Rambler's Top100 Russian / Francais / English
Первый русский гид по университетам Швейцарии
 

Публикации в швейцарской прессе

FNS Horizons

Идеи гения

100 лет назад мысль Альберта Эйнштейна о причинах возникновения физических явлений осуществила революцию в понимании микро- и макрокосма. Продолжение его исследований к границам объяснимого приобрело сегодня новый размах.

FNS Horizons №64, март 2005, стр. 9-15

1905: год чуда Эйнштейна

Праздничные мероприятия, организованные по всему миру в честь 100-летия волшебного года Альберта Эйнштейна, призваны не только чествовать физические теории и их автора, но и воздать должное тому факту, что они смогли фундаментально изменить мир и наше представление о нем.

В начале 1905 года планы созидания, которые позволят появиться на свет основам физики XX века, пылились в Берне в ящике Патентного бюро. Их автор Альберт Эйнштейн, технический эксперт III категории, предается серии размышлений, где он подвергает критическому анализу концептуальный мир физики той эпохи: свет – частицы, пространство – время, масса – энергия. Имея уникальный талант изгонять недостатки классической физики, Эйнштейн выявляет неизвестные ранее причинно-следственные связи и их последствия. Эти расширенные знания по физике Эйнштейн получил во время обучения в Федеральной политехнической школе Цюриха, не привлекая к себе особого внимания и главным образом самостоятельно, не потому что он хотел кем-то стать, а потому что он хотел учиться. Впрочем он всегда был таким: будучи еще молодым, он сам научился дифференциальному и интегральному исчислению.

Самоучка

«Возможно, Эйнштейн был последним из борцов-одиночек физики», - считает Рют Дюрер (Ruth Durrer) из Отделения теоретической физики Университета Женевы. Сегодня фундаментальные исследования по физике стали коллективным делом, разделенным на специальные области. Поток публикаций приобрел такие масштабы, что даже эксперты с трудом успевают следовать темпу. Напротив, 100 лет назад какой-нибудь гениальный маргинал мог еще приобрести самостоятельно общие знания по предмету. Особенно инакомыслящий, уверенный в себе, над которым не довлело бремя академической науки.

Физика и скрипка

Эйнштейн смог по крайней мере воспользоваться своей эпохой. Его переписка показывает, что все разговоры в семье и в кругу друзей вращались зачастую вокруг проблем физики.

Эйнштейн жил физикой, не позволял себе практически никаких развлечений, предпочитая изучать законы природы, за исключением скрипки, на которой он проиграл всю свою жизнь. Позднее он расскажет о своем бернском периоде, как об одном из самых счастливых и плодотворных периодов своей жизни, когда он приложил все усердие в изучение мэтров теоретической физики. Уже в 1901 году и на протяжении следующего года Альберт Эйнштейн публикует свои собственные труды о молекулярных силах, а 1905 год станет его настоящим годом чудес.

Революционный труд

17 марта 1905 года Эйнштейн выдвигает свою первую гениальную идею на страницах журнала Annalen der Physik . «Речь идет о работе на тему излучения и энергетических свойствах света, и она революционная», - пишет своему другу Конрад Хабич (Conrad Habicht).

Эта работа, окрещенная «эвристической точкой зрения на производство и трансформацию света», объясняет непонятный в то время эффект электрического света. Впервые световые волны приобретают свойства частиц. Квантовая гипотеза света действительно произведет революцию в физике: она сделает Эйнштейна одним из соучредителей квантовой физики и в 1921 году лауреатом Нобелевской премии по физике.

Шесть недель спустя Эйнштейн представляет свою докторскую работу, в которой он на 16 страницах разработал «новое определение размера молекул». Эта диссертация подкрепляет еще неподтвержденную в то время гипотезу о существовании атомов посредством расчета их размера и количества в растворе. Трактат, принесший Эйнштейну степень доктора 15 января 1906 года в Цюрихе, станет одной из самых цитируемых работ по физике.

