I. Творческое образование
Встреча с чудом.
Альберт Эйнштейн родился в 1879 году в Ульме в Германии. Как-то в возрасте 4-5 лет, когда он болел, отец принес ему компас. Воздействие компаса на маленького Альберта оказалось и впечатляющим, и … пророческим. Будучи уже на склоне лет, Эйнштейн отчетливо припоминает охватившее его много лет назад ощущение чуда: недосягаемая и полностью изолированная стрелка компаса тем не менее подвержена воздействию невидимой силы, заставляющей ее поворачиваться на север. Для маленького Альберта магнитная стрелка явилась откровением. Она не укладывалась в привычные рамки, была как бы насмешкой над сложившейся у ребенка простой картиной упорядоченного физического мира. В своей автобиографии Эйнштейн пишет: «Я помню еще и сейчас — или мне кажется, будто помню, — что этот случай произвел на меня глубокое и длительное впечатление».
Школа.
Альберта отправили в Католическую школу в Мюнхене, где тогда жила семья. В школе изучались традиции и догматы католической веры. Эйнштейн вспоминал о своих школьных годах с горечью. Особенно не нравилась ему грубая муштра и механическая зубрежка, которым в те времена отдавалось предпочтение как методам воспитания и обучения. «Учеником я был ни слишком хорошим, ни плохим». Моим слабым местом была плохая память, особенно на слова и тексты. Только по физике и математике я благодаря самостоятельным занятиям был далеко впереди школьной программы, да еще по философии — в той мере, в какой она входила в программу».
II Творческое Самообразование
1. Анализ решенных проблем.
Дядя Якоб познакомил Альберта с теоремой Пифагора: квадрат гипотенузы прямоугольного треугольника равен сумме квадратов катетов. Альберт был очарован. После напряженных раздумий ему удалось найти доказательство теоремы, что в тех обстоятельствах было необыкновенным достижением, доставившем большое удовольствие и дяде и племяннику.
2. Изучение проблемной литературы.
Настоящий восторг вызвал у Альберта маленький учебник Евклидовой геометрии. Ему в то время было двенадцать лет. В своих «Автобиографических набросках» Эйнштейн с восхищением вспоминал о «Священной книжечке по геометрии»: «Там были утверждения, например, о пересечении трех высот треугольника в одной точке, которые хотя и не были сами по себе очевидны, но могли быть доказаны с уверенностью, исключавшей как будто всякие сомнения. Эта ясность и уверенность произвели на меня неописуемое впечатление».
3. Анализ научных публикаций.
Ребенком Альберт читал популярные научные издания, по его собственным словам «затаив дыхание». Эти книги дал Альберту студент-медик, который одно время каждую неделю бывал в доме Эйнштейнов.
В шестнадцать лет Альберт самостоятельно освоил дифференциальное исчисление.
4. Выбор Достойной цели.
В шестнадцать лет, еще во время учебы в Арау, Альберт задумался над тем, что случилось бы, если бы мы могли следовать за световой волной со скоростью света. Впервые задав себе этот вопрос в шестнадцать лет, Эйнштейн долгие годы не переставал размышлять над ним. В этом вопросе содержался зародыш теории относительности, и в то время никто в мире не мог бы дать на него удовлетворительного ответа. Эйнштейну на него понадобилось десять лет.
5. Систематизация научной информации.
В цюрихском политехникуме большую часть времени он использовал для самостоятельных занятий, с восторгом уходя в удивительный мир науки, ставил эксперименты и изучал первоисточники — труды великих пионеров естествознания и философии.
Проблема лекционного материала была решена путем того, что его друг М. Гроссман давал свои конспекты Альберту для подготовки к экзаменам.
6. Решение научных проблем.
После окончания политехникума он написал первую научную статью по проблеме капиллярности, которая была опубликована в 1901 году в «Анналах физики».
В том же году он завершает работу над научной статьей по термодинамике. В ноябре он представил ее в Цюрихский университет в качестве диссертации на соискание степени доктора философии. Статья была опубликована в «Анналах физики», но в качестве диссертации не прошла.
7. Общественная лаборатория.
Работая в Берне, Эйнштейн познакомился с М. Соловиным. К ним присоединился математик К. Габихт, и они втроем образовали маленькое общество, с любовью названное ими «Академия Олимпия». Эйнштейн и его друзья встречались, чтобы поговорить о философии и физике, а иногда и о литературе или каком-либо предмете, занимавшем их воображение. Друзья вместе читали и разбирали основные труды по философии и естествознанию, которые оказали сильное влияние на развитие идей Эйнштейна. По мере формирования этих идей, Эйнштейн выносил их на суд своих друзей.
