БЕЛИТЕ ХРОНИКИ НА ВИТАНОВ. Хроника 6: Алберт Айнщайн Част 2: След 1905 г.

Автори: Николай К. Витанов, Калоян Н. Витанов

Институт по механика – БАН, сп. Българска наука, бр. 86, 2016 г.

 

По пътя към Берлин

И тъй, 1905 година отминава. Големите открития са направени и славата на Айнщайн започва да расте. Първо по света, а после и в Швейцария. И в Цюрихския университет решили да направят Айнщайн професор. Но не било тъй лесно – по тогавашните швейцарски закони нямало как да направиш някого професор, ако той преди това не е бил доцент. Но изход се намерил – поканили го за извънреден доцент (приват-доцент), като му позволили да съвместява новите си задължения с работата си в патентното бюро в Берн – фиг. 1.


РЕКЛАМА:

***

Фиг. 1. В патентното бюро в Берн.

Айнщайн не бил много ентусиазиран от тая работа, но приел. Не бил ентусиазиран, защото му се струвало, че преподавателските задължения ще го извадят от състоянието на необременителна служба и възможност за свободна изследователска дейност, в което се намирал в Берн. И бил частично прав.

В 1909 г. в Цюрихския университет се появила ваканция за професор по теоретична физика. Мислите си, че веднага го предложили на Айнщайн? Ами, ами. Фаворитът бил друг. А именно Фридрих Адлер, състудент на Айнщайн от Цюрихската политехника.

Адлер бил също приват-доцент, но бил и страшно влиятелен. Е, че как тъй, ще попитате. Ами така – Адлер бил влиятелен член на цюрихската организация на швейцарската социалдемократическа партия, а пък кантоналният департамент на просвещението в Цюрих бил точно в ръцете на тая партия. С други думи, не Айнщайн, ами Адлер бил желаният кандидат за професорската длъжност (позната картинка, нали). Обаче късметът на Айнщайн сработил – Адлер се оказал истински социалист, а не фалшив такъв. Той заявил, че Цюрихският университет не бива да пропуска да привлече учен, чиято научна дейност ще допринесе за издигане на престижа на университета и се отказал от мястото. И тъй Айнщайн станал извънреден професор в Цюрихския университет. Разбира се, заплатата била по-ниска, отколкото заплатата на редовния професор и заплатата на Айнщайн в Цюрих била горе-долу толкова, колкото била и заплатата му в Берн. Да, ама Цюрих бил по-голям и по-скъп град. Тоест, финансовото състояние на Айнщайн не се подобрило и скоро се наложило и Милева да се включи във финансирането на семейството, приготвяйки обяди за студенти! Е, Айнщайн (както и баща му) не били много успешни в бизнеса и финансите. А семейството растяло – през 1910 г. се родил вторият син на Айнщайн. Трябвало да се търси по-добре платена работа. И Милева, по женски, започнала да ръчка неитересуващия се от финансите съпруг. И тъй, от Цюрих Айнщайн за някое време се озовал в Прага.

Фиг. 2. Още една снимка от цюрихския период на Айнщайн (преди да тръгне за Прага), на която позира с Милева Марич .

В Прага бил един от най-старите университети в Европа. По онова време Чехия била в състава на Австроунгарската империя и университетът бил разделен на две части – немски университет и чешки университет. Правителството покровителствало (разбира се) немския университет и го използвало като инструмент за германизация на славянското население. Немският университет имал могъщ ректор – самият Ернст Мах – фиг. 3 (оня, дето изчислил скоростта на звука и направил доста други неща).

Фиг. 3. Ернст Мах.

А пък един от главните двигатели на германизацията бил Антон Лампа. Та, на Лампа му дошла идеята да издигне още повече реномето на германския университет, като покани Айнщайн за редовен професор в него. И Лампа поканил Айнщайн да участва в конкурса за редовен професор и поискал отзиви за него от видните учени по онова време. Интересен е отзивът на Планк. Планк написал, че ако теорията на Айнщайн се окаже вярна (за специалната теория на относителността става дума) то Айнщайн следва да се счита за Коперник на XX век.

Фиг. 4. Паметната плоча на къщата в Прага, където живял Айнщайн през 1911 и 1912 г.

Да, ама Айнщайн пак не бил желаният кандидат, ами първата резерва. Желаният кандидат бил Густав Яуман, професор по физика в Технологичния институт в Бърно. Яуман бил върл последовател на идеите на Макс и виенските чиновници откровено го предпочитали като кореняк австриец. Яуман бил обаче с големи претенции. Когато получил поканата да участва в конкурса, към нея имало списък с поканените кандидати (по азбучен ред). И Айнщайн бил преди него в списъка. Яуман се ядосал толкова, че изпратил гневен отказ да участва в конкурса, тъй като в Пражкия университет май предпочитали случайната популярност (на Айнщайн) пред действителните заслуги (на Яуман). Какво да се прави, длъжността била дадена на Айнщайн, който не бил, както се казва днес, много навит да се мести от Швейцария в Чехия. Но заплатата била голяма и Айнщайн се преместил в Прага, като оставил старите приятели в Цюрих.

