История лазера - Марио Бертолотти

Рис. 20. Во время затмения Солнца можно наблюдать свет, приходящий от двух звезд сбоку от диска Солнца. Из-за того, что гравитационное поле Солнца искривляет свет, звезды, наблюдаемые с Земли в направлении продолженных лучей, кажутся разнесенными дальше, чем на самом деле

Однако точность этих подтверждений была недостаточно высока из-за трудностей таких наблюдений. Совсем недавно этот эффект смог подвергнуть проверке за счет использования вместо света микроволн. Были открыты объекты звездного типа, сильно излучающие в радиодиапазоне (квазизвездные радиоисточники, или квазары). Когда один из них находится позади Солнца, мы можем наблюдать, отклоняются ли радиоволны, проходящие вблизи Солнца. Для этого нет необходимости ожидать затмения, поскольку Солнце слабо испускает радиоволны. Результат, с необходимыми коррекциями побочных эффектов, показал, что теория Эйнштейна подтверждается с более высокой точностью, чем на световых волнах.

Отклонение света за счет гравитации оказалось даже еще более впечатляющим в недавние годы. Масса галактики может действовать как линза и фокусировать свет, который приходит от удаленного источника, расположенного позади нее (рис. 21). Если этот источник, галактика, действующая как линза, и телескоп расположены (настроены) должным образом, тогда «гравитационная линза» дает совершенное круговое изображение («кольцо Эйнштейна»), наблюдаемое на некоторых фотографиях, полученных различными методами в разных ситуациях.

Третье подтверждение относится к предсказанию общей теорией относительности того, что световые волны, испускаемые источником, находящемся в гравитационном поле, подвержены изменению длины в сторону более длинных волн, т.е. к красному концу спектра. Этот эффект известен как красное смещение. Он был проверен путем исследования света, испускаемого звездами типа белых карликов, содержащих вещество в высокосжатом состоянии. Гравитационный потенциал на поверхности белого карлика значительно больше, чем на поверхности нашего Солнца, это дает возможность проверить этот эффект, предсказанный Эйнштейном. Другие следствия теории гравитации Эйнштейна были получены в последующие годы. Одно из самых ярких — открытие черных дыр, коллапсированных звезд, диаметр которых сжимается до бесконечно малой доли их первоначального состояния. Свет, испускаемый черной дырой, не может покинуть ее, так как он затягивается обратно огромным гравитационным полем, получающимся при сжатии. По существу черная дыра — это точка в пространстве с массой обычной звезды. В настоящее время существование черных дыр признается, и получены некоторые наблюдательные доказательства этого.

Рис. 21. Гравитационная линза. Свет, приходящий от далекого объекта (квазар на рисунке), искривляется сильными гравитационными полями вблизи галактики или черной дыры. Наблюдатель на Земле, продолжая лучи, которые приходят к нему, воссоздает два изображения объекта, как показано на рисунке. Если объект, наблюдатель и галактика расположены совершенным образом, то вся система обладает аксиальной симметрией и изображения представляются кругом с объектом в его центре (круг Эйнштейна)

В течение 1921—1923 гг. Эйнштейн совершил путешествия по США, Европе и Азии. Вайтцман убеждал его присоединиться к сионистскому движению. В 1921 г. он получил Нобелевскую премию по физике, но не за теорию относительности, а «за его служение теоретической физике, и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта». В следующей главе мы опишем фотоэлектрический эффект.

Важной экспериментальной проверкой специальной теории относительности был отрицательный результат эксперимента, проведенного в 1887 г. Майкельсоном и Морли, поставленного для обнаружения движения Земли относительно эфира. В конце 19 столетия полагали, что колебания электрических и магнитных полей световой волны должны с необходимостью представлять колебания некоторой среды и что эта среда является знаменитым эфиром, уже введенным Декартом и Гюйгенсом. Электрические колебания эфира идентифицировались со светом, и возникала проблема установить свойства этого эфира. Если, например, источник света движется по отношению к эфиру или наблюдатель движется по отношению к нему, то это движение можно обнаружить. Но эксперимент Майкельсона и Морли показал, что никакой эффект такого движения не обнаруживается. Этот эксперимент является одной из экспериментальных опор теории относительности, хотя представляется, что он не повлиял на работу Эйнштейна в 1905 г. Вероятно, что он не был известен ему в то время. В 1921 г. Д.С. Миллер (1886—1941), который тогда был молодым сотрудником Майкельсона, поставил аналогичный эксперимент на горе Маунт Вильсон в Калифорнии, где располагалась астрономическая обсерватория, и объявил, что он смог наблюдать малые влияния движения Земли на скорость света. Он теоретизировал, что на уровне моря эфир увлекается Землей, а на больших высотах малый эффект «эфирного ветра» может сказаться на распространении света. Эти результаты он опубликовал несколькими годами позже. В то время Эйнштейн посещал Принстон, и когда он услышал об этом, сказал знаменитую фразу: «Бог коварен, но Он не злонамерен».