III. Самостоятельные исследования.
Поиск и Решение научных проблем.
Третья, четвертая и пятая работы Эйнштейна (1903-1904 гг.) касаются термодинамики. Л. Больцман дал статистическую интерпретацию понятия энтропии, которым Эйнштейну предстояло овладеть. Каким образом ему удалось этого добиться?
Оттолкнувшись от основополагающей работы Больцмана, Эйнштейн детально развил для себя его идеи. За исключением некоторых новых частностей он повторил исследования Больцмана. Этими же проблемами занимался У. Гиббс. Это свидетельствует, сколь многого достиг к тому времени Эйнштейн — почти самоучка, ведь Больцман и Гиббс — гиганты науки. Более того, разработав статистические принципы, для которых впоследствии ему удалось найти более широкое применение, Эйнштейн уже тогда значительно превзошел достижения этих ученых.
Необходимо отметить, что все последующие работы Эйнштейна — это развитие предыдущих. Планирование от частных к общим целям, точнее к общей Достойной Цели.
Формулирование и решение проблем.
Эйнштейн указал на глубокий конфликт между тем, как физики-теоретики рассматривают материю, и тем как они рассматривают излучение. Материя считалась состоящей из частиц. Однако уравнения Максвелла то есть уравнения поля, описывали излучение как нечто гладкое и непрерывное, без какого-либо намека на атомарность, а потому одновременное рассмотрение и материи, и излучения привело бы к столкновению, а не гармоничному взаимодействию традиционных теорий. Эйнштейн математически доказал, что такое столкновение неминуемо. Можно ли его избежать? И вот Эйнштейн смело предложил рабочую гипотезу, согласно которой свет следует рассматривать состоящим из частиц.
Для решения проблемы, Эйнштейн позаимствовал у Вина формулу энтропии излучения и сопоставил ее с формулой излучения черного тела, выведенной самим же Вином. В этом случае математическая запись энтропии излучения становилась аналогичной формуле энтропии газа, а тем самым и составляющих его частиц. Затем Эйнштейн сопоставил ее, но уже по другому, с предложенной Больцманом формулой энтропии в теоретико-вероятностной ее интерпретации. Далее Эйнштейн показал, что для этих частиц света соотношение энергия / частота должно в точности соответствовать той величине, которую Планк использовал для определения квантовых скачков.
Работоспособность.
Работал Эйнштейн с увлечением и без ограничения во времени. Но умел и отдыхать — катался на яхте, играл на скрипке, читал.
IV. Создание научной системы.
Специальная теория относительности.
У Ньютона теория и практика состыкованы друг с другом не лучшим образом. На практике ни состояние покоя, ни равномерное движение не могут быть абсолютными: об этом говорят сами законы Ньютона. И тем не менее Ньютон сформулировал свои законы для абсолютного пространства и абсолютного времени, что при обращении к практике равносильно их отрицанию.
Эйнштейн начинает работу с изложения конфликта, выявляющего суть проблемы: в теории Максвелла проводится необоснованное различие между состояниями покоя и движения. Эйнштейн приводит такой пример. Если магнит и виток провода движутся друг против друга, в проводе возникает электрический ток. Представим себе, что магнит движется, в то время как виток находится в состоянии покоя. Теория Максвелла прекрасно все это объясняет. А теперь сделаем наоборот — пусть виток провода движется, а магнит находится в состоянии покоя. И снова теория Максвелла дает прекрасное объяснение. Но с физической точки зрения оно уже совершенное иное, несмотря даже на то, что вычисленные токи одинаковы.
Таким образом, он формулирует сильный постулат: никакой эксперимент не может обнаружить абсолютный покой или равномерное движение. Этот постулат Эйнштейн назвал принципом относительности. Его второй принцип гласит, что независимо от движения источника свет всегда движется через пустое пространство с одной и той же постоянной скоростью С. В своей статье Эйнштейн пишет, что эти принципы состоят «лишь в кажущемся противоречии». Он делает вывод, что ни одно материальное тело не может двигаться с быстротой света. В этом поразительном выводе неожиданно заключен ответ на вопрос 16-летнего Эйнштейна о движении за световой волной.
И все-таки противоречие он определил как «лишь кажущееся», подразумевая под этим, что собирается его разрешить. Идея, которая пришла Эйнштейну, состояла в необходимости отказа от привычного представления о времени. Согласно Эйнштейну, природа времени такова, что одновременность не связанных между собой событий относительна. События, одновременные с точки зрения А, не одновременны для В. Так как одновременность относительна, то относительно и расстояние. Скорость, ускорение, сила, энергия — все эти понятия зависят от времени и расстояния; таким образом, изменилась сама структура физики.
