Время, в которое происходит какое-либо событие, так же как и длина предмета, зависят от инерциальной системы отсчета, в которой они измеряются. В свете теории относительности эти эффекты выражаются следующими уравнениями:

Δt = γΔt0; L = L0/γ

где Δt0 и L0 означают измеряемые время и длину в движущейся системе отсчета, а Δt и L показатели, измеряемые в неподвижной системе. Член уравнений у, называемый «фактором Лоренца», выражается так:

γ = 1/(√(1-(v/c)2)

В обычной жизни скорость предметов (V) слишком мала по отношению к скорости света (с). В этой ситуации фактор Лоренца практически равен 1. Таким образом, нет никакой разницы между длиной или временным интервалом, измеряемыми разными наблюдателями. Принципиально иная ситуация наблюдается в субатомном мире, где скорости сопоставимы со скоростью света. Фактор у там значительно больше 1, что влечет за собой растяжение времени (Δt > Δt0 и сокращение длины (L < L0). Данные эффекты хорошо заметны в случае мюонов. Эти элементарные частицы образуются, когда космические лучи (лучи из внешнего пространства) проникают в земную атмосферу. Как показано на схеме, мюоны появляются приблизительно на высоте 15 км от поверхности Земли. В среднем они распадаются за 2·10-6 секунд, если измерять время в их собственной системе. В механике Ньютона мюон, перемещаясь со скоростью, близкой к скорости света, мог пройти расстояние в 600-700 м до своего распада и, следовательно, никогда не мог достигнуть земной поверхности. Однако значительное количество мюонов достигало земли. Как такое возможно? Теория относительности объясняет данное явление. В инерциальной системе Земли средняя жизнь мюонов приблизительно в 20 раз дольше, чем в их собственной системе. Это означает, что мюон может преодолеть расстояние в 15 км (измеряемых в земной системе), совпадающее с толщиной атмосферы, через которую он должен пройти до своего распада на земной поверхности. Теория относительности предлагает похожее объяснение сокращения длины. В системе мюона в состоянии покоя толщина атмосферы значительно меньше, она уменьшается до 600-700 м (то самое расстояние, которое мюон проходит за свою среднюю жизнь, измеряемую в его собственной системе).

ПЕРВЫЕ ШАГИ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ

Второй революцией в области физики, имевшей еще более серьезные последствия, нежели теория относительности, стало рождение квантового мира. Квантовая теория позволила объяснить поведение субатомного мира. Применение законов механики и электромагнетизма к таким системам было невозможно, все расчеты полностью опровергались результатами опытов.

ТРИ ПОРАЗИТЕЛЬНЫХ ОТКРЫТИЯ

В конце XIX века произошли три поразительных и неожиданных открытия; пришлось ждать многие годы, прежде чем удалось понять и объяснить их благодаря рождению и развитию квантовой теории. Эти открытия ознаменовали начало новой эры в физике, называемой с тех пор «современной физикой». Первым из них стало открытие в 1895 году икс-излучения немецким ученым Вильгельмом Рентгеном (1845-1923), которое было способно проходить сквозь предметы и позволяло получать изображение костей. Открытие вызвало большой энтузиазм, и Х-лучи стали использовать, не поняв их природы. В следующем 1896 году французский физик Анри Беккерель (1852-1908) случайно открыл новый тип излучения — радиоактивное излучение, понимание которого требовало глубоких знаний о внутренней структуре вещества. Наконец, в 1898 году британец Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл электроны, носители электрического заряда и главные составляющие вещества. Три данных открытия, вместе с многолетними исследованиями Макса Планка (1858-1947) излучения черного тела, стали почвой, на которой взросла несколькими годами позже новая революционная квантовая теория.

Первая рентгенограмма, сделанная Рентгеном. Снимок руки его жены.

Годом рождения квантовой теории принято считать 1900 год: именно тогда Макс Планк опубликовал статью об излучении абсолютно черного тела. Классическая теория излучения не позволяла объяснить результаты экспериментов при высоких частотах. Планк смог дать приемлемое объяснение результатам опытов с помощью следующей гипотезы:

«Излучение испускается или поглощается целыми кратными числами некоторого ограниченного количества энергии — квантами».

Его объяснение, которое с трудом допускал и сам Планк, означало новый взгляд по сравнению с предшествующими теориями. Впервые допускалось, что излучение (или, другими словами, энергия) может просто периодически выпускаться или поглощаться. Несколько лет спустя, в 1905 году, Эйнштейн распространил гипотезу Планка на все виды энергии и все процессы вообще и смог объяснить фотоэлектрический эффект. Именно поэтому мы можем наблюдать высвобождение электронов, когда воздействуем излучением на определенные вещества. Это испускание (или отсутствие) зависит, однако, не от интенсивности применяемого излучения, как в классической теории, но от его частоты. Согласно гипотезе Эйнштейна свет состоит из частиц определенной энергии, называемых «фотонами» (кванты Планка). Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 году за свои работы в этой области.

Несмотря на простое объяснение Эйнштейна, его гипотеза означала возврат к корпускулярной теории света. Казалось, это противоречит волновой теории, которая была широко распространена. Как объяснить интерференцию света с помощью корпускулярной теории? В то время в данном вопросе царила путаница, и в этом смысле понятно утверждение американского физика Роберта Э. Милликена (1868-1953) по поводу объяснения Эйнштейном фотоэлектрического эффекта:

«Я посвятил десять лет своей жизни проверке теории Эйнштейна. Вопреки моим ожиданиям, в 1915 году я вынужден был однозначно признать ее справедливость, хотя казалось, что она противоречит всем известным свойствам интерференции света».

Открытие электрона Томсоном в 1898 году сразу же вызвало следующий вопрос: из чего состоят атомы? Их нейтральность вынуждала предположить существование внутри каждого атома равного числа положительных частиц и электронов (с отрицательным зарядом), которые уравновешиваются. На вопрос о структуре атома смог ответить Эрнест Резерфорд (1871-1937) благодаря своим знаменитым опытам по рассеянию альфа-частиц, осуществленным в 1911-1912 годах. Эти опыты были основаны на радиоактивности, открытой Беккерелем.

Анализ результатов экспериментов приводил к очевидному, но поразительному выводу: практически вся масса атомов сосредоточена в центре, и размер этого пространства в 105 раз меньше размера самого атома. Так родилось понятие атомного ядра, содержащего все положительные заряды (протоны), уравновешивающие отрицательный заряд электронов. Сами же электроны находятся на орбите вокруг атомного ядра. Однако такая «планетарная» модель представляла одну важную проблему: она не позволяла объяснить стабильность атомов. Каждая заряженная частица в круговом движении испускает энергию. Следовательно, электроны на орбите должны были бы постепенно приближаться к ядру и в итоге исчезать. Но в природе этого не происходило.