Марио Бертолотти - История лазера

В течение последнего семестра, в результате лекций Германа Минковского по капиллярности, Эйнштейн включился в работу по этой проблеме. Капиллярность является специальной формой энергии, связанной с формой и положением поверхности жидкости. Например, она может определять уровень жидкости в тонкой трубке (капилляре). В XIX в. многие ученые, среди которых были Томас Юнг, П.С. Лаплас (1749-1827), К.Ф. Гаусс (1777-1855), Дж. К. Максвелл, Д.Д. ван дер Ваальс (1837-1923) (нобелевский лауреат по физике 1910 г. «за свою работу по уравнению состояния газов и жидкостей») и А. Пуанкаре, занимались этой проблемой. Лаплас считал, что причина капиллярности в существовании сил сцепления молекул жидкости. Как следствие, можно получить из экспериментального изучения капиллярности жидкости информацию об этих внутримолекулярных сил. Эта возможность интересовала Эйнштейна в его первом исследовании в 1901 г. и, как мы увидим, продолжала интересовать его и позднее.

После окончания Политехникума и получения степени в 1900 г. Эйнштейну не удалось получить место в Политехникуме, где он не собирался заниматься интересующими его темами, и где его не любили его учителя. После безуспешных попыток найти работу он с помощью своего друга Марселя Гроссманна устроился в Патентное бюро в Берне. Там он чувствовал себя вполне удовлетворенным, серьезно относился к работе и даже находил ее интересной. Более того, он располагал временем и возможностью заниматься своей собственной физикой. Итак, он стал писать работы по физике, посылая их в журнал Annalen der Physik, редакция которого располагалась в Вене. Среди них, он опубликовал в 1903—1904 гг. работы по основам статистической механике, но он не знал, что Гиббс уже опередил его. Эйнштейн приготовил докторскую диссертацию и в 1905 г. успешно защитил ее и сдал экзамены. Он продолжал свои исследования в теоретической физике и в том же году написал работу по световым квантам, которая принесла ему Нобелевскую премию, первую работу по теории относительности, написал диссертацию, посвященную «моему другу Марселю Гассманну», в которой он описал новый теоретический метод определения радиусов молекул и число молекул, которые могут занимать данный объем (число Авагадро), и, наконец, представил результаты исследования движения взвешенных частиц в жидкости (броуновское движение). Это последнее исследование можно рассматривать как побочный продукт его диссертации и которое было опубликовано в том же журнале в 1906 г.

В отличие от результатов фундаментального характера, изложенных в его диссертации, она вызвала необычный интерес. Это объяснялось большими практическими выводами, следующими из нее, по сравнению с другими работами Эйнштейна. Из свойств частиц в суспензии следовали выводы, применимые к движению частиц песка в бетонных смесях (важность для строительной индустрии), мицеллы казеина в молоке (важность для пищевой индустрии), аэрозоли в облаках (важность для экологии) и т.д.

Эйнштейн оставался на своей должности в Берне до конца 1909 г., когда он в первый раз получил академическую позицию доцента в университете Цюриха. В то время его научный авторитет уже был достаточно высок. Кроме результатов по квантам света, броуновского движения и теории относительности, Эйнштейн, двумя годами позже, опубликовал первую квантовую теорию удельной теплопроводности твердых тел. Теория тепла, основанная на рассмотрении энергии движения, либо сталкивающихся частиц газа, либо внутренних колебаний твердых тел, имела большой успех, к началу XIX в. встретила серьезные трудности. Статистическая механика позволяет рассчитать количество тепла, которое нужно сообщить телу для увеличения его температуры на один градус (т.н. удельная теплоемкость). В случае твердых тел ожидалось теоретически, что эта величина примерно одинаковая для всех тел и не зависит от температуры. Эксперимент противоречил этому заключению, демонстрируя, что теплоемкость растет при увеличении температуры, достигая значения, предсказываемого статистической механикой, лишь при высоких температурах (закон Дюлонга— Пти). В 1907 г. Эйнштейн пришел к заключению, что если серьезно принять идею Планка, ее следует считать справедливой для всех видов колебаний и, применив эту концепцию к колебаниям атомов, он вывел правильную зависимость удельной теплоемкости от температуры. В том же 1907 г. Иоганн Штарк (1874— 1957), главный редактор Jahrbuch der Radiaktivitat und Elektronik, попросил Эйнштейна написать обзор по теории относительности. При работе над этой важной статьей, Эйнштейн вспомнил, что когда он сидел в Патентном бюро, он размышлял: «Если человек свободно падает, он не ощущает своего веса». Так, для наблюдателя, падающего с крыши дома, не существует гравитационного поля, по крайней мере, в ближайшем окружении. Действительно, если этот наблюдатель роняет какое-нибудь тело, оно остается относительно его в состоянии покоя или равномерного движения, независимо от его природы. Поэтому наблюдатель имеет право рассматривать свое состояние как «состояние покоя». Благодаря таким интуитивным соображениям частный экспериментальный закон, что в гравитационном поле все тела падают с одним и тем же ускорением (найденном еще Галилеем), сразу же приобретает глубокий физический смысл. Наблюдатель не имеет никаких средств, которые позволили бы ему установить, что он свободно падает в гравитационном поле. На основе таких размышлений Эйнштейн выдвинул теорию гравитации. Он пришел к заключению, что удовлетворительная теория гравитации должна включать фундаментально и естественным образом эквивалентность между инерционной и гравитационной массами и тот факт, уже установленный Галилеем, что все тела падают с одним и тем же ускорением. Гравитация и инерция по существу одно и то же, решил Эйнштейн, и поэтому удовлетворительная теория гравитации требует обобщения структуры пространство-время его теории относительности, поскольку, если гравитация принимается во внимание, концепция конечной и строго инерциально покоящейся системы координат уже неадекватна.