Результат Миллера вызвал огромную радость у врагов теории относительности. Германские реакционные круги никогда не признавали факт поражения военной машины Кайзера в Первой мировой войне и объясняли его как результат «злобного заговора» евреев и социалистов. Эйнштейн был в их поле зрения. Его пацифистские и социалистские идеи были хорошо известны. Он отказался подписать декларацию немецких профессоров в поддержку вторжения в Бельгию и всегда призывал к заключению мира, даже тогда, когда казалась близкой победа Германии. Разумеется, результаты Миллера оказались ошибочными, что немедленно продемонстрировал Георг Йосс, который выполнил серию отличных экспериментов, подтверждающих предсказания Эйнштейна.

Эйнштейн и статистика фотонов

В 1924 г. у Эйнштейна снова начал интересоваться фотонами относительно статистических законов, которым они подчиняются. С. Бозе (1894—1974), в то время лектор по физике в университете Дакка в Восточной Бенгалии (Индия), представил в 1923 г. статью для публикации в престижный английский журнал Philosophical Magazine. В ней он давал новое доказательство формулы Планка. Через шесть месяцев редактор информировал его, что статья отвергается, и Бозе 4 июня 1924 г. послал рукопись Эйнштейну в Берлин с письмом, которое начиналось так:

«Уважаемый сэр,

Я осмеливаюсь представить вашему рассмотрению и вниманию статью. Я с волнением ожидаю, что вы думаете о ней... Я не знаю достаточно немецкий для перевода этой статьи и был бы признателен, если вы посодействуете для ее публикации в Zeitschriftfur Physik. Поскольку я совершенно неизвестен вам, я не настаиваю на просьбе. Но мы все ваши ученики, пользующиеся обучением у вас благодаря вашим научным сочинениям».

Следует сказать, что уже в 1919 г. Бозе вместе со своим соотечественником М. Т. Саха (1893—1956) опубликовал антологию работ Эйнштейна по теории относительности, первое из собраний на английском языке. Эйнштейн перевел статью и послал ее в июле 1924 г. в этот журнал, где она и была опубликована под именем Бозе. Эйнштейн добавил заметку следующего содержания:

«По моему мнению вывод Бозе формулы Планка имеет очень важное следствие. Использованный метод дает квантовую теорию идеального газа, которую я еще разработаю в деталях».

Затем он отправил открытку Бозе, отметив, что он рассматривает его работу как очень важный вклад. Работа Бозе была четвертым и последним шагом в истории старой теории квантов (тремя другими были: закон Планка в 1900 г., гипотеза световых квантов Эйнштейна в 1905 г. и теория Бора в 1913 г.). Доводы Бозе освобождали закон Планка от излишних элементов электромагнитной теории и давали вывод из общих сущностей. Он исследовал закон теплового равновесия частиц, а именно фотонов, и открыл, что эти частицы подчиняются новому статистическому закону.

В 1924 г. Бозе получил поддержку для проведения в течение двух лет исследований в Европе и в сентябре прибыл в Париж. Он почувствовал силу одобрения Эйнштейна, когда германское консульство в Калькутте выдало ему визу, не требуя формальной оплаты. По прибытии в Париж он встретился с Полем Ланжевеном (1872—1946), который предложил ему возможность работы в лаборатории мадам Кюри. Бозе с удовольствием и весело вспоминал встречу с ней. Мадам Кюри (Мария Кюри-Склодовская (1867—1934) все время говорила по-английски и не давала вставить ни одного слова. Она сказала, что один студент из Индии работал с ней и имел серьезные трудности, поскольку не говорил хорошо по-французски. После этого она предложила Бозе заняться языком в течение шести месяцев и только после этого прийти к ней. У Бозе даже не было шанса сообщить ей, что он учил французский в течение 15 лет!