Но пък се появили нови приятели – на солвеевския конгрес през 1911 г. – фиг. 5 Солвей – крупен инженер (и не толкова крупен учен) под влиянието на Валтер Нернст (заместникът на Планк в обществото от институти „Кайзер Вилхелм” в Германия) решил да събере на конгрес известните физици от Европа и да им представи своите идеи. Айнщайн също бил поканен, заедно с Ръдърфорд, Мария Кюри, Планк и Нернст, Лоренц и още някои други.

Фиг. 5. Солвеевският конгрес през 1911 г. Младежът Айнщайн все още не е в центъра на кадъра.

Солвей бързо се убедил, че собствените му научни теории не струват много, но пък решил и занапред да събира изтъкнати учени на дискусии – тъй се появили солвеевските конгреси – важни регулярни срещи за обсъждане на новите идеи във физиката по онова време.

На конгреса през 1911 г. доста се обсъждала специалната теория на относителността. Не я разбрали много (с изключение на Лоренц – тоя същия, на когото са кръстени Лоренцовите трансформации) и Айнщайн не бил особено доволен от тая работа. Върнал се в Прага, където престоял до 1912 г., след което отново поел към Швейцария.

Тъй ли? – ще кажете – че къде отишъл. Е, как къде – редовен професор в най-реномираното швейцарско висше училище – ETH (Цюрихската политехника). Там му предложили да стане ръководител на катедрата по теоретична физика. Политехниката, като федерално висше училище, предлагала несравнимо по-добри условия от кантоналния Цюрихски университет. Федералното правителство полагало големи усилия да направи политехниката равна на водещите университети в Европа и особено да постигне високо ниво на обучението по математика и физика. Та заплатата била много висока. За Айнщайн това не било тъй важно, но да не забравяме прекарващата 8 часа на ден на 40 сантиметра от ушите му Милева. И тъй Айнщайн се върнал в Швейцария. Но като си тръгвал от Прага, пропуснал да си напише оставката, което силно затормозило австрийските просветни чиновници във Виена. Почнала се една кореспонденция, която траела някоя и друга година, докато Айнщайн най-накрая си депозирал оставката като професор в университета в Прага. На Милева обаче започнало да й писва от този завеян мъж.

Берлинският период

В разказа ни за Планк вече ви споменахме защо за една държава е добре да има система от институти, занимаващи се само с научни изследвания – така много по-бързо тя се развива и в научно, и в технологично отношение. За разлика от нашенските софийски дребни интелектуални „гиганти”, които не виждат проблем да мачкат българската наука, в Германия в началото на 20-ти век нещата били други. Германия била изостанала в научно и технологично отношение от Великобритания и трябвало да навакса. Как – със система от научни институти, разбира се. Аз ще намеря пари, рекъл кайзерът, вие ми кажете кой може да управлява както трябва тази система от институти. Планк, ваше величество, Планк – казали съветниците – той е крупен учен и разбира от организация на науката.

И тъй, в Германия се появило обществото от институти „Кайзер Вилхелм” (днес Макс-Планк общество за развитие на науката в Германия), където учените се занимавали само с научни изследвания и начело на което бил поставен Макс Планк, който заедно със заместника си Валтер Нернст определяли и кадровата политика, привличайки силни учени, около които се създавали мощни и прекрасно финансирани институти. Последствията от пускането на германската научно-технологична машина скоро се усетили. А пък един от привлечените учени бил Айнщайн. Е, по онези времена и Цюрихската политехника не можела да се мери с финансовата мощ на германската империя, която използвала научната си мощ, за да създаде железен юмрук, с който да промени отношенията на пазари и източници на суровини, както и съотношението на силите във военната област. Държавна политика значи, а не весело кудкудякане от телевизионните екрани за феодални старци и изравняване на заплатите на учените със заплатите на чистачките (да не се чудите защо германците тъй, пък ние иначе). Та, в обществото на кайзер Вилхелм освен кайзера влизали и крупни промишленици и банкери, които имали статус на сенатори и тоз статус бил тъй по-голям, колкото те повече финансирали научните институти на обществото. Така че Планк и Нернст можели да отправят неустоими предложения на всеки учен, за когото смятали, че може да допринесе за издигане на репутацията и мощта на германския райх. Планк бил стратегът, произхождащ от германската аристокрация (всъщност фамилията му била фон Планк, макар и той никога да не настоявал на това фон), а енергичният Нернст бил човекът на германската буржоазия – един от най-големите химици на 20-ти век, енергичен и способен да създаде тактическите планове за претворяване в дело на всяка стратегия. И тъй Планк и Нернст си набелязали Айнщайн и един ден се появили в Цюрих с неустоимо предложение – от 20-те човека, които разбирали теорията на относителността, казал Планк, 18 са в Германия, освен това на Айнщайн била предложена катедрата по теоретична физика на Берлинския университет плюс директорското място в института по теоретична физика на обществото „Кайзер Вилхелм”. Кой можел да откаже такова нещо? Е, как кой – Айнщайн, разбира се. На него не му се напускал спокойния Цюрих и не му се занимавало с пруската бюрократична машина в многолюдния Берлин. От друга страна, Айнщайн разбирал, че Планк бил прав – средата за работа в Германия била много по-добра от тази в Швейцария. Заплатата в Германия също била доста по-голяма. Но Айнщайн поискал да си помисли и насрочил втора среща, досущ конспиративно. Та Планк и Нернст трябвало да посетят пак Цюрих и ако на гарата Айнщайн ги посрещнел с букет от червени цветя – значи бил съгласен да се премести в Берлин. Ако букетът бил от бели цветя – това означавало отказ. Е, букетът бил червен. Айнщайн тръгнал към Берлин, а разочарованата Милева останала в Цюрих. Бракът им вече не можел да бъде спасен. Но за Айнщайн това нямало толкова голямо значение.

