CC BY
87
Н.А.Емельянова, Р.Ш.Шагиев НАСЛЕДИЕ АЛЬБЕРТА ЭЙНШТЕЙНА
Альберт Эйнштейн (14.03.1879-18.04.1955) - выдающийся физик-теоретик, один из создателей современной физики. Родился в Ульме [1]. Четырнадцати лет переехал в Швейцарию, где окончил Цюрихский политехникум. В 1902-1908 годах работал экспертом в патентном бюро в Берне, в 1909-1913 годах - профессор Цюрихского политехникума, в 1914-1933 годах - профессор Берлинского университета и директор Института физики. После установления власти фашистов подвергся преследованиям и был вынужден покинуть Германию. В 1933 году переехал в США, где до конца жизни работал в Принстонском институте перспективных исследований.
Создатель специальной и общей теорий относительности, коренным образом изменивших представления о пространстве, времени и материи. В 1905 году в статье "К электродинамике движущихся тел" А. Эйнштейн разработал основы специальной теории относительности, изложив новые законы движения, которые обобщали ньютоновские и переходили в них в случае малых скоростей тел. В основу своей теории он положил два постулата: специальный принцип относительности, являющийся обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические явления (в любых инерциальных системах все физические процессы - механические, электрические, тепловые, оптические и др. - протекают одинаково), и принцип постоянства скорости света в вакууме (скорость света в вакууме не зависит от движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех направлениях, то есть, одинакова во всех инерциальных системах и равна 30000000000 см/с). Оба постулата и теория, построенная на их основе, привели к ломке многих установившихся классических понятий (абсолютное пространство, абсолютное время), заставили пересмотреть ряд основных положений классической физики Ньютона, установили новый взгляд на мир, новые пространственно-временные представления (относительность длины, времени, одновременности событий). Однако эта теория не отбросила совсем закономерностей, установленных классической механикой, а уточнила их в
случае движения со скоростями, соизмеримыми со скоростью света в вакууме.
Исходя из своей теории, Эйнштейн в том же 1905 году открыл закон взаимосвязи массы и энергии, в котором показал, что масса является мерой энергии, заключенной в телах. Это соотношение Эйнштейна лежит в основе расчета энергетического баланса ядерных реакций, в основе всей ядерной физики. Все положения и выводы специальной теории относительности ярко подтвердились в многочисленных опытах, она стала мощным инструментом в физических исследованиях, в частности в физике микромира.
Значительна роль Эйнштейн и в создании квантовой теории. Если М. Планк квантовал лишь энергию материального осциллятора, то Эйнштейн ввел в 1905 году представление о дискретной, квантовой структуре самого светового излучения, рассматривая последнее как поток квантов света, или фотонов (фотонная теория света). Таким образом, Эйнштейну принадлежит теоретическое открытие фотона, экспериментально обнаруженного в 1922 году А. Комптоном. Исходя из квантовой теории света, Эйнштейн объяснил такие явления, как фотоэффект (закон Эйнштейна для фотоэффекта), правило Стокса для флюоресценции, фотоионизацию и др., которые не могла объяснить электромагнитная теория света. За эти исследования в 1921 году ученому была присуждена Нобелевская премия по физике. В 1907 году он распространил идеи квантовой теории на физические процессы, непосредственно не связанные со светом. В частности, рассмотрев тепловые колебания атомов в твердом теле и использовав идеи квантовой теории, объяснил уменьшение теплоемкости твердых тел при понижении температуры, разработав первую квантовую теорию теплоемкости твердых тел. В 1909 году Эйнштейн впервые рассмотрел корпускулярно-волновой дуализм для излучения, а также флуктуации энергии равновесного излучения, получив формулу для флуктуаций энергии. В 1912 году он установил основной закон фотохимии: каждый поглощенный фотон вызывает одну элементарную фотореакцию (закон Эйнштейна); предсказал в 1916 году явление индуцированного излучения; ввел вероятности спонтанного и вынужденного излучений (коэффициенты Эйнштейна).
В статистической физике Эйнштейн развил в 1905 году молекулярностатистическую теорию броуновского движения, в 1924-1925 годах создал квантовую статистику частиц с целым спином (статистика Бозе-Эйнштейна).
В 1915 году Эйнштейн предсказал и совместно с В. де Гаазом экспериментально обнаружил эффект изменения механического момента при намагничивании тела (эффект Эйнштейна - де Гааза).
