Щрихи към живота и делото на Алберт Айнщайн. Част II

11/10/2022| Elena Borisova| 0 Comments

Щрихи към живота и делото на Алберт Айнщайн. Част II

Снимката е взета от The New York Times — Източник: The *New York Times*

Айнщайн. Рационализмът. Щрихи към теорията на относителността

В детството си ученият се сблъсква с влиянията на рационализма, съпроводени от освобождаването на разума от църквата. Ако положим творчеството на Айнщайн в контекста на концепциите на физиката през XX век и прогнозите за бъдещето, не без основание можем да го смятаме за завършек на един голям етап от духовния живот на човечеството. Този етап започва не само с Нютон, но и с цялата рационалистическа философска наука на XVII век.

Рационализмът на гореспоменатия век оставил в наследство на бъдещето не само позитивни отговори, но и живи противоречия. Подобно на Фауст, който във втората част на произведението се обръща към съхраняващите схемите на битието тайнствени майки, така и Айнщайн се връща към корените, изходните идеи, положили началото на рационалистическата наука.

Рационализмът на XVII век къса със схоластичната традиция на затворената сама в себе си мисъл, обръща се към природата, придобива естественонаучен и практически характер. Съответствието между конструктите на разума и действителността стават основа на неговите претенции за независимост. Значение за идеите на рационализма на този век има Галилей, който говори за безкрайността на познанието, извор на жив и радостен оптимизъм. Според него „екстензивно“ по обема на сведенията ние винаги притежаваме знание, несъвпадащо с това, което предстои да се познае, но „интензивно“ ние познаваме природата с абсолютна достоверност. И у Айнщайн безкрайността на познанието е източник на един оптимистичен мироглед. Рационализмът на Декарт е ярко онтологичен. Той полага основите на нова епоха в науката, в културата, в характера на мисленето. Разумът нанася удар на авторитета, защото отстранява от света бога, обяснявайки цялата съвкупност на известните факти посредством законите за движението и взаимодействието между телата. Изходна реалност във физиката на Декарт е природата, в която няма нищо освен движеща се материя. От гледна точка на картезианската физика действеността на разума и неговите претенции за суверенитет се обосновават от способността му да създаде картина, адекватна на действителността. Във философията на Спиноза картезианската физика побеждава метафизиката на Декарт. Тя става монистична философия, съществува само една пространствена субстанция, наречена от Спиноза природа, но й запазва наименованието „бог“ (Deus sive natura – Бог или природа). За естествознанието на този век тази употреба на думи е част от външна прибавка към атеистичния мироглед. У Спиноза много ярко се вижда онтологичната тенденция, че разумът се стреми да прозре в природата вътрешна хармония на причините и следствията, присъщи на самата природа. Тази хармония е постижима, когато разумът се откъсне от непосредственото наблюдение и построи нова картина, която да обяснява цялата съвкупност от наблюдения по най-естествен начин. За Спиноза истинската идея трябва да бъде съгласна със своя обект. Подобна посока се среща и у Айнщайн, който не само се стреми към истинна теория, в която фигурират съждения, независими от позицията на отделния наблюдател, той придвижва напред приложението във физиката на инвариантните величини, които не се променят при прехода от представите, свойствени за един наблюдател, към представите, свойствени за друг наблюдател. Хелиоцентризмът, безкрайната и хомогенна вселена на Бруно и Галилей, понятието инерция и класическата относителност означавали, че истините, валидни само за земния наблюдател, отстъпват място на истини, валидни за всеки наблюдател и поради това изразяват независимостта на природата от каквото и да е наблюдение. Айнщайн освобождава тази изходна представа от наложените й впоследствие ограничения.