Фиг. 6. Берлин, 20-те години на 20-ти век.

Общата теория на относителността

Противно на очакванията на Айнщайн, животът в Берлин му понесъл добре. На семинара му по теоретична физика често идвали Планк, Нернст, Макс фон Лауе, Шрьодингер и други. Единственото, което мъчело Айнщайн, е че го тормозели да се облича подобаващо на професор. Но нещата скоро щели да се променят. Това скоро било лятото на 1914 г., когато започнала Първата световна война. Айнщайн бил дълбоко обезпокоен от шовинистичните паради в Германия, а и в другите европейски страни. Той пише на приятеля си Пол Еренфест, че в тази обезумяла Европа се твори нещо невероятно, което показва към каква жалка порода животни принадлежим ние хората. И в академичните среди се усещала войнствеността. Айнщайн с почуда наблюдавал как кротки довчера хора днес крещели за унищожаване на Англия, Русия или Франция. Той често се криел от полуделия свят при своя далечен роднина Рудолф Айнщайн, който живеел в Берлин с дъщеря си Елза. По-късно, през 1919 г., когато Айнщайн се развежда с Милева Марич, той се жени за Елза – фиг. 7. И освен Елза, Айнщайн си намира и друго занимание, което да го отдалечи от кошмарното всекидневие – общата теория на  относителността.

Фиг. 7. Алберт и Елза Айнщайн.

Айнщайн считал, че е изкуствено да се отделят равномерно праволинейно движещи се системи от другите отправни координатни системи. В равномерно и праволинейно движещите се системи механичните процеси протичат еднообразно и не зависят от скоростта на движение на отправната система. В системите, движещи с ускорение, механичните процеси протичат нееднообразно и зависят от ускорението на системата. Това ускорение предизвиква инерционни сили, които не могат да се обяснят с взаимодействие на телата. Тези сили свидетелстват за движение на отправната система и затова принципът на относителността на Галилей и Нютон, валиден за равномерно и праволинейно движещите се системи, не може да бъде пренесен към отправните системи, движещи се с ускорение. Да си припомним едно основно положение от специалната теория на относителността, за която говорихме в първата част на нашия разказ за Айнщайн. Специалната теория на относителността ни казва, че в инерциалните системи (т.е. в тези, които се движат равномерно праволинейно една спрямо друга) не само механичните, ами и оптичните, че и всички физични процеси протичат еднообразно. А може ли този принцип на относителността, да се обобщи и за отправни системи, движещи се с ускорение? Е, Айнщайн успял да обобщи принципа на относителност към системите, движещи се с ускорение. За целта обаче, трябвало да постави на пиедестал една от силите – гравитацията.

Фиг. 8. Малко следствия от общата теория на относителността.

Та като поставите някакво тяло в някакво поле, тялото повече или по-малко възприема полето (или пък не го възприема). Възприемчивостта на тялото към полето можем да наречем заряд на тялото. Зарядът по отношение на гравитационното поле има особено име – гравитационна маса. Гравитационната маса е пропорционална на инертната маса, която мери съпротивлението на тялото, когато се опитате да го задвижите.