В 1915 году им завершено создание общей теории относительности, или современной релятивистской теории тяготения, установившей связь между пространством-временем и материей. К ее созданию Эйнштейна привел анализ известного факта, что отношение инертной массы тела к гравитационной одинаково для всех тел (принцип эквивалентности). Этот принцип вместе с принципом относительности лег в основу общей теории относительности, объяснившей сущность тяготения, состоящую в изменении геометрических свойств, искривлении четырехмерного пространства-времени вокруг тел, ко-
торые образуют поле (любая масса влияет на метрику окружающего пространства). Ученый вывел уравнение, описывающее поле тяготения - уравнение Эйнштейна (в 1915 году общековариантные уравнения гравитационного поля получил также Д. Гильберт). Для проверки своей теории он предложил три эффекта: искривление светового луча в поле тяготения Солнца, смещение перигелия Меркурия и гравитационное красное смещение. Эти эффекты, как показали последующие эксперименты, действительно действуют и количественно правильно предсказывались общей теорией относительности. В 1916 году Эйнштейн постулировал гравитационные волны и в 1918 году вывел формулу для мощности гравитационного излучения.
Общая теория относительности обусловила бурное развитие космологии как науки. Исходя из этой теории, Эйнштейн в 1917 году предложил новую модель Вселенной, согласно которой Вселенная представляет замкнутое трехмерное пространство (трехмерную сферу) конечного объема и неизменна во времени. Однако эта модель не соответствует действительности, поскольку Вселенная нестационарна, она расширяется. Впервые это теоретически показал А. А. Фридман, а в 1929 году было подтверждено наблюдениями (явление разбегания галактик).
Начиная с 1933 года, работы Эйнштейна были посвящены вопросам космологии и единой теории поля. Однако попытки построить такую теорию окончились неудачей. В работах Эйнштейна поднят ряд гносеологических проблем, но его философские взгляды не всегда были последовательны.
Потрясения атомного масштаба: XXI столетие
В 1905 г., в возрасте 26 лет, А.Эйнштейн заканчивал работу над своей докторской диссертацией. В его обязанности простого клерка венского патентного бюро входило рассматривать патентные заявки. Однако вряд ли он думал о практической ценности собственных идей, изложенных в том году в пяти статьях, наиболее значительных во всей его экстраординарной карьере. Вряд ли он предполагал, что его новый взгляд на материю, энергию и время даст толчок развитию принципиально нового поколения устройств, предназначенных служить человеку. Эйнштейн не чурался техники, просто она не была в центре его внимания: его собственные патентные заявки, например, на холодильник без движущихся механических частей или на насос без утечек, так и не были доведены до промышленного производства. Однако в XX в. другие ученые и инженеры создали множество впечатляющих устройств на базе его идей, таких как представление света в виде потока частиц - фотонов, свойство этих фотонов обладать одной и той же скоростью с - максимально возможной в нашем мире, связь материи и энергии, выражаемая формулой Е = тс2.
В XXI в. инженеры нашли новые области для использования этих идей, среди которых одной из наиболее поразительных является возможность создания принципиально новых вычислительных устройств. Предложен также ряд практических применений менее известных теорий Эйнштейна. Например, с использованием нанотехнологий созданы устройства, позволяющие быстро
производить анализ молекул ДНК по характеру их броуновского движения, которое впервые было правильно объяснено именно великим ученым в 1905 г. В ряде лабораторий во всем мире работают с экзотической формой материи, существование которой Эйнштейн предсказал в своих "мысленных экспериментах" в 1925 г., - это когерентное скопление ультрахолодных атомов, бозе-эйн-штейновский конденсат, вещественный аналог когерентного лазерного излучения. На таком конденсате можно построить портативные атомные часы, сверхточные гироскопы для целей навигации, гравитационные датчики для обнаружения нефтяных пластов и залежей минералов.