Рационализмът на XVIII век дооформя, доразвива идеите на предишния век за суверенността на разума вън от рамките на отвлечената мисъл и я привнася в общественото самосъзнание. Това е век на разума, а не на рационалистическата научна и философска мисъл, а на разума, въплътен в действие. Това е век, в който съществува представата за разума, намерил най-после окончателно и абсолютно точно решение на въпросите, поставени пред него от природата. От двете форми на рационализма (1. разумът е достигнал окончателното, точно познание за природата; 2. разумът безкрайно се приближава към все по-точна представа за природата) Айнщайн е привърженик на втората. Изпитва симпатии към Спиноза и неговия мироглед за това, че рационализмът още не е свързан с някакво окончателно решение на загадките на битието. Рационализмът на Айнщайн включва представата за противоречивостта, сложността и парадоксалността на битието и за опознаването на света като процес на последователно решение на все по-сложни загадки. Но тяхното решение намира в битието проста в своята основа хармония.

Най-дълбоката и специфична черта на рационализма на XVIII век се състои в неговите онтологични изводи. Суверенитетът на разума се доказва от неговата способност за адекватно изобразяване на света. В света цари ratio – универсалната причинна връзка на процесите. XVIII век е време на непосредствена революционна намеса в рационалната мисъл в живота на обществото. През XIX век науката, убедена вече в безкрайната сложност на битието, се доближава все повече до човека, непрекъснато се разширява и уточнява. XX век е векът, в който непоклатимите и поради това смятани за априорни закони се оказват неточни и на тяхно място се появяват други закони. Гений се оказва не този, който много знае, а този, който прибавя много към това, което вече са знаели преди него.

В историята на науката теорията на относителността означава нейното пълнолетие. С тази теория науката се откъсва от антропоцентризма на човека, от представата за него като за център на Вселената, за абсолютизирането на картината на света, която стои пред земния наблюдател. От дълбока древност антропоцентризмът противоречи на учението за сферичността на Земята с идеята за абсолютните „долу“ и „горе“. В Древна Гърция заедно с образа на сферичната Земя се появила и идеята за относителността на „горе“ и „долу“, идеята за равностойността на всички посоки в пространството. Коперник разрушава геоцентричната система. Новият център на Вселената – Слънцето – не заема това място дълго време. Във Вселената на Джордано Бруно и Галилей вече има никакъв неподвижен ориентир. Понятието за абсолютното, неотнесено към другите тела движение на дадено тяло се запазва. До края на XIX век се смята, че оптичните процеси в едно тяло, което се движи, протичат различно от тези в неподвижните тела и че това различие придава смисъл на думата „движение“, без отнасяне към друго тяло, спрямо което се движи даденото тяло. Смята се, че световното пространство е запълнено с абсолютно неподвижен етер.

Този възглед е отхвърлен от Айнщайн през 1905 г. в статията „Към електродинамиката на движещите се тела“. Изходна идея на статията е постоянството на скоростта във всички тела, които се движат едно спрямо друго без ускорение. Теорията на относителността е изложена с помощта на четиримерната геометрия. В заобикалящото ни обикновено тримерно пространство положението на всяка точка се определя от три числа. Ако се присъедини към тях четвърто число – времето, ще се получи геометрична представя за понятието събитие – пребиваването на една материална частица в дадена точка в даден момент. С помощта на четиримерната геометрия и четиримерното пространство-време са изложени законите, управляващи посочените събития.

Айнщайн поддържа тезата, че единствената величина, която остава постоянна в природата, е скоростта на светлината, а възприеманото преди това за абсолютно време ученият маркира като относително. През 1905 г., когато Айнщайн все още не е член на академичната общност, а само обикновен служител в институт, човекът, който първи признава стойността на теорията на относителността, е физикът Макс Планк. Той кани и Айнщайн в Берлинския университет. Планк формулира революционна теория, която довежда до фундаментални промени във физиката през XX век. Съгласно тази теория енергията не може да се дели до безкрай, а се разделя на отделни количества, наречени от него „кванти“. Айнщайн доразвива тази теория, като въвежда понятието за интензитет на лъча и за фотоелектричния, за което печели и Нобелова награда.

Една от важните епистемологични предпоставки по пътя, довел Айнщайн до теорията на относителността, била неговата представа за връзката между математиката и реалността. Тази представа била формулирана след появата на теорията на относителността, но и преди това била едно от необходимите условия за появата на специалната и особено на общата теория на относителността.

