Revoliucijos fizikas pasitelkė fantaziją, o ne sudėtingą matematiką, kad sugalvotų savo garsiausią ir elegantiškiausią lygtį. Bendroji Einšteino reliatyvumo teorija žinoma numatant keistus, bet tikrus reiškinius, tokius kaip astronautų senėjimo lėtėjimas kosmose, palyginti su žmonėmis Žemėje, ir kietų daiktų formos keitimas dideliu greičiu.
Bet įdomu tai, kad jei jūs griebiate Einšteino originalaus 1905 m. Reliatyvumo dokumento kopiją, tai padaryti gana lengva. Tekstas yra paprastas ir suprantamas, o lygtys dažniausiai yra algebrinės - jas gali paruošti kiekvienas gimnazijos studentas.
Taip yra todėl, kad sudėtinga matematika niekada nebuvo hobis Einšteinui. Jis mėgo vaizdžiai mąstyti, eksperimentuoti savo vaizduotėje ir juos konceptualizuoti, kol fizinės idėjos ir principai buvo visiškai aiškūs.
Čia prasidėjo Einšteino minties eksperimentai, kai jam tebuvo 16 metų, ir kaip jie galų gale nuvedė jį į revoliucingiausią šiuolaikinės fizikos lygtį.
1895 m.: bėga šalia šviesos spindulio
Šiuo Einšteino gyvenimo momentu jo prastai užmaskuotas panieka vokiečių šaknims, autoritariniams mokymo metodams Vokietijoje jau buvo svarbus ir jis buvo išmestas iš vidurinės mokyklos, todėl persikėlė į Ciurichą tikėdamasis įstoti į Šveicarijos federalinį technologijos institutą (ETH).
Tačiau pirmiausia Einšteinas nusprendė metus praleisti ruošdamasis netoliese esančio Aarau miesto mokykloje. Šiuo metu jis netruko susimąstyti, kaip buvo bėgti šalia šviesos pluošto.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Einšteinas jau fizikos pamokoje buvo išmokęs, kas yra šviesos spindulys: vibruojančių elektrinių ir magnetinių laukų rinkinys, judantis 300 000 kilometrų per sekundę greičiu, išmatuotas šviesos greitis. Jei bėgtų tokiu greičiu, Einšteinas suprato, kad šalia savęs matė daug vibruojančių elektrinių ir magnetinių laukų, tarsi sustingęs kosmose.
Bet tai buvo neįmanoma. Pirma, stacionarūs laukai pažeistų Maksvelo lygtis, matematinius dėsnius, kurie nustatė viską, ką fizikai žinojo apie elektrą, magnetizmą ir šviesą. Šie dėsniai buvo (ir tebėra) gana griežti: bet kokios bangos šiuose laukuose turi judėti šviesos greičiu ir negali stovėti vietoje, jokių išimčių.
Dar blogiau, kad stacionarūs laukai neatitiko reliatyvumo principo, kuris fizikams buvo žinomas nuo Galileo ir Niutono dienų XVII a. Iš esmės reliatyvumo principas sako, kad fizikos dėsniai negali priklausyti nuo to, kaip greitai judėsite: matuoti galite tik vieno objekto greitį kito atžvilgiu.
Tačiau kai Einšteinas pritaikė šį principą savo minties eksperimentui, kilo prieštaravimas: reliatyvumas diktavo, kad viskas, ką jis matė judėdamas greta šviesos pluošto, įskaitant stacionarius laukus, turi būti kažkas, ką fizikai galėtų sukurti laboratorijoje. Tačiau to niekas niekada nematė.
Ši problema jaudins Einšteiną dar 10 metų, visą studijų ir darbo ETH metu bei kelionę į Šveicarijos sostinę Berną, kur jis taps Šveicarijos patentų biuro ekspertu. Būtent ten jis kartą ir visiems laikams išspręs paradoksą.
1904 m.: šviesos matavimas iš važiuojančio traukinio
Tai nebuvo lengva. Einšteinas išbandė kiekvieną jo galvoje esantį sprendimą, tačiau niekas nepasiteisino. Beveik beviltiškai jis pradėjo svarstyti, tačiau paprastas, bet radikalus sprendimas. Maksvelo lygtys gali tikti viskam, pamanė jis, tačiau šviesos greitis visada buvo pastovus.
Kitaip tariant, kai matai pro šalį einantį šviesos pluoštą, nesvarbu, ar jo šaltinis juda link tavęs, nuo tavęs, į šoną ar kur nors kitur, ir nesvarbu, kaip greitai jo šaltinis juda. Matuojamas šviesos greitis visada bus 300 000 kilometrų per sekundę. Be kita ko, tai reiškė, kad Einšteinas niekada nematys stacionarių svyruojančių laukų, nes niekada negalės pagauti šviesos pluošto.
Tai buvo vienintelis būdas, kurį Einšteinas matė derindamas Maksvelo lygtis su reliatyvumo principu. Iš pirmo žvilgsnio šis sprendimas turėjo savo lemtingą trūkumą. Vėliau jis tai paaiškino dar vienu minties eksperimentu: įsivaizduokite spindulį, kuris paleidžiamas palei geležinkelio pylimą, o traukinys pravažiuoja ta pačia kryptimi, tarkime, 3000 kilometrų per sekundę greičiu.