Колкото е по-трудно да измените скоростта на тялото, толкова е по-голяма инертната му маса. А колкото едно тяло е по-тежко, толкова повече то се притегля към други тела. Та, всички тела, независимо от инертната им маса, изпитват едно и също ускорение в гравитационно поле и падат в близост до земята с една и съща скорост (ако не се отчита съпротивлението на въздуха). А пък, когато система от няколко тела се ускорява, телата се съпротивляват на това ускоряване пропорционално на техните инертни маси и това съпротивление се усеща като тласък в посока, обратна на посоката на ускоряването. Този тласък се свързва със силата на инерцията, пропорционална на инертната маса (изпитвали сте го този тласък, ако сте били прав във влак, който тръгва внезапно). Ускорението, предизвикано от гравитационното поле, е пропорционално на гравитационната маса на тялото. И така, имаме гравитационна маса и инертна маса. Е, нека да предположим, че гравитационната маса и инертната маса са пропорционални една на друга. Тогава няма да можем да познаем дали наблюдаемите от нас ускорения на телата са предизвикани от гравитационно поле или пък от ускореното движение на отправната система. И тъй, полека стигаме до основния принцип, който Айнщайн полага в основите на общата теория на относителността. И който лесно се обяснява с асансьорите, които си е представял Айнщайн. Имаме значи един асансьор и вие сте в него. Ако асансьорът не се движи и има гравитационно поле, вие ще усетите, че оказвате налягане върху пода на кабината (ако тежите някой и друг килограм). Ако няма гравитационно поле, пък асансьорът се движи с ускорение нагоре, вие пак ще усетите, че оказвате налягане върху пода на асансьорната кабина. Добре, сега сте вътре в кабината и усещате, че оказвате налягане върху пода на кабината. Но дали това е защото сте в гравитационно поле и асансьорът е неподвижен, или пък е защото не сте в гравитационно поле, а асансьорът се движи в подходяща посока – няма да можете да кажете – това предполага Айнщайн и го постулира като принцип на еквивалентността – динамичните ефекти, предизвиквани от ускорението и от гравитационното поле, са неразличими. Тоест, вътрешните ефекти за наблюдаваната система, които са следствие от ускорение, могат да се припишат на гравитационно поле и като така ускореното движение няма абсолютен критерий.

Добре, сега освен върху динамичните ефекти този принцип трябва да бъде разпрострян и върху оптичните явления (както Айнщайн направил през 1905 г. при създаването на специалната теория на относителността). Това нещо не е много тривиално. Представете си нашия асансьор в гравитационно поле и ваша милост вътре и че асансьорът е неподвижен и че освен ваша милост има още и негова милост един светлинен лъч, който влиза през една дупчица от едната стена на кабината и излиза през една друга дупчица от срещуположната стена на кабината. Добре, сега същата картинка, само дето няма гравитационно поле, а асансьорът се движи с ускорение нагоре. Ами то тогава негова милост лъчът може и да не улучи изходната дупка и ще се види слънчево зайче на стената, и вие ще кажете – аха-а-а-а-а, аз се движа с ускорение, а не съм в гравитационно поле. За да не може да кажете това, гравитационното поле трябва да действа върху светлината! Значи светлината има гравитационна маса! Упс, упс, у-у-упс, чакайте, бе, ще кажете, ма щом има маса, светлината трябва да може и да се ускорява!!!

А какво стана с постоянството на скоростта на светлината от специалната теория на относителността? Е, казва Айщайн, специалната теория на относителността е валидна стриктно там, където няма гравитационни полета. Където има гравитационни полета е валидна една друга теория на относителността – общата теория на относителността (ние се надяваме да ни простят колегите теоретични физици, но мислим, че горе-долу обяснихме същината на нещата на читателската аудитория, която не е стъпила нито на раменете на гиганти, нито на томовете на Ландау и Лифшиц). Това, че гравитацията действа върху светлината и криви траекториите на светлинните лъчи, можело да бъде проверено на практика и било добре да се провери, щото от него следвали страшни неща – например, че гравитацията се отъждествява с изкривяване на пространството и времето – фиг. 8. Та, Айнщайн разглеждал гравитационните полета на телата като изкривяване на пространството и времето около тези тела. Ама ако гравитацията е навсякъде, то целокупното пространство-време трябва да е изкривено! Това изкривяване може и да е малко за телата, които се намират на повърхността на Земята, но самата Земя криви доста пространството и времето, та заставя Луната да обикаля около нея. Луната също криви пространството и времето и предизвиква приливи на Земята. Слънцето пък още повече криви пространството и времето и принуждава цяла система от планети да обикалят около него. И тъй нататък. И понеже гравитацията е вездесъща, то не е ли изкривено и цялото пространтство-време? Тоест – има ли кривина на Вселената, тъй както има кривина на двумерната повърхност на Земята? Ако има, то като тръгнем от дадена точка във вселената и вървим по подходяща траектория, то ще можем да се върнем в същата точка! У-у-у-упс – чакайте, ще кажете – ма то става дума за пространство-времето. Демек ще вземем да се върнем не само на същото място в пространството, ами и в същия момент на времето в миналото. Я-я-я-я, намерихме формулата на вечния живот! – то само трябвало да се движим по подходящата траектория във Вселената! А можем ли? Не, не можем – казал Айнщайн. Такава траектория в пространство-времето не може да съществува. Криво е само пространството, предположил Айнщайн, но не и времето. Иначе казано – можем да се върнем в същата точка в пространството, но не можем да се върнем в миналото. Странна работа. Та тогаз Вселената, ако е крива, може да е крайна като пространство, ама времето край няма. Хм, хм, хм. Ами мени ли се кривината на Вселената с течение на времето? Да, мени се и Вселената се разширява – това била по същество идеята на съветския учен Фридман от 1922 г. И като че ли в доста области от Вселената това нещо е наистина така в настоящия момент от време.