Айнщайн е едва шестнайсетгодишен, когато за първи път се замисля върху това с каква скорост се разпространява светлината в различните движещи се една спрямо друга отправни системи. Още в Аарау, а след това и в Цюрих, мислено рисувал движещите се заедно с някакво тяло и прикрепени към него измерителни линии и часовници. Линиите и часовниците позволяват да се измери положението на всяко тяло във всеки момент и да се определи неговата скорост. Така Айнщайн си представил отправната система като реално тяло, към което са прикрепени началото на координатите, безкрайните координатни оси и множество произволно дълги линии, така че всяко тяло, където и да се намира то в даден момент, съвпада с определен белег от известна измерителна линия, т.е. има определени координати. При това даденият момент е един и същ във всяка точка, определена с помощта на линиите – часовниците, които се намират в тези точки, са сверени един с друг.

За да не се смесват измерванията, направени в различните отправни точки, Айнщайн си представя, че заедно с всяка система се движи човек, който не вижда никакви други системи. Този наблюдател фигурира в почти всички изложения в теорията на относителността, но не е задължителен компонент от нея.

В Цюрихската политехника Айнщайн педантично посещава физическата лаборатория. Това увлечение в експеримента е характерно за младостта на учения и един от пътищата да кристализация на идеите за относителността. През 1945 г. Жак Адамар се объръща към редица математици с въпроса „Какви въпроси и асоциации изпълват тяхното съзнание в търсенето на математически решения?“ Айнщайн отговаря на въпроса по следния начин: „Думите, така както се пишат или произнасят, изглежда не играят някаква особена роля в моя мисловен механизъм. В качеството на елементи на мисленето изпъкват повече или по-малко ясни образи и знаци на определени физически обекти. Тези образи и знаци като че ли произволно се подреждат и комбинират в съзнанието. (…) Психологически тази комбинационна игра е съществена страна на продуктивното мислене. Нейното значение е основано преди всичко на известна връзка между комбинираните образци и логическите конструкции, които може да се представят с помощта на думи или символи и по такъв начин да стане възможно те да бъдат съобщени на други хора“ (по Кузенцов 1964: 103). За Айнщайн понятията не са свързани непосредствено с наблюденията и могат да не притежават непосредствен физически смисъл. На моменти те добиват този смисъл в резултат на сложно и многостепенно конструиране на другите понятия. Подобно на светлината, която, отразявайки си в една сложна система огледала, минава по най-късия път, мисълта на Айнщайн се движи от едно понятие към друго по линията на най-близката експериментална проверка на цялата верига от разсъждения към понятия, които допускат такава проверка. Експерименталната интуиция на учения станала математическа интуиция.

Айнщайн търси максимално обща, максимално естествена (вътрешно съвършена) теория, която да описва най-основните процеси на природата. Тези процеси стоят извън границите на чистото описание, те образуват вътрешна каузална основа на явленията. Генезисът на теорията на относителността е свързан именно с класическия идеал на науката, в който изходно понятие е относителното движение; свързан е с обобщението и уточнението на този идеал, с освобождаването от всичко, което му противоречи в исторически развилите си класически теории на физиката.

През 1898 г. М. Кюри открива, че една унция радий излъчва 4 килокалории топлина на час за неограничен период от време. Радият се разпада и се превръща в радион. При този процес се освобождава енергия. Кюри разбира как протича процесът, но не може да си обясни причините за него. Отговорите са дадени от Айнщайн с прочутото му уравнение (Е = mc²). Уравнението е добавено като допълнителна бележка към специалната теория на относителността четири месеца след публикуването й. За Айнщайн „Е“ е енергията, „m“ – масата, а „с“ – скоростта на светлината. Енергията, която се съдържа във всяко тяло, е равна на масата по скоростта на светлината на квадрат. А извеждането на скоростта на светлината на квадрат, Айнщайн извежда като заключение, че енергията и материята са едно и също него.

Теорията на относителността е опит да се отговори на въпроса „Каква геометрия съответства на обективната действителност, каква геометрия описва действителността на един най-точен начин?“ Тя разкрива как вътрешните процеси в телата протичат по един и същи начин независимо от праволинейното и равномерното движение на тези тела. Вътрешни ефекти, породени от движението, не съществуват в случай на движение по инерция. Затова тази теория е наречена специална теория на относителността. През 1916 г. ученият разпространява принципа на относителността и върху ускорителните движения. Още по-късно разработва единна теория на полето – теория, която като частни случаи съдържала законите за гравитацията и електромагнитното поле.