Спин электрона и теория относительности
Единственным вычислительным средством, которое использовал Эйнштейн при создании своей специальной (частной -special) теории относительности в 1905 г., была его голова. Совершенно очевидно, что такая биологическая машина оставляет далеко позади любой электронный компьютер. Никакой построенный к сегодняшнему дню полупроводниковый процессор не угонится по плотности записи информации и энергетической эффективности за человеческим мозгом, в котором на 1 кг живого веса приходится миллион миллиардов ячеек, при этом и энергии потребляется, и тепла выделяется меньше, чем в микропроцессоре Pentium-A. Выделение тепла и потребление энергии -два фактора, наиболее сильно ограничивающих развитие полупроводниковых устройств в течение последних 20 лет. Один из реальных выходов - переходить на принципиально новые физические основы, например, на базе теории относительности. На первый взгляд, это кажется полнейшей бессмыслицей, ведь теория относительности касается движения с очень большими скоростями. В своей теории Эйнштейн развенчал понятия абсолютного времени и абсолютного покоя. Единственной константой, согласно ему, является скорость света в вакууме. Это положение имеет странные последствия для любого объекта, движущегося с большой скоростью (относительно наблюдателя). Длина объекта, например, уменьшается, и он, по мнению неподвижного наблюдателя, должен затратить большее время для того, чтобы пройти заданное расстояние. Если объект движется в электростатическом поле, то в его системе отсчета появляется и магнитное поле. Этот так называемый релятивистский эффект очень слаб, однако только до тех пор, пока объект не приобретет скорость, близкую к скорости света -300 тыс. км/с. Даже "мобильные" компьютеры недостаточно быстры, а вот электроны внутри них - наоборот. В начале 2004 года группа американских физиков под руководством Дэвида Ошелома показала способ использования теории относительности для создания нового типа полупроводниковых вычислительных устройств. Эта работа сейчас в начальной стадии, которую можно уподобить этапу создания первого полупроводникового логического вентиля 40 лет назад. Однако если разработчики сумеют найти способ интеграции миллионов релятивистских схем на крошечном кремниевом чипе (а именно над этим работает Д. Ошелом вместе с инженерами фирм Intel и Hewlett-Packard), появятся процессоры, намного превосхо-
дящие по быстродействию существующие и при этом потребляющие значительно меньше энергии и выделяющие значительно меньше тепла. Более того, действие релятивистских микросхем будет базироваться не на двоичной, а на более сложной логике. В принципе, эти новые приборы смогут даже сами реализовывать оптимальную конфигурацию межсоединений, подстраиваясь под конкретную задачу. Вообразим, например, сотовый телефон, который может изменять свою конфигурацию, чтобы подключаться к любой мировой сети, или такой, процессор которого простым нажатием кнопки можно перепрограммировать, чтобы иметь переводчик с одного языка на другой.
Магнитные вентили
Обычные полупроводниковые микросхемы работают на базе "классических" теорий электромагнетизма XIX в. В крошечные островки на кремниевой подложке имплантируются ионы с избытком или недостатком электронов. Когда к этим областям прикладывают внешнее напряжение, электроны выталкиваются из них или, наоборот, втягиваются в них, открывая или закрывая тем самым логические вентили и регулируя силу протекающего через них электрического тока.
Однако создать слишком большую концентрацию электронов в таких областях невозможно - как из-за утечки электронов, так и из-за выделяемого тепла. Примерно десять лет назад физики начали экспериментировать с магнитными вентилями, управляющими потоком электронов, - ведь каждый электрон можно рассматривать как маленький полосовой магнит. Такой магнитик имеет северный и южный полюсы, вращается вокруг своей оси (как наша Земля) и определенным образом ориентируется во внешнем магнитном поле, поскольку имеет собственный момент - так называемый спин. На самом деле электроны не вращаются, но ведут себя, как маленькие гироскопы. Если электрон поместить в магнитное поле, он начнет прецессировать - его ось вращения будет описывать окружность вокруг направления этого поля, причем радиус этой окружности будет определяться напряженностью магнитного поля. Если поле убрать, электрон "замрет" в том положении, в каком застанет его момент выключения.
В современной электронике информация передается путем изменения количества электронов в цепи и их энергии. В релятивистской электронике (спинтронике) открывается возможность кодировать информацию, управляя ориентацией электронных спинов. Если направление спина "вверх" принять за "1", а направление "вниз" - за "0", то получим базовое устройство двоичной логики. Этим летом фирма Motorola начала массовое производство спин-тронных запоминающих микросхем. В отличие от обычных микросхем, в магнитных информация сохраняется, поскольку сохраняется ориентация спинов - до следующего включения напряжения питания.
Магнитные ЗУ легко соединять в батареи, поскольку они потребляют очень мало энергии и сохраняют информацию при отключении питания. Для изменения ориентации спина электрону надо сообщать дополнительную ки-
нетическую энергию, так что тепло почти не выделяется. Быстродействие схем исключительно высокое: скорость переключения в опытных образцах составляла несколько пикосекунд.
До сих пор спин-тронные схемы работали только на ферромагнетиках, поэтому вопрос их внедрения в производство был весьма проблематичным: надо было придумать, как встроить крошечные магниты в миллионы вентилей на микросхеме, да еще и как управлять каждым магнитным вентилем. Новые, релятивистские, микросхемы обходятся без ферромагнетиков, ведь магнитное поле создается за счет электростатического, а это значит, что массовое производство вполне можно организовать на базе существующей хорошо развитой полупроводниковой микроэлектроники. Пока еще релятивистские спин-тронные устройства весьма далеки от воплощения в "железе". Однако перспективы захватывающие.
Работает хаос
Все слышали, что Эйнштейн выдвигал потрясающие воображение идеи: о скорости света, судьбе Вселенной, природе времени. Но в 1905 г. его внимание привлекали субмикроскопические частицы. В своей докторской диссертации он обосновал поправки на оценку их размеров, принятую в то время, и дал математическое описание броуновского движения - явления, озадачивавшего ученых с 1827 г., когда его открыл Роберт Броун.