Kažkas, stovintis šalia pylimo, turėtų matuoti šviesos pluošto greitį ir gauti standartinį 300 000 kilometrų per sekundę skaičių. Bet kažkas traukinyje pamatys šviesą, skriejančią 297 000 kilometrų per sekundę greičiu. Jei šviesos greitis nėra pastovus, Maxwello lygtis automobilio viduje turėtų atrodyti kitaip, padarė išvadą Einšteinas, tada būtų pažeistas reliatyvumo principas.
Šis akivaizdus prieštaravimas privertė Einšteiną galvoti beveik metus. Bet tada, vieną gražią 1905 m. Gegužės rytą, jis nuėjo į darbą su savo geriausiu draugu Micheliu Besso, inžinieriumi, kurį pažinojo iš savo studijų laikų Ciuriche. Du vyrai kalbėjo apie Einšteino dilemą, kaip visada. Ir staiga Einšteinas pamatė sprendimą. Jis dirbo visą naktį, o kai jie susitiko kitą rytą, Einšteinas pasakė Besso: „Ačiū. Aš visiškai išsprendžiau problemą “.
1905 m. Gegužė: Žaibas trenkia į judantį traukinį
Einšteinas atskleidė, kad santykinio judesio stebėtojai laiką suvokia skirtingai: visiškai įmanoma, kad du įvykiai vienu metu įvyks vieno stebėtojo požiūriu, bet skirtingu metu - kito. Ir abu stebėtojai bus teisūs.
Vėliau Einšteinas paaiškino savo mintį dar vienu minties eksperimentu. Įsivaizduokite, kad stebėtojas vėl stovi šalia geležinkelio, o traukinys praskrieja pro jį. Tą akimirką, kai stebėtojas praeina centrinį traukinio tašką, kiekviename traukinio gale trenkia žaibas. Kadangi žaibas trenkia tuo pačiu atstumu nuo stebėtojo, jų šviesa vienu metu patenka į jo akis. Sąžininga sakyti, kad žaibas trenkia tuo pačiu metu.
Tuo tarpu kitas stebėtojas sėdi tiksliai traukinio centre. Jo požiūriu, dviejų žaibo smūgių šviesa nueina tą patį atstumą, o šviesos greitis bus vienodas bet kuria kryptimi. Kadangi traukinys juda, nuo galinio žaibo sklindanti šviesa turi nuvažiuoti didesnį atstumą, todėl stebėtoją ji pataiko keliomis akimirkomis vėliau nei šviesa nuo pat pradžių. Kadangi šviesos impulsai ateina skirtingu laiku, galima daryti išvadą, kad žaibo smūgiai nėra vienu metu - vienas yra greitesnis.
Einšteinas suprato, kad būtent šis vienalaikiškumas yra santykinis. Ir kai jūs tai pripažinsite, keistieji efektai, kuriuos dabar siejame su reliatyvumu, išsprendžiami paprasta algebra.
Einšteinas pašėlusiai užrašė savo mintis ir pateikė savo kūrinį paskelbti. Pavadinimas buvo „Apie judančių kūnų elektrodinamiką“ir jis atspindėjo Einšteino bandymą susieti Maksvelo lygtis su reliatyvumo principu. Ypatinga padėka buvo skirta Besso.
1905 m. Rugsėjis: masė ir energija
Tačiau šis pirmasis darbas netapo paskutiniu. Einšteinas buvo apsėstas reliatyvumo iki 1905 m. Vasaros, o rugsėjį jis atsiuntė antrąjį straipsnį, kuris jau buvo pateiktas atgal.
Tai buvo pagrįsta dar vienu minties eksperimentu. Įsivaizduokite objektą ramybės būsenoje, sakė jis. Dabar įsivaizduokite, kad jis tuo pačiu metu skleidžia du vienodus šviesos impulsus priešingomis kryptimis. Objektas išliks vietoje, tačiau kai kiekvienas impulsas nuneša tam tikrą energijos kiekį, objekte esanti energija sumažės.
Dabar, rašė Einšteinas, kaip šis procesas atrodytų judančiam stebėtojui? Jo požiūriu, objektas tiesiog toliau judės tiesia linija, o du impulsai nuskris. Bet net jei dviejų impulsų greitis išliks toks pats - šviesos greitis - jų energijos bus skirtingos. Impulsas, judantis į priekį važiavimo kryptimi, turės didesnę energiją nei tas, kuris juda priešinga kryptimi.
Šiek tiek algebros Einšteinas parodė, kad tam, kad visa tai būtų nuoseklu, objektas turi ne tik prarasti energiją siunčiant šviesos impulsus, bet ir masę. Arba masė ir energija turėtų būti keičiami. Einšteinas užrašė juos jungiančią lygtį. Ir tai tapo garsiausia lygtimi mokslo istorijoje: E = mc2.
ILYA KHEL