Теорията на относителността освобождава класическия идеал от противоречия и произволни допускания. Тя му донася външно оправдание и вътрешно съвършенство с цената на преминаване от Нютоновия към нов вариант. Тази схема е илюстрирана в работите на Айнщайн от 1905 г. (специалната теория на относителността) и през 1916 г. (общата теория на относителността). Новата програма поставя под съмнение не само Нютоновия вариант на класическия идеал, но и самия идеал – картината на света, в която най-елементарните понятия са преместванията и взаимодействията на тъждествените сами по себе си тела. Посоченият радикален резултат се набелязва от развитието на една идея, изказана от Айнщайн също през 1905 г. – идеята за светлинните кванти или фотоните. Когато принципите на теорията на относителността и принципите на квантовата теория на светлината се обединяват, картината на взаимно преместващите се тъждествени сами на себе си тела загубва своето положение на изходна, най-дълбока представа за света. През 1905 г. Айнщайн формулира теория, според която светлината не само се излъчва и поглъща, но се състои от дискретни, неделими по-нататък порции – светлинни кванти. Те представляват частици, които се движат във вакуум със скорост 300 000 км в секунда. Тези частици получили наименованието фотони. Айнщайн формулира така връзката между хипотезата за фотоните и теорията на Планк като дава сравнение с количеството бира в бирени бутилки с еднакъв обем. Според него това не означава, че бирата се състои от неделими части, равни на една пинта (0,56 л.).

От основните предпоставки на теорията на относителността Айнщайн извежда новото правила за събиране на скоростите. Да си представим човек, който лети в космически кораб със скорост 150 000 км в сек. (т.е. със скорост два пъти по-малка от скоростта на светлината) спрямо Земята. Нека със същата скорост в противоположна посока се движи втори космически кораб. Съгласно класическото правило за събиране на скоростите първият космически кораб се движи спрямо втория със скорост 150 000 + 150 000 = 300 000 км в секунда. Новото правило за събирани на скоростите, изведено от Айнщайн, дава друга стойност за сумарната скорост – единият космически кораб ще се движи срещу другия със скорост, равна на 240 000 км в секунда. От правилото на Айнщайн следва, че скоростта на каквото и да е тяло не може никога в никаква отправна система да надвиши скоростта на светлината. С приближаването на тази скорост към скоростта на светлината допълнителните импулси ще дават все по-малко нарастване на скоростта. И друг пример: Един неподвижен наблюдател вижда кола, която се движи със 150 км/ч. Ако същият наблюдател се намира в друга кола, която се движи с 90 км/ч, то тогава му се струва, че първата кола се движи със 60 км/ч. Заключението е, че скоростта е относителна и зависи от състоянието, в което се намира наблюдателят.

От гледна точка на Айнщайн събитията, станали в две точки и разделени с интервал от време, по-малък от времето, необходимо на светлината, за да измине разстоянието между тези точки, не могат да представляват факти от биографията на един и същи тъждествен на себе си физически обект. Теорията на относителността е лансирана като теория за поведението на тъждествените сами на себе си физически обекти, неизчезващи и невъзникващи частици, които могат да взаимодействат една с друга и да се преместват една спрямо друга. Събитията, от които се състои биографията на една такава частица, това са нейните пребивавания в една или друга точка в един или друг момент. Такова пребиваване означава, че частицата се намира до определен белег от измерителната линия в момента, когато някакъв повтарящ се процес е извършил определен брой цикли след събитието, приета за начало на отчитането на времето.