Тепловое движение молекул

Уже 11 мая Эйнштейн посылает новое послание в Annalen der Physik. Атомы его докторской диссертации, находящиеся в состоянии суспензии, не давали ему покоя. На 11 страницах он представляет доказательство, что «броуновские молекулярные движения» - видимое в микроскоп колебание подвешенных в воде частиц - вызвано тепловым движением молекул.

Методы, разработанные Эйнштейном, станут краеугольным камнем в созданиии статистической физики. Наконец 30 июня приходит время теории относительности. Трактат на 30 страницах под названием « К электродинамике движущихся тел », который Эйнштейн печатает еще раз в Annalen der Physik, распространяет принцип относительности классической механики на всю физику. Он выявляет внутреннее противоречие в представлении об абсолютном времени и пространстве, отталкиваясь от определения одновременности, учитывающего скорость света.

Известнейшая формула Альберта Эйнштейна E=mc2, которая выражает эквивалентность массы и энергии, отправлена в Annalen der Physik 27 сентября 1905 года в постскриптуме к «Электродинамике движущихся тел». Были заложены основы, которые позволят впоследствии разработать ядерную энергию, а также атомное оружие. Этому одинокому исследователю хватило пяти символов для разработки формулы, которая станет источником и надежд, и разрушений в XX веке.


Очерки о незримом

Революционные работы Эйнштейна в 1905 году расширили взгляд физического сообщества на реалии, еще не доступные нашему сознанию. 100 лет спустя новейшая технология измеряет неуловимые силы незримых новых миров.

В Институте микротехники (IMT) Университета Невшателя разведывательные экспедиции в страну молекул и атомов являются повседневностью. Наноинструменты сканируют с высокой точностью невидимое для человеческого глаза пространство, субмикроскопические размеры которого смог первым определить Эйнштейн, благодаря силе своего разума и с помощью лишь клочка бумаги и карандаша. «Мы проводим здесь прикладные исследования и разрабатываем инструменты, позволяющие продвинуть анализ молекулярных и атомных структур», - поясняет Нико де Руидж (Nico de Rooij), директор IMT. Ученые Лаборатории датчиков, силовых приводов и микросистем (Samlab) разрабатывают новые технологии исследования поверхности клеток и некоторых молекулярных процессов. «При этом мы можем сканировать поверхности различных тканей», - подчеркивает исследователь. Это гигантский прогресс по сравнению с первыми микроскопами со сканирующими зондами, которые в середине 1980 годов могли сканировать электропроводящие материалы лишь по атомам. Тогда как наноинструменты позволяют также непосредственно наблюдать за термическим движением.

Молекулы углерода 60 являются тому отличным примером. При температуре окружающей среды они имеют форму шара, где скрывается их структура. При помещении в низкие температуры, напротив, та же структура становится распознаваемой, и это через 100 лет после Эйнштейна, который правильно интерпретировал броуноское движение частиц как эффект термического движения молекул.

Обследование живых тканей

Микроэлектроника в настоящее время является основной прикладной областью для наноинструментов IMT, а новое поколение невшателевских микроскопических игл, едва видимых невооруженным глазом, применяются как в биологии, так и в медицине, и также в космических исследованиях. Артроскопический зонд, позволяющий анализировать поверхность суставного хряща с нанометрическим разрешением, проходит сейчас клинические испытания. Этот инструмент, созданный в Samlab, напоминает длинное шило. «У некоторых людей, страдающих от болей, сходных с болями при артрозе, традиционная эндоскопия суставов не дает видимых результатов», - объясняет Урс Стофер (Urs Staufer), профессор IMT. Поверхность сустава кажется неповрежденной. Только сканирование живой ткани с помощью данного микроскопа на атомном уровне способно выявить патологические изменения линии клеток хряща. Этим знанием мы обязаны университету Базеля. Эти две лаборатории проводят совместное тестирование нового наноинструмента, который также может дать информацию о твердости поверхности хряща и тем самым о прочности сустава.

