Питер Галисон КОМПАС ЭЙНШТЕЙНА Представьте себе, что вы взобрались на поворотную платформу или на стрелку гигантского компаса и при этом в каждой руке у вас -по гироскопу. Такой мысленный эксперимент поставили Эйнштейн и де Гааз, чтобы объяснить магнетизм железа. Оба гироскопа вращаются против часовой стрелки. Пока руки разведены в стороны, оси гироскопов направлены от вас, моменты вращения взаимно противоположны, и сумма их равна нулю. Теперь поднимите руки вверх. Угловые моменты гироскопов будут сонаправлены, и их сумма станет ненулевой. Поскольку полный угловой момент системы должен сохраняться, платформа начнет вращаться, чтобы компенсировать угловые моменты гироскопов. Точно так же (в соответствии с теорией Эйнштейна-де Гааза, которая, впрочем, впоследствии была пересмотрена), когда внешнее магнитное поле выстраивает орбиты всех электронов в атомах железа в одном направлении, магнит начинает вращаться. Заголовок: Re: ВСЕМИРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ семинар 00014 От: morozov on 12/06/04 в 00:56:53         В 1915 г. произошли серьезные изменения в научной деятельности Альберта Эйнштейна. Вместе с математиком Марселем Гроссманом ученый взялся за освоение новых областей геометрии, которые помогли бы ему описать искривление пространства-времени. Стало понятно, что проблем - море. Можно ли обобщить частную теорию относительности, включив в нее гравитацию? Можно ли «взломать» ньютоновское пространство с дальнодействующими силами, обратно пропорциональными квадрату расстояния, во имя нового, искривленного пространства-времени на основе эквивалентности массы и энергии? Невероятные умственные усилия принесли свои плоды-. Эйнштейн наконец представил миру общую теорию относительности, триумф теоретических построений, интеллекта и воображения. Однако на протяжении года Эйнштейн не раз отвлекался от формальных преобразований тензоров и координат и обращался к лабораторным экспериментам. 12 февраля он писал своему другу Микеле Бессо-. «Эксперимент скоро закончится... Изумительная работа, жаль, что вы не смогли ее увидеть. Какую же изощренность демонстрирует природа, когда пытаешься проникнуть в ее тайны! Несмотря на возраст, я все еще увлекаюсь проведением опытов». Совместно с зятем X. Лоренца, де Гаазом, Эйнштейн преодолел трудности, с которыми не смогли справиться многие маститые экспериментаторы, и нашел объяснение магнетизму железа. Основные соображения были просты. Электрический ток, протекающий в замкнутом контуре, образует электромагнит. Эйнштейн предположил, что способность железа к намагничиванию - это слдствие аналогичного эффекта и на атомном или молекулярном уровне существуют многочисленные микроскопические солиноиды, ориентированные в одном направлении. Если это так, то механизм намагничивания должен быть всего один. Вот что Эйнштейн писал: <-С тех пор как Эрстед обнаружил, что магнитные эффекты создаются не только постоянными магнитами, но и электрическими токами, предполагается существование двух независимых механизмов генерации магнитного поля. Необходимо было найти единую причину магнетизма. Вскоре после открытия Эрстеда Ампер выдвинул знаменитую гипотезу молекулярных токов, порождающих магнитные явления». (From «Experimenteller Nachweis der Ampereschen Molekularstrb'me», by Einstein and de Haas, in Deutsche Physikalische Gesellschaft, Vol. 17, page 152; 1915 г.) Свести две возможные причины к одной - вот квинтэссенция соображений Эйнштейна. Он начал свою работу над специальной теорией относительности с утверждения, что обычная трактовка уравнений Максвелла неверна. Она выглядит так же, как если бы существовало два объяснения механизма возникновения тока в замкнутом витке провода вблизи магнита. Ее ли виток движется, а магнит неподвижен, то стандартное объяснение состоит в том, что в проводе перемещаются заряды (вместе с самим проводом) и магнитное поле толкает их вдоль провода. Если же магнит движется к неподвижному витку, то, согласно общепринятому мнению, увеличивающееся магнитное поле вблизи витка создается электрическим полем, движущим заряды по проводу. В специальной теории относительности Эйнштейн объясняет оба явления, по-новому трактуя такие понятия, как пространство, время и одновременность. В 1907 г. в своем принципе эквивалентности Эйнштейн подверг сомнению ранее незыблемое утверждение о существовании двух типов массы - гравитационной, или тяжелой (ответственной за вес свинцового шарика), и инертной (обусловливающей сопротивление того же шарика ускорению даже в вакууме). Эйнштейн