Но да се върнем на Земята. „Дивата и безумна” обща теория на относителността можело да бъде проверена и тя била проверена от Артър Едингтън. Едингтън бил колоритна личност. Когато решили да го поласкаят, че бил един от двамата в Британската империя, който разбира от теорията на относителността, той попитал: „Че кой е другият?” Та, Едингтън се сетил, че Слънцето като масивно тяло може да изкриви траекторията на минаващите покрай него фотони и така можело да се потвърди или отхвърли общата теория на относителността. Та значи, ако направим снимка на Слънцето по време на слънчево затъмнение и на тая снимка видим звезди, които са зад диска на Слънцето (и не би трябвало да ги видим, ако няма изкривяване на светлинните лъчи) то теорията на относителността е вярна. Подходящо затъмнение щяло да се случи на 29 май 1919 г. и две експедиции били пратени да снимат Слънцето – едната в Гвинейския залив, а другата – в Бразилия (все места, където слънчевото затъмнение щяло да бъде пълно). Снимките от Гвинейския залив не показали изкривяване на траекторията на светлинните лъчи – щото камерата била оставена на слънце и оптиката се нагряла и оставила чудни ефекти по снимките. Обаче при снимките от Бразилия (където се сетили да се погрижат оптиката да не се нагрее) изкривяването си го имало. Тъй поне това твърдение на общата теория на относителността било потвърдено и се счело, че цялата теория е вярна. И това вече донесло огромната световна слава на Айнщайн. Но във времената на война, революции и нарастваща неприязън към евреите, Айнщайн горчиво отбелязал: “Ако теорията беше невярна, английските вестници щяха да пишат, че съм немски учен, а германските вестници щяха да пишат, че съм швейцарски евреин. Сега, когато теорията се оказа вярна, германските вестници пишат, че съм немски учен, а английските вестници пишат, че съм швейцарски евреин”.

Фиг. 9. Айнщайн през 1921 г.

Антиеврейските настроения в Германия се увеличавали и една от съществените мишени на тези сантименти бил и Айнщайн. Той се опитал да избяга от тези неща по стария изпитан начин – като се зарови в работата си. А известността му намалявала броя на часовете, които можел да отделя за научна работа. Трябвало да отговаря на всякакви писма и то по много на ден. Айнщайн казвал: „Често сънувам нашия пощальон, който се е превърнал в дявол и ме затрупва с нови и нови купчини писма като наказание за това, че не съм смогнал да отговоря на старите“.

След общата теория на относителността Айнщайн започнал да се опитва да направи единна теория на полето. Кривината на пространството значи се отъждествява с гравитацията. Ами няма ли други геометрични свойства на пространството, с които да се отъждествят другите видове сили? Тук Айнщайн ударил на камък. И по едно време писал на Еренфест, че не може да реализира тази идея, защото не може да свърже електромагнитното поле с някакво свойство на пространството и още по-трагично стояли нещата с електрона. От тези години е и обяснението на Айнщайн в две изречения какво е теорията на относителността. По-рано са смятали, казва той, че ако материалните тела изчезнат от Вселената, пространството и времето ще продължат да съществуват. Теорията на относителността ни казва, че ако материалните тела изчезнат от Вселената, пространството и времето също ще изчезнат. И тъй 20-те години на XX век се изнизали и дошли 30-те години (фиг. 10) и Хитлер.

Фиг. 10. Берлин – 30-те години на XX век.

Националсоциалистите желаели ликвидация на обективните критерии в науката. Кое е вярно и кое – не, трябвало да се определя от Фюрера. Тая работа била в противовес с рационалното теоретично мислене в науката. И те си го казвали. Министърът на просветата Руст заявявал, че националсоциализмът не е против науката, а е враг само на теорията. И ето как и Айнщайн попаднал в лагера на враговете на националсоциализма с утежняващи вината обстоятелства – на всичкото отгоре, освен виден теоретик, той бил и евреин.