В то же время микроскопы Невшателя стали компактными и портативными и даже стали применяться в космических исследованиях. В 2007 году наноинструмент IMT должен быть доставлен на Марс американским зондом «Phoenix» для обследования структуры частиц пыли.

Титанические события

Мишель Магжиоре (Michele Maggiore) из Отделения теоретической физики Университета Женевы исследует небесные тела. Он разрабатывает теоретические основы, которые должны предоставить прямое доказательство существования гравитационных волн (взаимное притяжение между двумя телами), приходящих из глубин космоса. Смерть звезд вследствие вспышек на сверхновых звездах, бешеного танца двух нейтронных звезд вокруг общего центра тяготения, или даже слияние двух черных дыр представляют собой титанические события, которые заявляют о себе на космические расстояния искривлениями пространства-времени. Всё-таки цель еще не достигнута: добиться успеха в измерении искривлений геометрии пространства-времени, постулированных Эйнштейном.

«Когда гравитационная волна проходит через прочный алюминиевый цилиндр диаметром 3 метра обычного детектора, какая площадь металлической болванки будет деформирована?» - спрашивает исследователь. И в ответ: одна тысячная диаметра ядра атома. Высокие технологии сделали эту весьма трудную операцию возможной: тонкий резонансный механизм передает минимальные колебания громадной глыбы, охлажденной до сверхнизкой температуры, на массу. Но до сих пор ни один сигнал о катастрофе на Млечном пути еще не получен. Однако Мишель Магжиоре уверен, что первое прямое доказательство гравитационного излучения скоро будет получено.

В скором времени будут введены в действие новые детекторы гравитационных волн, позволяющие измерять движение лазерных лучей длиной несколько километров. Так франко-итальянский интерферометр VIGRO и его американское соответствие LIGO определенно более чувствительны. В нашем Млечном пути происходит в среднем одно событие в век, которое можно измерить детекторами первого поколения. Напротив, VIRGO должен обнаруживать гравитационные волны космических катастроф, происходящих в скоплении Девы, которое находится на расстоянии 45 миллионов световых лет. Мишель Магжиоре оценивает количество гравитационных сигналов примерно 20 в год. Он вынужден, как и Эйнштейн, приблизиться теоретическими размышлениями к этим объектам, при этом надеется впоследствии изучить их гравитационное излучение. Вместе со своими сотрудниками из Института теоретической физики он недавно обнаружил нового кандидата на гравитационное излучение. Колебание нейтронных звезд должно быть обнаружено современными детекторами в форме нежного шепота.


«Мы бы хотели иметь гениальную идею»

Новые наблюдения и эксперименты показывают нам сегодня, что космос еще более экзотичен, чем космос, открытый Эйнштейном. Рут Дуррер (Ruth Durrer) и Мартин Кунз (Martin Kunz) из Университета Женевы объясняют как современная теоретическая физика пытается постичь Вселенную.

В космологии два новых явления, еще неизвестных Эйнштейну, ждут своего объяснения: черная материя и черная энергия. Что можно сказать по этому поводу?

Кунз: Черная материя представляет собой реальную материю, но ее нельзя увидеть напрямую. Ее притяжение действует таким образом, что звезды удаляются от центра галактики быстрее, чем говорится в ньютоновском законе тяготения. Этот факт известен уже несколько десятков лет. В теории полей теперь есть основа, дающая нам представление о том, какой может быть черная материя…

Дуррер: … каждая частица во Вселенной, возможно, имеет частицу-партнера. Таким образом, черная материя могла бы найти себе место в теориях под названием сверхсимметричных. Это еще весьма умозрительно. Но через два года, когда в CERN мощный ускоритель частиц Large Hadron Collider (LHC) будет введен в действие, новые эксперименты дадут поток новой информации. Надеемся, LHC прольет немного света.

Еще с давних пор известно о существовании черной энергии во Вселенной.