И така. Да се върнем към общата теория на относителността. Айнщайн смята за изкуствено отделянето на равномерно и праволинейно движещите се системи от другите системи. В равномерно и праволинейно движещите се системи механическите процеси протичат различно. Те зависят от ускорението, което предизвиква в тези системи инерционните сили. Последните не могат да се обяснят с взаимодействията на телата и свидетелстват за движението на системата, придавайки на това движение абсолютен характер. Поради това принципът за относителността на Галилей – Нютон е приложим само към системите, които се движат праволинейно и равномерно. Според специалната теория на относителността във всички инерциални системи процесите протичат еднакво. Може ли да се представят събитията в ускорителните системи, така че принципът за относителността да не се наруши и да се окаже, че не съществуват абсолютни критерии за движение? Може ли да се обобщи принципът на относителността, напълно доказан за инерциалните и ускорителните системи? Отговор бил подсказан от една закономерност, известна през XVII век. Всички тела притежават инерция, всички те оказват съпротивление на въздействащите върху тях силови полета. Мярка за това съпротивление се нарича инертна маса на тялото. Телата притежават възприемчивост по отношение на силовите полета. Мярката за възприемчивост се нарича заряд на тялото. По отношение на електрическите сили телата притежават заряд, който не зависи от тяхната маса. Едно тяло може да притежава голяма маса и незначителен електрически заряд. И обратното. Има едно поле, по отношение на което възприемчивостта на телата е винаги пропорционална на тяхната маса. Това е гравитационното поле. Всички тела в природата се притеглят едно към друго. Възприемчивостта на едно тяло към гравитационното поле е пропорционална на съпротивлението на тялото, на неговата инертна маса. Колкото по-масивно е едно тяло, толкова е по-тежко, а гравитационното между него и другите тела е още по-силно. Това е и причината телата, независимо от инертната маса, да имат едно и също ускорение в дадено гравитационно поле и падат на повърхността на Земята с една и съща скорост, ако са пуснати от една и съща височина. Когато една система от тела се ускорява, влизащите в нея тела оказват съпротивление на ускорението, пропорционално на техните инертни маси. Това съпротивление се изразява в тласък в посока, противоположна на ускорението. Подобен тласък назад изпитват пътниците във влака, когато той ускорява движението си. Айнщайн илюстрира тази еквивалентност с примера за кабината на асансьора, който се движи с ускорение в пространството, свободно от гравитационно поле, и кабината, която се намира в гравитационното поле. Тези кабини са противопоставени на Нютоновото ведро, което демонстрира абсолютния характер на ускорението. Айнщайн си представя кабината на асансьора неподвижно висяща в гравитационно поле – това на Земята. В кабината стоят хора. Те оказват налягане върху пода и приписват това налягане на своето тегло. Ученият си представя и друг случай, в който върху кабината не действат никакви гравитационни сили, но тя се движи ускорително, като при това ускорението е равно по големина на земното ускорение и е насочена към вертикална на кабината посока – от пода към тавана на кабината. Ускорението на кабината ще предизвика в нея процеси, които по нищо не се отличават от процесите, предизвикани в първия случай от силата на гравитацията. Инерционните сили ще притиснат към пода намиращите се в кабината хора. Ако в нея има поставена тежест, окачена на нишка, нишката ще се изпъне, оставените без опора тела ще паднат към пода с ускорение, равно на земното ускорение. Айнщайн предлага подобен пример и за светлината. Ако в кабината, намираща се неподвижно в едно гравитационно поле, светлината не се отмести, с това различието между физическите ефекти, които се дължат на ускорението и гравитацията, ще се проявят. Това ще стане, ако светлината не притежава гравитационна маса. Но ако светлината притежава такава маса, ако гравитационното поле също действа върху нея, то под действието на гравитационните сили тя също се ускорява. Бил обобщен не класическият принцип за относителността, а теорията, формулирана през 1905 г. от Айнщайн, че парадоксалните пространствено-времеви съотношения се разпростират върху всички движения. Този принцип илюстрира принципа на еквивалентността. Така нарича Айнщайн неразличимостта на динамичните ефекти, породени от ускорението, от ефектите, които се дължат на гравитацията. От този принцип следва, че няма абсолютен критерий за ускорително движение. Външните ефекти, следствие от ускорението, се приписват на гравитацията. Айнщайн успява да докаже относителността на ускорителните движения като отъждествява гравитацията с изкривяване на пространство-времето.