Броун заметил, что мельчайшие частички типа цветочной пыльцы в воде движутся хаотично. Самым простым было предположить,что они живые, но так же вели себя и частички пудры, полученной при тщательном растираниикамня. К началу XX в. появилось много гипотез, объясняющих это движение: электрическое поле со стороны среды, испарение, конвекция, облучение светом и др. Эйнштейн предположил,что частицы движутся в результате столкновенийс молекулами жидкости. Он отметил, что этот эффект доказывает справедливость теории, что тепло - это результатхаотичного движениямолекул.
Представленные математические обоснования броуновского движения нашли неожиданные применения: для анализа движения товаров на рынке, в теории диффузии газов и жидкостей и, совсем недавно, для разработки так называемых броуновских микросепараторов. В последних устройствах используется свойство малых частиц смещаться в результате броуновского движения на большее расстояние, чем смещаются более крупные. Так сортируют по размеру вирусы и очищают воду от твердых примесей.
В процессе броуновского движения взвешенные частицы движутся хаотически. С помощью асимметричной структуры микропрепятствий можно направить частицы разного размера по различным путям. Так, один из микросепараторов напоминает китайский бильярд, в котором шар надо провести через систему вертикальных палочек. Если жидкость, например плазму крови, пропустить через канал, содержащиеся в ней малые частицы, например вирусы, ударяясь о торчащие "зубчики", рассортируются по размеру. На выходе получатся две области разного состава. Сепаратор другого типа (мик-
рофильтр) представляет собой по сути губку: в кремниевой пластине вытравлены тысячи каналов сложного сечения. Водную взвесь сажи, биологического материала или других мельчайших твердых частиц прогоняют по этим каналам. Частицы застревают в сужениях, увлекаются потоком и скапливаются на верхней стороне подложки. Такие сита уже используются для очистки воды.
Капли конденсата
Эйнштейн не принимал странный квантовый мир. И все же сделал ряд важных вкладов в эту область науки. Например, в 1925 г., ознакомившись со статьей С.Бозе о статистике фотонов, он заметил, что если атомы охладить до сверхнизких температур, почти до абсолютного нуля, то можно наблюдать интереснейший эффект: конденсацию этих атомов в один гигантский суператом. Все атомы будут находиться в одном состоянии и перемещаться синхронно, как фотоны в лазерном луче. Сейчас лазеры (когерентное излучение) стали обычным делом, так что на очереди - "атомные лазеры" (когерентное вещество). Однако бозе-эйнштейновский конденсат (такое название получила совокупность ультрахолодных атомов) долго оставался игрой ума, пока в 1995 г. Э.Корнелл и К.Вайман (США) экспериментально не получили конденсат из 2000 атомов рубидия. За это достижение они (вместе с В.Кеттерле) были удостоены Нобелевской премии 2001г. К настоящему времени Э.Корнелл заканчивает работу над микроприбором, в котором капли конденсата могут расщепляться и вновь объединяться. Следующий шаг - создание атомного интерферометра, с помощью которого можно будет измерять величину линейного и центростремительного ускорении значительно точнее, чем с помощью лазерных аналогов. С таким прибором на борту авиалайнера можно отслеживать изменения величины и направления гравитационной силы, одной из причин ускорения. Ее вариации могут указывать на неоднородность распределения
Бозе-эйнштейновский конденсат обладает самой низкой температурой во Вселенной - всего лишь миллиардной долей градуса по шкале Кельвина. С помощью магнитного поля и лазерного излучения ученые замедляют и сжимают атомы до тех пор, пока под действием квантовых эффектов они не станут полностью когерентными, т.е. вся совокупность не начнет двигаться синхронно, как единый гигантский атом.
Свойство когерентности атомного конденсата можно использовать для составления карт полей гравитации и в целях навигации. В гравитационном интерферометре капли конденсата, которые перемещаются под действием внешнего управляемого магнитного поля, можно разделять и объединять. В роли зеркал и расщепителей "пучка" могут выступать стоячие волны лазерного излучения. Половинки разделенной капли, проходящие по разным ветвям прибора, обычно остаются все время синхронизированными и после объединения создают интерференционную картину. Положение интерференционных максимумов зависит от "разности хода", т.е. от наличия даже слабого
градиента гравитационного поля в ветвях. Возможно, в будущем с помощью таких интерферометров, установленных на самолетах, будут сниматься карты гравитационных полей, указывающих местоположение нефтеносных пластов или руд металлов, а военные смогут даже обнаруживать подземные бункеры.
Литература
[1] ХрамовЮ.А. Физики.Биографическийсправочник.М. 1983.
[2] Гиббс У. Scientific American, 2004, Sept., Special Issue.
[3] В работе использованы материалы электронной физической энциклопедии.