утверждал, что тип массы всего один. Нет способа отличить поведение массы, придавленной к днищу ускоряющейся ракеты, от массы, прижатой к полу обычной комнаты полем тяготения. Точно так же Эйнштейн был убежден, что существует лишь один тип магнетизма, обусловленный одинаковой ориентацией крошечных магнитиков - токовых контуров, образованных электронами, которые вращаются вокруг атомных ядер. Но как проверить гипотезу? Предположим, что вы стоите на поворотной платформе, руки широко разведены и в каждой - по гироскопу. Гироскопы вращаются по часовой стрелке (если смотреть с вашей точки зрения), а их оси направлены от вас. Угловые моменты гироскопов обращены в противоположные стороны, поэтому суммарный угловой момент системы равен нулю. Допустим, вы поднимаете руки нар головой так, чтобы оси гироскопот смотрели вверх. Это означает, чте угловые моменты теперь сонаправлены. Но поскольку полный угловой момент замкнутой системы долже сохраняться, вы начинаете вращаться на своей подставке, компенсируя угловые моменты гироскопов. Заголовок: Re: ВСЕМИРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ семинар 00014 От: morozov on 12/06/04 в 01:21:31 Эйнштейн мысленно воспроизвел этот сценарий в миниатюре, внутри железного стержня. Предположим, что ненамагниченный железный цилиндр подвешен на тонкой нити и к нему внезапно приложено сильное магнитное поле - достаточное, чтобы намагнитить весь цилиндр, т.е. сориентировать все крошечные электронные орбиты. В этом случае множество произвольно ориентированных электронных орбит выстроится в одном направлении. Их угловые моменты суммируются, в то время как раньше они взаимно компенсировались. И теперь, точно так же, как поворотная платформа, цилиндр начнет вращаться, чтобы скомпенсировать возникший угловой момент. Впоследствии Эйнштейн и де Гааз получили подтверждение этой гипотезы в ходе изящного эксперимента на созданной ими установке. Но откуда взялись подобные соображения и почему именно в 1915 г., когда Эйнштейн вел напряженную борьбу в защиту общей теории относительности? В поисках ответа нам следует вернуться к 1900 г., когда Эйнштейн, окончивший Политехнический институт в Цюрихе, искал работу. Письма с отказами приходили вплоть до середины 1902 г., когда он наконец-то получил престижную Должность в Патентном бюро в с Своим руководителем Фридрр Халлером Эйнштейн восхищ и научился строго следовать инструкции: «оставаться критичным и бдительным» - т.е. скептическ носиться к заявкам изобретате Долгие годы Эйнштейн выдавал патенты на холодильники, изобретал новые электрические измерительные приборы и давал друзьям консультации по техническим вопросам. К сожалению, почти все экспертные оценки ученого были в соответствии с правилами уничтожены, некоторые сохранились - в частно которые понадобились для судебных разбирательств. Ибо Эйнштейн стал одним из наиболее уважаемых и авторитетных специалистов, и его часто приглашали в качестве технического эксперта. Теперь попытаемся разобраться, почему Эйнштейн заинтересовался магнетизмом. В начале XX века со старым добрым магнитным компасом что-то стряслось. Он плохо работал на новых судах, построенных из металла и напичканных электричес твом, а также отказывал на подвод ных лодках и вблизи полюсов Земли. Возникли трудности и с применени ем прибора в авиации, поскольку его стрелка реагировала на маневриро вание воздушного судна. Проблемами компаса занялись две компании - одну возглавлял американский изобретатель и промышлен ник Элмер Сперри (Elmer A. Sperry), другую - немецкий архивариус Аншутц-Кемпфе (Anschutz-Kaempfe). В конце концов было решено вместо компаса использовать вращающийся гироскоп. Аншутц-Кемпфе сконструировал свой гироскоп так, чтобы он прецессировал и его ось была всегда направлена вдоль оси вращения Земли. Вскоре аналогичный инструмент создал Сперри. Аншутц-Кемпфе подал патентную заявку, а американец возразил - дескать, использована уже давно существовавшая идея. В 1915г. Эйнштейн был приглашен в суд в качестве эксперта. Его свидетельство, к удовлетворению суда, показало, что прежние свободно подвешенные гироскопы не могли служить компасами - малейшее покачивание и незначительный поворот судна - и они оказывались бесполезными. Аншутц-Кемпфе выиграл процесс. Постепенно Эйнштейн стал общепризнанным экспертом в технологии гироскопов. Однако его достижения в физике оказались гораздо более весомыми. «Технический доклад по гирокомпасам, который я подготовил, при вел меня к идее выяснения природы парамагнитного атома» (Эйнштейн в письме к Е. Меерсону, 23 января 1930 T.,EinsteinArchivesOnline). Экспериментальная установка, собранная Эйнштейном и де Гаазом для проверки теории магнетизма, На тонкой нити подвешен ненамагниченный железный цилиндр, к которому прикладывается сильное магнитное поле. В соответствии с теорией, цилиндр должен вращаться, поскольку поле выстраивает все электронные орбиты в одном направлении. К цилиндру было прикреплено зеркальце, отражающее падающий на него луч света, и когда цилиндр вращался, вращался и зайчик. Позже было установлено, что магнетизм железа связан с наличием у электронов спина, т.