Но Айнщайн имал късмет. Когато Хитлер дошъл на власт, Айнщайн бил на посещение в САЩ. В Ню Йорк той се срещнал с германския консул, който официално му казал, че нищо не го застрашава в Германия, но в последвалия неофициален разговор му намекнал, че той на негово масто не би се върнал в Германия. Айнщайн така и направил – подал оставка като член на Пруската академия на науките и останал в САЩ. В Германия имуществото на Айнщайн било конфискувано, а публикациите му изгаряни като неарийска литература. А Айнщайн отишъл в института за върхови изследвания в Принстън.

Фиг. 11. В кабинета си в Принстън.

Тук ще направим малко отклонение, особено за тези чугунени глави, които непрекъснато папагалят, че наука се прави само в университетите на запад. Не, западняците отдавна са разбрали, че най-ефективно науката се развива в системи от институти, в които учените се занимават само с наука. В Германия кайзерът основал Обществото на кайзер Вилхелм за развитие на науката. В САЩ съществували множество институти, къде финансирани от държавата, къде финансирани от едри индустриалци и финансисти. В тези институти учените се занимавали само с наука. Такъв бил и институтът в Принстън, в който отишъл Айнщайн. Първият автор на тази статия, който е автор на горната бележка, добре разбира, че горните факти няма да спрат кудкудяченето на чугунените глави, които ще си кудкудячат, че наука в България трябва да се прави само в университетите, дори когато българската наука загива, а също че долните им гащи са чисти, дори, когато не са. Но за нашенските „герои” в науката и в управлението ще има да четете в черните хроники. Това са белите хроники и се връщаме към Айнщайн и института в Принстън, където се занимавали само с наука, а не с кудкудяк, кудкудяк, днеска снесох „умна” мисъл за развитие на българската наука, утре ще снеса пак.

Та тоя институт бил основан през 1930 г. с идеята да освободи група крупни учени от каквито и да било педагогически и административни задължения, да им даде добри заплати и да позволи на тези учени да се занимават със съществени научни проблеми. Около това ядро трябвало да има периферия от талантливи млади учени, които, както се казва, да учат занаята. И в 1933 г. към ядрото от известни учени в института се присъединил и Айнщайн. Животът за него пак влязъл в нормалното си русло. Само дето жена му Елза починала през 1936 г. и оттам нататък до края на живота му не го напускало чувството на тъга и самотност. Та, като гледате снимки на Айнщайн от този период, на повечето от тях той е тъжен.

Айнщайн и квантовата механика: Бог не играе на зарове

Фиг. 12. Бог не играе на зарове.

Докато Айнщайн се занимавал с общата теория на относителността, квантовата теория правела първите си стъпки. Планетарният модел на атома на Бор се сблъсквал със следния проблем – движещият се по кръгова орбита електрон съгласно класическата теория на електромагнетизма трябвало да излъчва енергия и така, губейки енергия, най-накрая ще вземе да падне върху притеглящото го ядро. А това не ставало. Бор предположил, че електронът може да се движи само по определени орбити с още по-определени стойности на енергията. Намирайки се на тези орбити, електронът не излъчва електромагнитни вълни. Такива се излъчват, само когато електронът преминава от една орбита на друга. Тогава се излъчва квант електромагнитна енергия (иначе казано, излъчва се фотон).

Когато Айнщайн научил за тази теория, той казал, че тези мисли не са тъй далеч от това, до което би достигнал и той. Но че ако тази теория е вярна, то това е краят на (класическата) физика.

Фиг. 13. Айнщайн и Бор си хортуват.

„Дивата” теория на Бор намерила обяснение в една още „по-дива” теория – квантовата механика. В нейната основа била не двойнствената природа на светлината, ами двойствената природа на електрона. Тоест, че частицата електрон е свързана с някакви вълни. Идеята била на дьо Бройл и той нарекъл тези вълни „вълни на материята“. Та, движението на материалната частица електрон е свързано с вълнов процес – електронът може да се движи само по такива орбити, чийто размер е равен на цяло число дължини на съответната вълна на материята. Това е тя – разрешената Боровска орбита на електрона. А пък движението на частицата се подчинява на законите на разпространение на вълните. Така възникнала вълновата механика. Появило се и съответното вълново уравнение – уравнението на Шрьодингер от 1925 г.

Фиг. 14. Шрьодингер за квантовата механика.