В самото начало на 1917 г. английският астроном и физик Артър Едингтън изказва важна за развитието на теорията на относителността мисъл за възможността да се провери чрез непосредствени наблюдения дали светлината притежава гравитационно маса. Едингтън твърди, че ако светлината притежава гравитационна маса, т.е. тегло, преминавайки покрай някое тежко тяло, тя неизбежно ще се отклони към него подобно на това както летящият над Земята снаряд се отклонява към Земята и пада на нейната повърхност. Светлинният лъч няма да падне на Земята. От теорията на гравитацията на Айнщайн следва, че преминавайки покрай нея, той ще се отклони (т.е. той ще пада към Земята) толкова малко, че това няма да може да се забележи. За една секунда лъчът ще се отклони с 10 метра. Ако мине покрай по-тежко тяло, лъчът ще се отклони повече. Близо до Слънцето отклонението ще бъде 27 пъти по-голямо, отколкото близо до Земята. Затова е необходимо да се фотографират звездите, които се движат близо до диска на Слънцето. За тази цел е нужно да се избере такова затъмнение, когато Слънцето се намира на пътя на достатъчно ярки звезди. Такова затъмнение е трябвало да се случи на 29 май 1919 г. Едингтън подготвя експедиция за районите, където това затъмнение трябвало да бъде пълно. Взето е решение да се изпратят две експедиции – едната на остров Принчип в Гвинейския залив, а другата в селището Собрал в Бразилия. Едната експедиция, която заминала за Бразилия, е посрещната с не много добро чувство. Дъждове посрещат другата експедиция, която отива в Гвинея (в нея участвал Едингтън). В деня на затъмнението небето се покрива с облаци, през които едва се вижда Слънцето. Малко преди завършването на пълната фаза на затъмнението облаците се разпръсват. Звездите са заснети. Когато фотоснимката е съпоставена с друга, снета през нощта, т.е. когато Слънцето отсъствало от пътя на звездните лъчи, е зарегистрирано отместването, предсказано от общата теория на Айнщайн[1]. Малко след това Лоренц изпраща телеграма до Айнщайн за въпросната експедиция, в която му съобщава, че общата теория на относителността може да бъде потвърдена. Скоро Едингтън пише доклад за експедициите до Гвинея и Бразилия, който представя съвместно заседание на английското кралско дружество и астрономическото дружество в Лондон. Докладът става сензация, която се разнася по целия свят.

***

В мирогледа на Айнщайн идеал за хармония е светът на Спиноза – единният свят, в който протича взаимното, относителното движение на действащите едно върху друго тела, ката че движението на всяко от тях се определя от взаимодействието с другите. Айнщайн възстановява този класически идеал, разпространява принципа на относителността, намерен през XVII в., върху неговите явления, открити през XIX в.

Нишката на времето е възстановена, но само на инерциалното движение, което е подчинено на една идеална хармония. Докато в картината на света не влизат ускоренията, в нея няма нищо, което не би било предизвикано от взаимодействията между телата. Айнщайн успява да отстрани от картината на света абсолютно-ускорителните движения. В науката обаче се запазва чуждото за идеалната хармония на света различие между електромагнитните и гравитационните полета.

След появата на теорията на относителността е поставен на дневен ред проблемът за единната теория на полето. Можем да отъждествим гравитацията с изкривяване на пространството. Айнщайн смята, че единна теория на полето ще позволи да се изведат квантово-статистическите закономерности на микросвета от нестатистическите по-дълбоки и общи закономерности на битието. Теорията на относителността се намира в актива на науката: специалната теория е достигнала до такава завършена и еднозначна форма, както например класическата термодинамика, а общата теория, въпреки че не е достигнала подобна форма, представлява логически завършен на учението за гравитацията.

В творчеството на учения хората виждат последователната кристализация на идеята за един обективен, надличен свят. Това е централна за Айнщайн идея, която определя не само физическите възгледи, но и философските, етичните и естетическите посоки и целия му облик. А самият Айнщайн ще остане в историята на науката и като личност, и като учен, защото е от умовете, които отдават живота си в полза на човека, а не против него, в полза на идеята на универсалността на науката.