После изложения теоретических основ, Эйнштейн переходит к математической стороне дела. Он показывает каким образом в свете новых идей о пространстве и времени и связанного с ним пересмотра ньютоновской механики уравнения Максвелла все же согласуются с принципом относительности.
Эта работа опубликована в 1905 году в «Анналах физики». Он делает принципиальный вывод о том, что энергия любого вида обладает массой и масса должна обладать энергией. Итак, масса и энергия эквивалентны. На этом основании Эйнштейну удалось вывести уравнение Е = mc в 1907 году.
Защита убеждений.
Эйнштейн не дожидаясь всеобщего признания своей работы, продолжает выпускать научные труды, в которых развивает свои идеи. Не все ученые приняли теорию относительности с энтузиазмом. Однако все больше и больше выдающихся ученых приходили к тому, чтобы принять их.
Гармония мира.
Когда Эйнштейна официально спрашивали о его вероисповедании, он обыкновенно отвечал, что не придерживается никакой религии. «Я верю в бога Спинозы, который являет свет в гармонии сущего, но не в бога, который возится с поступками людей».
V. Новое научное направление.
В 1911 году в Праге Эйнштейн работает над общей теорией относительности, а в 1912 г. он ввел фундаментальный квантовый закон фотохимических процессов.
Эйнштейн искал способ преобразования теории гравитации Ньютона на релятивистской основе. Почему, спрашивал он, следует полагать равномерное движение особым случаем? Ведь насколько удобнее было бы считать относительным всякое движение — как равномерное, так и неравномерное. Однако факты были явно против него. Ускорение, безусловно является абсолютным. Еще в 1907 г., когда Эйнштейн впервые ввел формулу Е = mc , он поставил тем самым под сомнение абсолютность ускорения. На основе логических рассуждений, Эйнштейн приходит к тому, что с точки зрения механики ускорение относительно. Для этого он выдвинул принцип эквивалентности — никакой эксперимент, проводимый в лаборатории, не может определить, движется ли эта лаборатория с ускорением в пространстве или же покоится на обладающей гравитационным полем Земле.
Расчеты убедили его, что согласно его новой теории, тела, обладающие разной энергией, будут падать с разным ускорением, а это противоречило закону Галилея о том, что в данном месте все тела падают с одинаковым ускорением. Гениальная догадка Эйнштейна состояла в том, что ему показалось подозрительным то объяснение, которое давалось в теории Ньютона закону Галлилея. Ньютон использовал понятие массы в двух смыслах: как меру инерции тела, как меру действия на тело притяжения. Ньютон при объяснении закона Галлилея подразумевает, что тяжелая и инертная массы равны. Но это вступает в противоречие с отведенными им в теории Ньютона существенно разными ролями, и Эйнштейн неожиданно осознал, что это равенство было просто случайным совпадением чисел. Принцип эквивалентности делал закон Галлилея краеугольным камнем Общей теории относительности.
Для преодоления труднейших математических проблем Эйнштейн привлекает к совместной работе математика М. Гроссмана. В 1913 году Эйнштейн и Гроссман опубликовали статью о своих исследованиях, которая была своего рода вызовом здравому смыслу. Это была промежуточная работа по общей теории относительности.
В течении двух лет он шел по неверному пути. К 1915 году Эйнштейну удалось вывести уравнения гравитационного поля, над которыми он так долго бился. Выдвинутая им теория отличалась изумительной простотой и изяществом. Гравитация представлена в ней не силой, а направлением, внутренне присущим пространству — времени. В 1915 г. Эйнштейн показал, что, по его новой теории, дополнительное смещение Меркурия составляет приблизительно 43 дуговые секунды за столетие. Это был сенсационный результат, который в 1916 году был практически подтвержден наблюдениями английского ученого Эддингтона во время солнечного затмения.
6 ноября 1919 г. в Лондоне состоялось историческое совместное заседание Королевского общества и Королевского астрономического Общества. Президент Королевского общества публично провозгласил открытие Эйнштейна «Одним из величайших — а может быть, и самым великим — достижением в истории человеческой масли».
Последние годы жизни.
Последние годы жизни Эйнштейн занимался разработкой единой теории поля. Но ему все никак не удавалось найти никакого основополагающего физического принципа, способного указать направление поисков. Все, на что Эйнштейн мог опираться в поисках единой теории поля, — это только его уникальный жизненный опыт и глубочайшее убеждение, что такая теория должна существовать.
18 апреля 1955 года. Альберт Эйнштейн умер.
Валерий Бухвалов, доктор педагогических наук
Творческая биография подготовлена по книге:
Хофман Б. Альберт Эйнштейн. Творец и бунтарь. — М.: Прогресс, 1983. — 216 с.
