что не будет этого делать. Тогда учитель сказал: «Хорошо. Но сядь на последний ряд. Твои ухмылки оскорбляют учителя, которому нужно чувствовать уважение класса». В это время в нем росло чувство антагонизма к официальности и к имперской Германии, чувство, которое никогда не покидало его.

Первоначально процветающая мастерская его отца перестала приносить доходы, и братья Герман и Якоб Эйнштейны приняли приглашение переехать в Италию. Семьи вначале перебрались в Милан в 1894 г., а на следующий год в Павию, где открыли новую мастерскую. Альберт оставался в Мюнхене, чтобы продолжить учение, но в начале весны 1895 г., имея на руках свидетельство врача о нервном расстройстве, он получил разрешение оставить гимназию, которую он ненавидел, и присоединился к родителям в Италии, которые так и не узнали, что врачебное свидетельство было инициативой самого Альберта. Он обещал родителям, что сам подготовится к вступительным экзаменам в Цюрихский Политехникум и сообщил им, что намерен аннулировать свое германское гражданство, что он и сделал позднее, когда поступил в Политехникум. Будучи убежденным антимилитаристом, возможно, таким образом, он хотел избежать военной службы в немецкой армии.

Цюрихский Политехникум

Университет Цюриха был основан в 1813 г. согласно желанию жителей города получать высшее образование не покидая его пределов. До этого времени единственным университетом в Швейцарии был университет в Базеле. В 1855 г. был основан Федеральный институт технологии и политехники, который должен был удовлетворить нужду в техническом образовании, и Рудольф Клаузиус (1822-1888) был назначен туда профессором физики (1857). Клаузиус был одним из великих физиков 19 столетия. Он сформулировал второе начало термодинамики и определил концепцию энтропии; также он внес существенный вклад в кинетическую теорию газов.

В 1878 г. Альфред Кляйнер (1849-1916) был назначен профессором экспериментальной физики. Его главным достижением, как он часто признавался, было принятие в 1905 г. диссертации Альберта Эйнштейна, и лоббирование дать ему в 1909 г. кафедру теоретической физики, впервые учреждаемой в университете.

В октябре 1895 г. Эйнштейну было отказано в приеме в Политехникум. Поскольку он не имел стандартного школьного аттестата, ему отказали даже в праве сдать вступительные экзамены, несмотря на его превосходные результаты по математике и физике. Чтобы получить нужный аттестат, он поступил в школу немецко-говорящего кантона. Там он чувствовал себя более счастливым, чем в немецкой гимназии. На следующий год он смог поступить на физико-математический факультет Политехникума. В 1901 г. он принял швейцарское гражданство.

В течение года, который он провел в школе, озадачился проблемой: если некто движется за световой волной со скоростью, равной скорости света, то он будет сталкиваться с полем в волне, не зависящим от времени. Однако, это невозможно! Это был первый мысленный эксперимент, который он рассмотрел, и этот парадокс, вставший перед ним, после десятилетий размышлений привел его к специальной теории относительности.

Короткие записи, сделанные им во время обучения в школе, дают нам некоторое представление относительно его планов:

«Мои планы на будущее

Счастлив человек, который живет настоящим, чтобы много думать о своем будущем. Но, с другой стороны, молодые люди любят строить смелые планы. Более того, естественно для серьезного молодого человека добиваться по возможности желаемых целей.

Если мне повезет с моими экзаменами, и я смогу поступить в Политехникум. Я провел бы там четыре года, изучая математику и физику. Я мечтаю стать преподавателем в этих областях естественных наук, выбрав теоретическую часть.

Вот причины, ведущие меня к этому плану. Прежде всего, это моя склонность к абстрактному и математическому мышлению и отсутствие изобретательности и практических способностей. Мои желания живут во мне в согласии с этим. Это вполне естественно; каждый предпочитает делать то, к чему у него имеются склонности. Кроме того, в профессии ученого есть определенная независимость, которую я так люблю».

Среди студентов в Политехникуме он встретил Милеву Марич (1875— 1948), темноволосую сербку, которая была на четыре года старше его и которая в 1903 г. стала его женой и, позднее, матерью его трех детей. Также он познакомился со своим однокашником, швейцарцем Марселем Гроссманном (1878—1936), который, 18 лет спустя, стал его математическим сотрудником в написании общей теории относительности. Среди его учителей был знаменитый математик Герман Минковский (1864—1909), который в 1907 г. ввел концепцию пространства-времени, внеся, тем самым, существенный вклад в развитие теории относительности.

В Политехникуме, он стал другом М.А. Бессо (1873—1955), молодого инженера из Триеста, который с 1904 г. был его коллегой по Патентному бюро и оставался его близким другом и корреспондентом всю жизнь. Эйнштейн много времени проводил за работой в физической лаборатории, увлекаясь непосредственным участием в экспериментах. Однако его учитель профессор Г. Ф. Вебер (1843—1912), лекции которого не нравились Эйнштейну, не был в восторге и однажды сказал ему: «Вы симпатичный юноша, Эйнштейн, очень симпатичный. Но у вас есть большой недостаток: вам не нравится, чтобы вам говорили что-нибудь».

В течение последнего семестра, в результате лекций Германа Минковского по капиллярности, Эйнштейн включился в работу по этой проблеме. Капиллярность является специальной формой энергии, связанной с формой и положением поверхности жидкости. Например, она может определять уровень жидкости в тонкой трубке (капилляре). В XIX в. многие ученые, среди которых были Томас Юнг, П.С. Лаплас (1749-1827), К.Ф. Гаусс (1777-1855), Дж. К. Максвелл, Д.Д. ван дер Ваальс (1837-1923) (нобелевский лауреат по физике 1910 г. «за свою работу по уравнению состояния газов и жидкостей») и А. Пуанкаре, занимались этой проблемой. Лаплас считал, что причина капиллярности в существовании сил сцепления молекул жидкости. Как следствие, можно получить из экспериментального изучения капиллярности жидкости информацию об этих внутримолекулярных сил. Эта возможность интересовала Эйнштейна в его первом исследовании в 1901 г. и, как мы увидим, продолжала интересовать его и позднее.

Патентное бюро

После окончания Политехникума и получения степени в 1900 г. Эйнштейну не удалось получить место в Политехникуме, где он не собирался заниматься интересующими его темами, и где его не любили его учителя. После безуспешных попыток найти работу он с помощью своего друга Марселя Гроссманна устроился в Патентное бюро в Берне. Там он чувствовал себя вполне удовлетворенным, серьезно относился к работе и даже находил ее интересной. Более того, он располагал временем и возможностью заниматься своей собственной физикой. Итак, он стал писать работы по физике, посылая их в журнал Annalen der Physik, редакция которого располагалась в Вене. Среди них, он опубликовал в 1903—1904 гг. работы по основам статистической механике, но он не знал, что Гиббс уже опередил его. Эйнштейн приготовил докторскую диссертацию и в 1905 г. успешно защитил ее и сдал экзамены. Он продолжал свои исследования в теоретической физике и в том же году написал работу по световым квантам, которая принесла ему Нобелевскую премию, первую работу по теории относительности, написал диссертацию, посвященную «моему другу Марселю Гассманну», в которой он описал новый теоретический метод определения радиусов молекул и число молекул, которые могут занимать данный объем (число Авагадро), и, наконец, представил результаты исследования движения взвешенных частиц в жидкости (броуновское движение). Это последнее исследование можно рассматривать как побочный продукт его диссертации и которое было опубликовано в том же журнале в 1906 г.