е. порождается собственным вращением электронов, а не их орбитальным движени ем, Постоянный магнит, например, является магнитом потому, что спины всех электронов направлены в одну сторону. Энштейн понял, что точно так же, как вращение Земли ориентирует гирокомпас, железный цилиндр, вращаясь, ориентирует мельчайшие атомные гироскопы внутри себя. Эксперимент закончился триумфом. Эйнштейн и де Гааз продемонстрировали эффект, незамеченный даже великим Джеймсом Клерком Максвеллом. Вскоре физики подтвердили свою теорию (ферромагнетизм, обусловленный вращающимися на орбите электронами) блестящим экспериментом.  Однако  выдающийся результат подвергся критике - сначала осторожной, потом все более настойчивой. Оказалось, что измеренный ими магнитный момент на единицу углового  момента отличался от истинного вдвое. Это расхождение никто не мог объяснить в течение многих лет, пока не была разработана   квантовая   механика и введено понятие спина (собственного момента вращения) электрона. Приверженность Эйнштейна своей теоретической модели сыграла важную роль. С одной стороны, она помогла ученому поставить изящный опыт. С другой - избранная им теоретическая модель облегчила понимание экспериментальных результате* совпавших с расчетами, несмотря на многочисленные подводные камни, такие как влияние магнитного поля Земли и капризы хрупкой экспериментальной установки.                               Заголовок: Re: ВСЕМИРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ семинар 00014 От: morozov on 12/06/04 в 01:26:08 Однажды Эйнштейн заметил «Никто не верит в теорию, кроме создавшего ее теоретика. Все доверяют эксперименту, кроме самого экспериментатора» Заголовок: Re: ВСЕМИРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ семинар 00014 От: morozov on 02/25/05 в 15:47:37 В своей знаменитой диссертации [15] Риман впервые указал на связь постулатов геометрии с физикой, которая приобрела фундаментальное значение в общей теории относительности Эйнштейна. Современная физика, как мы увидим позднее, вновь стоит перед необходимостью критического пересмотра геометрических представлений применительно к микромиру. Поэтому в заключение этого отдела будет весьма уместно привести гениальные слова Римана относительно геометрии в малом: «Вопрос о том, справедливы ли допущения геометрии в бесконечно малом, тесно связан с вопросом о внутренней причине возникновения метрических отношений в пространстве. Этот вопрос, конечно, также относится к области учения о пространстве, и при рассмотрении его следует принять во внимание сделанное выше замечание о том, что в случае дискретного многообразия принцип метрических отношений содержится уже в самом понятии этого многообразия, тогда как в случае непрерывного многообразия его следует искать где-то в другом месте. Отсюда видно, что то реальное, что создает идею пространства, образует дискретное многообразие, или же нужно пытаться объяснить возникновение метрических отношений в чем-то внешнем—силами связи, действующими на это реальное. Решение этих вопросов можно надеяться найти лишь в том случае, если, исходя из ныне существующей и проверенной опытом концепции, основа которой положена Ньютоном, станем постепенно ее совершенствовать, руководясь фактами, которые ею объяснены быть не могут; такие же исследования, как произведенные в настоящей работе, именно имеющие исходным пунктом общие понятия, служат лишь для того, чтобы движению вперед к успехам в познании вещей не препятствовали ограниченность понятий и укоренившиеся предрассудки. Здесь мы стоим на пороге области, принадлежащей другой науке—физике, и переступать его не дает нам повода сегодняшний день» [15]*). из книги Блохинцева Заголовок: Re: ВСЕМИРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ семинар 00014 От: morozov on 03/01/05 в 14:05:45 В МИРЕ НАУКИ Учредитель и издатель: Негосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский новый университет" http://www.sciam.ru/