Кунз: В 1998 году на основании вспышек очень далеких звезд мы поняли, что Вселенная расширяется быстрее, чем должна. Наиболее приемлемое объяснение этого явления предполагает, что над Вселенной доминирует отталкивающая гравитационная составляющая - известная космологическая постоянная Эйнштейна, возможная форма черной энергии. Плотность черной энергии между прочим намного меньше, чем ожидалось. Одна из главных задач космологии – объяснить почему эта обнаруженная черная энергия по крайней мере на 40 порядков в размерах меньше, чем должна быть с точки зрения физики частиц.

Дуррер: Теории суперсимметричных полей установили, что энергетическая плотность вакуума равна нулю. Но, к сожалению, согласно тому, что мы знаем, Вселенная не суперсимметрична - электрон не имеет партнера. Суперсимметрия таким образом нарушена. Это означает, что энергия вакуума должна располагаться в шкале, где суперсимметрия нарушена по крайней мере более, чем на 40 порядков.

Теории под названием струн стремятся объяснить фундаментальные силы во Вселенной и постулируют, что в мире существует не только временное измерение и три пространственных, а десять измерений или более. Где эти новые измерения?

Дуррер: Либо они очень маленькие, либо они имеют метрику, которая должна быть очень малой, когда мы перемещаемся с нашего трехмерного пространства в другое измерение. Они могут быть также очень большими, даже бесконечными. Ньютоновская гравитация при этом никогда не проверялась в масштабах, меньших 0,1 миллиметра.

Кунз: В теории струн гравитация передается по фундаментальным и замкнутым струнам, которые свободно перемещаются в дополнительных измерениях. Другие силы соответствуют конечным точкам незамкнутых струн, которые должны всегда иметь начало и заканчиваться где-то в нашем трехмерном пространстве.

А будет ли возможным увидеть такое измерение?

Дуррер: В принципе, да, но…

Кунз: … с помощью чего? Если материя не разрушается, то это благодаря действию сил стандартной модели физики частиц. Это именно те силы - например, фотоны, обеспечивающие электромагнитное взаимодействие - которые не могут действовать в этих сверхизмерениях.

Можно ли проверить новейшие теории, если бы мы обладали лучшими средствами измерения?

Дуррер: Конечно, мы всегда пользуемся более точными наблюдениями. Дифференцированные измерения поляризации космического фона микроволнового излучения позволят нам выявить существование фона гравитационных волн, либо новые данные о черной энергии убедят нас в том, что речь действительно идет о космологической постоянной. Но я не уверена, что новые данные помогут нам найти лучшую или более удовлетворительную теорию.

Нет ли немного лукавства в ваших словах?

Дуррер: Да, мы хотели бы снова иметь гениальные идеи, такие как идея Эйнштейна, о которой думаешь: «Точно! Вот хорошая начальная точка!». Не только концепция, такая как теория струн, которая по-прежнему остается требующей безумных усилий и еще не предоставляет никакой возможности проверки экспериментально.

В каком направлении могла бы развиваться физика в эти ближайшие 50 лет?

Дуррер: Возможно, нам удастся проверить эмпирическим путем некоторые аспекты теории струн. По-моему, речь идет о самой важной теории в настоящий момент, даже если она окажется совершенно несостоятельной.

Кунз: Самым значимым опытом будет Large Hadron Collider .

Дуррер: Но возможно, что суперсимметрия еще не появится с LHC , даже если она будет очень близка к энергии ускорителя.

Кунз: К сожалению, это так. Возможно, что LHC обнаружит Хигз-бозон, эту фундаментальную частицу, которая передает гравитационную силу и которую никто еще не видел, но не сможет обнаружить суперсимметрию.

Это будет тяжелым ударом для исследований?

Дуррер: О да! Кто тогда будет готов оплатить следующий ускоритель частиц?

 

Автор Патрик Рот (Patrick Roth)

 

 

© FNS Horizons, 2005
© uni-CH.RU, перевод с французского, 2005



© uni-CH.RU 1999-2005 | info@uni-ch.ru | 15.09.2005

  Рейтинг@Mail.ru   Rambler's Top100