Това уравнение позволявало да се намери амплитудата на някаква функция, наречена вълнова функция. В процеса на решаването на уравнението излизала и редица от дискретни енергии, които съответствали на състояния на атома, в които електроните се намирали на съответните разрешени орбити. Квадратът на амплитудата давал някаква вероятност. Ама вероятност за какво? Отговорът дошъл от Макс Борн: това е вероятността за среща с електрона. Ако изчислим вълновата функция в даден момент от време за дадена точка, то това ще ни даде вероятността да намерим електрона в дадената точка в съответния момент. Ама-ама…, ще кажете. Че като сметнем за същия момент вероятността електронът да е в друга точка, тя може да не е нула! Та каква е таз частица, дето може да е хем тук, хем там? Е, странен е квантовият свят, драги ни читатели, особено тези, дето не сте от естествените науки. Тя, квантовата механика, е интересна наука. Та, Макс Борн и Паскуал Йордан (последното име се споменава с половин уста, младежта не знае защо, ама защото е бил поддръжник на Хитлер, та не е политкоректно да се знае името му) са съпоставили интензивността на вълната на дьо Бройл на средния брой електрони в единица обем на пространството, като казали, че интензивността на вълната определя този среден брой електрони. Но този среден брой зависи от вероятността за пребиваване на електрона в съответния обем. Е, значи и интензивността на вълните на дьо Бройл е свързана с вероятността за пребиваване на електрона в разглеждания обем. Пък интензивността на вълната се определя от квадрата на амплитудата на вълновата функция, която пък се смята от уравнението на Шрьодингер. Та, по същество в квантовата механика не се работи с координатите и скоростта на частицата (както е в класическата механика), а с вероятността частицата да има някакви координати и някаква скорост. Значи хем не я знаете къде е точно, хем и скоростта й каква е не знаете точно. Но това, дето се вика, не е всичко. Има и още. Колкото по-точно знаете какви са координатите на частицата, толкова ви е по-неясно каква е скоростта й. И обратно – колкото по-точно знаете скоростта на частицата, толкова ви е по-неясно къде е. Това е пример за съотношение на неопределеност в квантовата механика и такива съотношения почнали да се появяват от 1927 година насам, след като Хайзенберг получил първото от тях.

Фиг. 15. Айнщайн, Мария Кюри и още 17 Нобелови лауреати на Солвеевския конгрес през 1927 г. Тук вече Айнщайн не е в ъгъла на снимката.

Та, в света на малките частици статистическите закони (дето определят вероятностите за това или онова) изместили строгите детерминистични закони на класическата механика, валидни за тела, съставени от множество частици. Ама то като погледнем и в макросвета – там, където частиците не се свързват в макротела (при газовете например) статистическите закономерности пак изтласкват строгите детерминистични закони. Тъй че появата на статистически закони не бива много да ни учудва. За нас днес говоря. В 20-те години на миналия век това било твърде за учудване. И един от доста учудените бил Айнщайн. И на Солвеевския конгрес през 1927 година – фиг. 15, имало люти спорове относно квантовата механика и съотношенията за неопределеност. Айнщайн смятал, че тези съотношения не водят до пълна представа за физическата реалност. Бор, Хайзенберг и Борн се защитавали и Айнщайн не можел да си наложи мнението. Пък и част от идеята за корпускулярно-вълновия дуализъм в света на малките частици и енергии принадлежала и на самия Айнщайн с неговата теория за фотоните. Това, което било уравнението на Шрьодингер в квантовата механика, за оптиката било вълновото уравнение, а пък амплитудата на светлинната вълна е пропорционална на средния брой фотони в съответния обем, където минава вълната. Пък средният брой фотони е пропорционален на вероятността за среща с фотон. Та като стана дума за фотони, то не е трудно да се дойде до идеята, че след като електромагнитното поле съществува под формата на фотони (на което му се казва дискретно поле), то и всички полета може би са дискретни. Та излиза, че взаимодействието между дискретни обекти (частици) е отговорно за всичко, което става в природата. Такива едни размисли идват в главата на човек, като се запознае с теорията на Айнщайн за фотоните и с квантовата механика. Не само частичките са дискретни, ами и порциите енергия не могат да са по-малки от определени минимални порции, наречени кванти.

Фиг. 16. Айнщайн и квантовата механика.

Възгледите на Айнщайн се отличавали от възгледите на бащите на квантовата механика. За тях вълните на дьо Бройл били първичният процес. За Айнщайн всичко тръгвало от енергията на частиците, а вълновият процес с някаква честота на колебанията бил за него условно понятие. Айнщайн казвал, че концепцията на Борн и Хайзенберг за квантовата механика не е завършена и че ако я считаме за завършена концепция, тя бързо ще се превърне в догма.

Фиг. 17. Квантовата механика наистина е шокираща! И това ви го казва не кой да е.

Айнщайн често отбелязвал, че големите първоначални успехи на квантовата механика не могли да го накарат да повярва в нея и в лежащите в основата й вероятностни представи. „Бог не играе на зарове“, често казвал Айнщайн. Той считал, че основните закономерности трябва да определят самите събития, а не вероятностите за събитията. И поради това не вярвал в необходимостта от статистическия характер на основните закони на природата.

Квантовата механика в началото на съществуването си била нерелативистка теория – в нея не се отчитали ефектите от движението на частиците с големи скорости. Отчитането на тези ефекти довело до възникване на още по-големи кошмари в областта на микросвета.

Фиг. 18. Отляво надясно: Пол Дирак, Волфганг Паули и Рудолф Пайерлс.

През 1929 г. Пол Дирак написал релативистко уравнение за движението на електрона. Което имало решение с отрицателна енергия на електрона! За да избяга от този ужас, Дирак предположил, че освен електрона трябва да има една също такава частица, но с положителен заряд. Тая частица (наречена позитрон) била открита експериментално. Оказало се, че електронът и позитронът могат да взаимодействат и в резултат на това взаимодействие изчезват, а на мястото им се появяват например два фотона. Както се казва – нов пълен шаш за класическите представи на света – частиците се превръщат от едни в други (то е нещо като слон и слоница да си допрат хоботите и в резултат на това да изчезнат, а на тяхно място да се появят две въздебелички зайчета). Въздебеличките зайчета могат пък обратно да стават на слонове – фотоните могат да се превръщат в електронно–позитронни двойки. При превръщането на електрони и позитрони във фотони масите на покой на частиците напълно преминават в маси на движение на фотоните – туй вече не са и релативистки ефекти, туй вече са ултрарелативистки ефекти. И те водят до нови възможности за обяснение, като превръщанията на частици от един вид в друг могат да се считат за основа на дискретността (основи на атомистичната структура!!!) на пространството и времето! И това може да изглежда така: частица преминава от една елементарна клетка на пространство-времето в друга такава и при този преход изчезва и в новата клетка се появява нова частица (ако има превръщане) или пък се появява същата частица (ако няма превръщане). Ако частицата изчезва в една елементарна клетка и се възражда в съседната, то никакъв сигнал не може да бъде изпратен на разстояние по-малко от елементарното (пространствения квант) за време по-малко от елементарното (времевия квант). И като вземем да разделим размера на пространствения квант (десет на минус тринадесет сантиметра) на размера на времевия квант (три по десет на минус двадесет и четвърта секунди), получаваме скоростта на светлината във вакуум, което е едно предположение, откъде може да се вземе тая скорост. Частица не може да се движи с по-голяма от тази скорост, а пък система, съставено от частици, пак не може да се движи с по-голяма от тази скорост. Дискретното пространство-време изисква обаче и друга математика, защото наличните модели, основани на диференциални уравнения, са разработени за приложение при предположение, че пространството и времето могат да се делят на безкрайно малки интервали.

Атомната бомба

Фиг. 19. Взрив на атомна бомба.

Накрая нека се спрем много накратко на едно приложение на идеите на новата физика, разработвани и от Айнщайн, за военни цели. Атомът, казва Айнщайн, е като богат скъперник. По време на живота си той не харчи енергия. Като умира, оставя на наследниците почти цялата си маса и една много малка част от нея се трансформира в енергия. И тази енергия е толкова много, че носи със себе си заплаха за нещастие за цялото общество.

Общо взето, тези думи на Айнщайн илюстрират добре получаването на енергия при реакциите на разпад на уранови или плутониеви атоми – реакции, използвани в атомната бомба. Айнщайн подписва едно писмо до Рузвелт, смутен от възможността Хитлер да се сдобие първи с атомна бомба. Е, първи се оказват американците, които и използват атомната бомба. Айнщайн не е доволен от това приложение на науката – той е вече възрастен, минал през войни и перипетии, и добре съзнава опасността. Но духът е освободен от бутилката.

Няколко заключителни думи

И тъй, с този разказ за Айнщайн завършваме краткото представяне на няколко бележити представители на германската наука. По-натам в белите хроники ще ви разкажем за представители и на други нации, оставили своята следа в науката, пък и допринесли за организационното развитие на съответната национална наука. В последните три хроники видяхме как последователното действие в модерната германска наука, започнало от Хумболт и продължено от Планк изкристализира в постиженията на Айнщайн. Айнщайн е гений, няма спор. Всъщност днес доста го критикуват и първият автор на тази статия е чувал доста критики по негов адрес.

И винаги е казвал на критиците да не се правят на рецензенти на Айнщайн. Айнщайн си е оставил името в науката със своите постижения. Ако го рецензираш, без да предлагаш алтернатива на теориите му, си губиш времето. Ако предлагаш алтернатива и тя се окаже грешна, пак си си загубил времето. Е, след време ще се роди някой, който ще създаде нова теория и ще постави рамките на приложимостта на концепциите на Айнщайн, тъй както Айнщайн е поставил рамките на приложимост на концепциите на Галилей и Нютон.

Фиг. 20. На изпроводяк – малко горчив хумор от Алберт Айнщайн.

Този някой сигурно ще си остави името в науката. А хилядите останали критици–рецензенти ще потънат в забвение. Но какво да се прави – човешката памет е крайна. В нея няма място за всички.

 


Европейска нощ на учените 2022 г.: