Текст книги "Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени"

Автор книги: Митио Каку

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 13 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]

В 1900 г., когда Эйнштейн окончил Политехникум с дипломом по физике и математике, удача от него отвернулась. Считалось, что он получит место ассистента. Это было нормальной ситуацией, особенно с учетом того, что все экзамены он сдал и курс окончил с хорошими результатами. Но поскольку профессор Вебер отозвал свое предложение о работе, Эйнштейну, единственному с его курса, отказали в должности ассистента – по существу, демонстративно дали пощечину. Нахальный студент внезапно обнаружил себя в весьма непростых обстоятельствах, особенно с учетом того, что ручеек материальной помощи от состоятельной тетки в Генуе пересох в связи с окончанием университета.

Эйнштейн, не подозревавший о глубине и силе антипатии Вебера, сослался на него как на рекомендателя, не догадываясь о том, что это может окончательно подорвать его будущее. Постепенно он, хотя и неохотно, начал понимать, что эта ошибка, вероятно, положила конец его карьере еще до ее начала. Он горько жаловался: «Я давно бы нашел [работу], если бы Вебер не вел со мной нечестную игру. Но я все равно делаю все возможное и не теряю чувство юмора… Бог создал осла и дал ему толстую шкуру».

Примерно тогда же Эйнштейн попросил о швейцарском гражданстве, но получить его было невозможно, пока он не мог доказать, что имеет работу. Его мир рушился. В голову уже приходили мысли о том, что он мог бы, как бродяга, играть на скрипке на улицах.

Его отец, поняв отчаянное положение сына, написал профессору Вильгельму Оствальду в Лейпциг, умоляя взять сына ассистентом. (Оствальд даже не ответил на это письмо. По иронии судьбы через 10 лет именно Оствальд первым выдвинул Эйнштейна на Нобелевскую премию по физике.) В те времена Эйнштейн часто жаловался на то, каким несправедливым стал вдруг мир: «Просто потому, что у каждого из нас есть желудок, мы все обречены на участие в этой гонке». Он грустно писал: «Родным я в тягость, и никак иначе… Было бы наверняка лучше, если бы меня вообще не было».

В довершение всех прочих неприятностей предприятие его отца снова обанкротилось. Более того, отец Эйнштейна растратил все наследство жены и залез в долги к ее семье. Альберт остался без всякой финансовой поддержки, ему ничего не оставалось, кроме как искать место учителя, хотя бы самое скромное. В отчаянии он начал просматривать газеты в поисках любых намеков на хоть сколько-нибудь подходящую работу. В какой-то момент Эйнштейн почти отказался от надежды стать когда-нибудь физиком и всерьез задумался о работе в страховой компании.

В 1901 г. он устроился преподавателем математики в Винтертурскую техническую школу. В промежутках между изматывающими занятиями Альберт умудрился выкроить немного времени и написать свою первую статью «Следствия теории капиллярности», которая, как Эйнштейн понимал и сам, не потрясла основы мироздания. На следующий год он устроился на временную работу тьютором в школу-пансионат в Шафхаузене. Верный себе, Альберт не смог найти общий язык с авторитарным директором школы Якобом Нюшем и в конце концов был уволен. (Директор был так разъярен, что обвинил Эйнштейна в подстрекательстве к революции.)

Эйнштейн начинал думать, что всю оставшуюся жизнь ему придется влачить жалкое существование, наставляя нерадивых школьников и просматривая объявления в газетах. Его друг Фридрих Адлер вспоминал, что в то время Альберт жил практически впроголодь. Он потерпел полный крах. Тем не менее отказывался выпрашивать подачки у родных. И в это же время на Эйнштейна обрушились еще две проблемы. Милева во второй раз завалила выпускные экзамены в Политехникуме. Это означало, что ее карьера как физика, по существу, закончилась не начавшись. С такими удручающими результатами никто и никогда не принял бы ее на следующую ступень обучения. Испытав болезненное разочарование, она потеряла интерес к физике. Романтическим мечтам молодых людей о совместном исследовании Вселенной пришел конец. А затем, в ноябре 1901 г., когда Милева была уже дома, Альберт получил от нее письмо с известием о том, что она беременна!

Несмотря на полное отсутствие перспектив, Эйнштейн был счастлив узнать, что скоро станет отцом. Разлука с Милевой была мучительна, но они неистово, почти ежедневно, обменивались письмами. 4 февраля 1902 г. он узнал, что стал отцом девочки, которая родилась в доме родителей Милевы в Нови-Саде и получила имя Лизерль. Эйнштейн был в восторге и хотел знать о малышке все. Он даже умолял Милеву прислать ему фотографию или портрет девочки. Удивительно, но никто точно не знает, что произошло с этим ребенком. Последний раз она упоминается в письме за сентябрь 1903 г., где говорилось, что она больна скарлатиной. Историки считают, что девочка, скорее всего, умерла от этой болезни или, может быть, немного позже была отдана в приемную семью.

И тут, когда уже казалось, что удача окончательно отвернулась от Эйнштейна, он получил неожиданную весточку. Добрый друг Марсель Гроссман сумел выхлопотать для него место мелкого служащего в Бернском патентном бюро. Начав с этой скромной должности, Эйнштейну суждено было изменить мир. (Пытаясь поддержать гаснущие надежды на карьеру физика и профессорство когда-нибудь в будущем, он тогда же уговорил профессора Альфреда Кляйнера из Цюрихского университета стать его консультантом в работе над диссертацией.)

23 июня 1902 г. Эйнштейн начал работать в патентном бюро техническим экспертом третьего класса с весьма скромным жалованьем. Сегодня, задним числом, можно отметить, что в этой работе было по крайней мере три скрытых преимущества. Во-первых, он должен был находить базовые физические принципы, на которых основывалось то или иное изобретение. Днем он оттачивал свои и без того мощные навыки физика, учился отбрасывать все ненужные подробности и выделять в каждом патенте главное, а затем писать по этому поводу отчет. Его отчеты были настолько длинными и содержали такой подробный анализ, что он писал друзьям, что зарабатывает себе на жизнь, «писая чернилами». Во-вторых, во многих заявках речь шла об изобретении всевозможных электромеханических устройств, так что ему очень пригодился старый опыт созерцания внутреннего устройства и работы генераторов и электрических моторов, приобретенный на фабрике отца. И наконец, работа освободила его от тревог и посторонних мыслей и дала время для размышлений над глубокими проблемами света и движения. Часто ему удавалось быстро выполнить свои обязанности, и тогда в свободное время он вновь предавался мечтам, которые преследовали его в юности. В процессе работы, и особенно по ночам, он возвращался к любимой физике. Спокойная атмосфера патентного бюро подходила Эйнштейну, он называл его своим «светским монастырем».

Едва успев освоиться в патентном бюро, Эйнштейн внезапно узнал, что его отец умирает от сердечной болезни. В октябре ему пришлось срочно ехать в Милан. На смертном одре Герман наконец благословил Альберта на брак с Милевой. Смерть отца заставила молодого человека с новой силой почувствовать, как он подвел и разочаровал отца и семью. Это чувство останется с ним навсегда. Его секретарь Хелен Дукас писала: «Много лет спустя он все еще живо помнил то оглушительное ощущение потери. В самом деле, однажды он написал, что смерть отца стала для него самым большим потрясением, какой ему приходилось испытывать в жизни». Майя, в частности, горько замечала, что «печальная судьба не позволила [ее отцу] даже заподозрить, что через два года его сын заложит фундамент своего будущего величия и славы».

В январе 1903 г. Эйнштейн счел наконец свое положение достаточно надежным, чтобы жениться на Милеве. Через год у них родился сын Ганс. Для Эйнштейна началась скромная жизнь ничем не примечательного мелкого чиновника в Берне, мужа и отца. Его друг Давид Райхинштейн живо вспоминал встречу с Эйнштейном в этот период: «Дверь в квартиру была распахнута, чтобы только что вымытый пол и выстиранное белье, развешанное в коридоре, лучше сохли. Я вошел в комнату Эйнштейна. Одной рукой он стоически качал колыбель с ребенком. Во рту у него была плохая, очень плохая сигара, а в другой руке – раскрытая книга. Печь жутко дымила».

Пытаясь подработать, Эйнштейн разместил в местной газете объявление с предложением «частных уроков по математике и физике». Это первое известное упоминание Эйнштейна в какой бы то ни было газете. Первым на объявление откликнулся студент-философ Морис Соловин, румынский еврей. К своей радости, Эйнштейн очень быстро обнаружил, что Соловин – прекрасный собеседник для обсуждения многочисленных идей, имеющих отношение к пространству, времени и свету. Чтобы не дать себе замкнуться и отгородиться от основных физических течений, Эйнштейн придумал остроумный ход: собрать неформальную группу, которую сам он насмешливо называл «Олимпийской академией» для изучения и обсуждения крупнейших вопросов дня.

Задним числом можно сказать, что время, проведенное с этой «академической» группой, было, вероятно, самым счастливым в жизни Эйнштейна. Даже несколько десятилетий спустя воспоминания о ярких и дерзких идеях, которые они выдвигали, жадно поглощая все крупные научные работы того времени, вызывали на его глазах слезы. Их ожесточенные дебаты и споры до хрипоты наполняли кофейни и пивные старого Цюриха. Они готовы были поклясться, что слова Эпикура «Как прекрасна радостная бедность!» относятся непосредственно к ним.

В частности, они бились над противоречивой работой венского физика и философа Эрнста Маха, который был тогда своего рода оводом от науки и нападал на любого физика, говорившего о вещах, недоступных нашим ощущениям. Мах изложил свои теории в книге «Механика»[2]2
  Мах Э. Механика. Историко-критический очерк ее развития. – М.: КомКнига, 2015.


[Закрыть], которая приобрела большую популярность. Он поставил под сомнение концепцию атома, поскольку считал, что она выходит далеко за пределы сферы измерений. Но сильнее всего внимание Эйнштейна привлекла уничтожающая критика Маха в адрес эфира и абсолютного движения. По мнению Маха, внушительное строение ньютоновой механики зиждилось на песке, поскольку концепции абсолютного пространства и абсолютного времени неизмеримы и недоказуемы. Мах считал, что относительное движение может быть измерено, а абсолютное – нет. Никому и никогда не удавалось отыскать ту самую мистическую абсолютную шкалу, по которой можно определять движение планет и звезд; кроме того, никому и никогда не удавалось найти ни малейших экспериментальных доказательств существования эфира.

Одну серию экспериментов, указавших на фатальную слабость ньютоновой картины мира, провели в 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли, решившие измерить с максимально возможной точностью свойства пресловутого невидимого эфира. Они рассуждали так: Земля движется в море эфира, обдуваемая «эфирным ветром», поэтому скорость света, по идее, должна меняться в зависимости от направления движения Земли.

Представьте себе, к примеру, ситуацию, когда ветер попутный. Если вы движетесь в том же направлении, в каком дует ветер, то вы чувствуете, как ветер подталкивает вас сзади. С попутным ветром вы движетесь быстрее – ваша скорость возрастает на скорость ветра. Если вы движетесь навстречу ветру, ваше движение замедляется, скорость снижается на скорость ветра. Аналогично если вы движетесь поперек ветра, под прямым углом к нему, то вас сносит в сторону со скоростью ветра. Главное, что ваша скорость изменяется в зависимости от того, в каком направлении вы движетесь по отношению к ветру.

Майкельсон и Морли разработали хитроумный эксперимент: луч света расщеплялся на два отдельных луча, которые затем направлялись в разные стороны под прямым углом друг к другу. Зеркала отражали оба эти луча и направляли их обратно к источнику, где они вновь смешивались и интерферировали между собой. Весь аппарат был помещен на подушку из жидкой ртути и мог свободно вращаться; он был настолько чувствителен, что легко регистрировал движение проезжающих мимо конных экипажей.

Согласно теории эфира, два луча в описанной ситуации должны были бы двигаться с разными скоростями. Если один из них, к примеру, двигался в направлении, попутном движению Земли в эфирном океане, то другой – под прямым углом к эфирному ветру. Тогда после возвращения к источнику лучи должны были различаться по фазе[3]3
  И давать соответствующую интерференционную картинку. – Прим. пер.


[Закрыть].

Однако Майкельсон и Морли, к собственному изумлению, обнаружили, что скорость света оставалась идентичной во всех случаях, вне зависимости от того, в каком направлении они направляли интерферометр. Такой результат сильно их встревожил, поскольку означал, что никакого эфирного ветра не существует, а скорость света никогда не меняется.

Это поставило физиков перед выбором из двух равно неприятных вариантов. Один состоял в том, что Земля совершенно неподвижна относительно эфира. Этот вариант, казалось, нарушал все, что было известно из астрономии начиная с Коперника, который обнаружил, что Земля не занимает во Вселенной никакого особого положения. Второй вариант состоял в том, чтобы отказаться от теории эфира и ньютоновой механики вместе с ней.

Для спасения теории эфира были предприняты героические усилия. Ближе всего к решению этой головоломки подошли голландский физик Хендрик Лоренц и ирландский физик Джордж Фицджеральд. Они рассуждали так: Земля в своем движении в эфире физически сжимается эфирным ветром, так что все линейки и измерители в эксперименте Майкельсона – Морли также были сжаты. Эфир, уже и без того обладавший чуть ли не волшебными свойствами – невидимостью, несжимаемостью, необычайной плотностью и т. д., обрел еще одно: проходя сквозь атомы, он мог механически сжимать их. Это удобно объяснило бы отрицательный результат эксперимента. В такой картине скорость света менялась на самом деле, но измерить это было невозможно, потому что всякий раз, когда вы пытались воспользоваться для этого линейкой, под воздействием эфира менялась не только скорость света, но и длина линейки, причем в том же направлении и в точно такой же степени.

Лоренц и Фицджеральд независимо друг от друга вычислили степень сжатия, получив то, что сегодня называется «сокращением Лоренца – Фицджеральда». Ни тому, ни другому результат этот не особенно понравился; это была просто «заплатка», способ заделать дыру в ньютоновой механике, но сверх этого они ничего не могли сделать. Большинству физиков, надо отметить, сжатие Лоренца – Фицджеральда тоже не понравилось, поскольку имело отчетливый привкус ad hoc, то есть решением, специально подобранным для конкретного случая и призванным укрепить шатающийся бастион эфирной теории. Эйнштейну же идея эфира с его почти волшебными свойствами казалась искусственной и надуманной.

Когда-то Коперник разрушил геоцентрическую Солнечную систему Птолемея, которая требовала, чтобы движение планет представляло собой чрезвычайно сложную комбинацию круговых движений одновременно по малой – «эпициклу» и большой – «деференту» окружностям. Воспользовавшись бритвой Оккама, Коперник срезал верхушки эпициклов, нужных для латания дыр в системе Птолемея, и поместил Солнце в центр Солнечной системы.

Подобно Копернику, Эйнштейн применил бритву Оккама, чтобы срезать и удалить многочисленные претензии эфирной теории. Он воспользовался детским рисунком.

Глава 3
Специальная теория относительности и «год чудес»

Заинтригованный критикой Маха теории Ньютона, Эйнштейн вернулся к образу, который преследовал его с 16 лет, – к полету рядом со световым лучом. Он вспомнил забавный, но важный факт, который открыл для себя во время учебы в Политехникуме: в теории Максвелла скорость света оставалась неизменной и не зависела от того, как ее измеряли. Много лет он ломал голову над тем, как такое вообще может быть, поскольку в ньютоновом «мире здравого смысла» любой движущийся объект можно догнать.

Опять представьте себе полицейского в погоне за автомобилем-нарушителем. Полицейский знает, что если поедет достаточно быстро, то сможет его догнать. Всякий, кого хоть раз штрафовали за превышение скорости, это знает. Но, если мы заменим несущийся автомобиль световым лучом и поместим рядом наблюдателя, который будет видеть всю картину со стороны, тот увидит, что полицейский едет чуть позади светового луча и движется почти так же быстро, как свет. Мы уверены: полицейский знает, что едет практически вровень со световым лучом. Однако позже, встретившись с ним, мы слышим странный рассказ. Он утверждает, что не двигался почти рядом с лучом, как мы только что видели; световой луч, по его словам, унесся прочь и оставил его глотать пыль. Полицейский рассказывает, что, как бы он ни газовал и какую бы мощность ни выжимал из своего движка, луч удалялся от него и уносился прочь со все той же, совершенно одинаковой скоростью. Мало того, он клянется, что не мог даже чуть-чуть приблизиться к световому лучу. Как бы быстро он ни двигался, световой луч все равно уходил от него со скоростью света, как будто сам он стоял на месте, а не несся в полицейском автомобиле на громадной скорости.

Вы начинаете убеждать его в том, что видели, как он летел почти вровень со световым лучом и лишь чуть-чуть его не догнал; он говорит, что вы сошли с ума: ему не удалось даже приблизиться. Для Эйнштейна именно этот момент представлял главную, мучительную загадку: как так может быть, чтобы два человека видели одно и то же событие настолько по-разному? Если скорость света и правда представляет собой природную константу, то как может наблюдатель утверждать, что полицейский шел почти вровень с лучом света, а сам полицейский – клясться, что не сумел даже приблизиться к нему?

Эйнштейн давно понял, что картина по Ньютону (где скорости можно складывать и вычитать) и картина по Максвеллу (где скорость света постоянна) полностью противоречат одна другой. Теория Ньютона – самодостаточная система, основанная на нескольких допущениях. Если хотя бы одно из этих допущений нарушается, вся теория расползается, как может распуститься свитер от одной упущенной нити. Фантазии Эйнштейна о полете вместе с лучом света суждено было стать для ньютоновой теории именно такой упущенной нитью.

Однажды в мае 1905 г. Эйнштейн отправился к своему доброму другу Микеле Бессо, который тоже работал в патентном бюро, и изложил ему в общих чертах вопрос, мучивший его чуть ли не десять лет. Используя Бессо как любимого собеседника для проверки своих идей, Эйнштейн изложил суть дела: механика Ньютона и уравнения Максвелла – два столпа физики – несовместимы между собой. Неверно либо одно, либо другое. Какая бы теория ни оказалась верной, для окончательного разрешения вопроса потребуется полная реорганизация всей физики. Эйнштейн вновь и вновь разбирал парадокс погони за световым лучом. Позже он вспоминал: «В этом парадоксе уже присутствовал зародыш специальной теории относительности». Друзья проговорили несколько часов, подробно обсуждая каждый аспект проблемы, включая и ньютонову концепцию абсолютного пространства и времени, которая на первый взгляд противоречила неизменности скорости света по Максвеллу. В конце концов Эйнштейн, совершенно измотанный, объявил, что признает свое поражение и сдается и что больше не будет размышлять над этим вопросом. Все бесполезно; у него ничего не получилось.

Эйнштейн, конечно, был подавлен, но, когда он в тот вечер возвращался домой, мысли его по-прежнему вращались вокруг все того же вопроса. В частности, он запомнил, как ехал в автобусе по Берну и смотрел на знаменитую башню с часами, возвышающуюся над городом. Он представил себе, что произойдет, если вдруг автобус разгонится до скорости света и начнет уноситься прочь от башни. Тут он понял, что часы на башне показались бы ему остановившимися, поскольку свет от них не смог бы догнать автобус, но что его собственные часы в автобусе шли бы совершенно нормально.

Его внезапно осенило, появился ключ к решению всего парадокса. «В голове разразилась настоящая буря», – вспоминал Эйнштейн. Ответ оказался простым и элегантным: время в разных точках Вселенной может идти с разной скоростью в зависимости от того, как быстро вы движетесь. Представьте себе множество часов, разбросанных по всей Вселенной, причем каждые часы показывают свое время и идут с собственной скоростью. Секунда на Земле отличается по длительности от секунды на Луне или на Юпитере. Более того, чем быстрее вы движетесь, тем сильнее замедляется время. (Эйнштейн однажды пошутил, что, размышляя над теорией относительности, он поместил отдельные часы в разные точки Вселенной и все они шли с разной скоростью, а в реальной жизни у него не было денег даже на одни часы.) Это означало, что события, происходящие в одной системе отсчета, не обязательно происходили одновременно и в другой, как считал Ньютон. Наконец-то он сумел проникнуть «в мысли Бога». Позже он вспоминал с неизменным возбуждением: «Решение пришло ко мне внезапно с мыслью о том, что наши концепции и законы пространства и времени могут претендовать на верность в той мере, в какой они состоят в ясных отношениях с нашим опытом… Пересмотрев концепцию одновременности и преобразовав ее в более гибкую форму, я добрался таким образом до теории относительности».

Вспомните, как в парадоксе с полицией и нарушителем полицейский для внешнего наблюдателя двигался вплотную за удирающим световым лучом, тогда как преследователь утверждал, что, как бы он ни разгонялся, луч уносился от него в точности со скоростью света. Единственный способ примирить эти две картины – заставить мозг полицейского замедлить работу. Время для полицейского замедляется. Если бы мы с обочины могли видеть, что показывают часы на руке полицейского, то увидели бы, что они почти остановились и что лицо его тоже застыло во времени. Таким образом, с нашей точки зрения было бы видно, что он несется «голова к голове» с лучом света, но его часы (и его мозг) почти остановились. Позже, поговорив с полицейским, мы выяснили, что, с его точки зрения, луч света стремительно уносился прочь только потому, что его мозг и часы работали во время погони намного медленнее.

Для завершения своей теории Эйнштейн включил в нее и сокращение Лоренца – Фицджеральда, но сжимались при этом само пространство, а не атомы, как думали Лоренц и Фицджеральд. (Суммарный эффект сжатия пространства и растяжения времени в настоящее время называется «преобразованием Лоренца».) Таким образом ему удалось окончательно разделаться с эфирной теорией. Подводя итоги своего пути к теории относительности, Эйнштейн напишет: «Максвеллу я обязан больше, чем кому-либо другому». Хотя Эйнштейн, вероятно, слышал что-то об эксперименте Майкельсона – Морли, озарение по поводу теории относительности пришло не со стороны эфирного ветра, а непосредственно от уравнений Максвелла[4]4
  Многие биографы указывают на эксперимент Майкельсона – Морли как на источник идей Эйнштейна. Однако сам Эйнштейн несколько раз ясно давал понять, что этот эксперимент оказал на его мысли лишь небольшое влияние. Он пришел к теории относительности через уравнения Максвелла. Весь посыл статьи состоял в том, чтобы показать, что в уравнениях Максвелла присутствует скрытая симметрия, которую выявляет его теория относительности, и что это следует возвести в универсальные принципы физики. – Прим. авт.


[Закрыть].

На следующий день после откровения Эйнштейн вновь отправился к Бессо домой и, даже не поздоровавшись, выпалил: «Спасибо, я полностью решил ту задачку». Позже он с гордостью вспоминал: «Моим решением был анализ концепции времени. Время не может быть определено абсолютно, и существует неразрывная связь между временем и скоростью сигнала». Следующие шесть недель он яростно прорабатывал все математические детали своего блестящего озарения и писал статью, которая, несомненно, представляет собой одну из важнейших научных работ в истории человечества. По словам сына, после этого Эйнштейн отдал работу Милеве для проверки и поиска всевозможных математических неточностей – и свалился на две недели больным. Окончательный вариант статьи «К электродинамике движущихся тел»[5]5
  Эту и другие упоминаемые автором ранние статьи Эйнштейна можно найти в книге: Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. Том 1. – М.: Наука, 1965. – Прим. ред.


[Закрыть] представлял собой тридцать одну страницу не слишком разборчивого текста, но этим страницам суждено было изменить мировую историю.

В статье Эйнштейн не ссылается ни на какого из физиков; он только благодарит Микеле Бессо. (Эйнштейн был знаком с ранней работой Лоренца по этому предмету, но ничего не знал непосредственно о сокращении Лоренца, к которому пришел независимо от него.) В конце концов статья была опубликована в 17-м томе «Анналов физики» в сентябре 1905 г. Более того, в том знаменитом томе (то есть в комплекте выпусков журнала за год) были опубликованы одна за другой три выдающихся статьи Эйнштейна. Его коллега Макс Борн писал, что том 17 представляет собой «один из самых замечательных томов среди всей научной литературы. Он содержит три статьи Эйнштейна, каждая из которых посвящена отдельному вопросу и признана сегодня шедевром». (Несколько экземпляров этого знаменитого тома в 1994 г. были проданы с аукциона за $15 000.)

С захватывающим дух размахом Эйнштейн начал свою статью с заявления о том, что его теории не только описывают свойства света, но раскрывают истины о самой Вселенной. Замечательно, что он сделал все выводы из двух простых постулатов, относящихся к инерциальным системам отсчета (то есть к объектам, движущимся с постоянной скоростью относительно друг друга):

1. Законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

2. Скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета.

Эти два обманчиво простых принципа знаменуют глубочайшее проникновение в природу Вселенной со времен Ньютона. Из них можно вывести совершенно новую картину пространства и времени.

Одним мастерским ударом Эйнштейн элегантно доказал, что если скорость света действительно является физической константой, то самым общим решением является преобразование Лоренца. Затем он показал, что уравнения Максвелла в самом деле удовлетворяют этому принципу и, наконец, что скорости складываются довольно необычным образом. Хотя Ньютон, наблюдая за движением парусных судов, сделал вывод о том, что скорости можно складывать без ограничений, Эйнштейн заключил, что скорость света – это максимально возможная во Вселенной скорость. Представьте на мгновение, что вы находитесь в ракете, несущейся прочь от Земли со скоростью, равной 90 % скорости света. А теперь выстрелите внутри ракеты пулей, скорость которой тоже составляет 90 % скорости света. Согласно физике Ньютона, пуля должна лететь относительно Земли со скоростью, равной 180 % скорости света, то есть намного обгонять свет. Но Эйнштейн показал, что, поскольку длины всех объектов в ракете уменьшаются, а время замедляется, сумма этих скоростей для внешнего наблюдателя на самом деле будет близка к 99 % скорости света. Более того, Эйнштейн сумел показать, что, как бы вы ни старались, вам никогда и ни при каких обстоятельствах не удастся разогнаться до скорости, превышающей скорость света. Скорость света – абсолютный предел скорости во Вселенной.

Мы никогда не видели этих странных искажений в собственной жизни, потому что мы не умеем передвигаться со скоростями, близкими к скорости света. Для привычных нам скоростей законы Ньютона прекрасно работают. В этом и состоит главная причина того, что первую поправку к законам Ньютона нашли только через пару сотен лет. Но представьте, как обернулось бы дело, если бы скорость света равнялась всего лишь 30 км/ч. Тогда машина, ехавшая по улице, казалась бы сплюснутой в направлении движения; она была бы сжата, как меха аккордеона, и была бы в длину, возможно, всего пару сантиметров, хотя по высоте оставалась бы прежней. Поскольку пассажиры при этом были бы сплюснуты вместе с машиной до толщины в пару сантиметров, можно было бы ожидать, что они будут вопить и визжать, чувствуя, как дробятся кости. На самом же деле пассажиры при этом не замечают ничего необычного, поскольку все внутри автомобиля, включая и атомы в человеческих телах, тоже сжимается в этой плоскости.

При торможении и остановке автомобиля он медленно расширился бы обратно от пары сантиметров до нескольких метров, и пассажиры вышли бы наружу как ни в чем ни бывало. Кто на самом деле был сжат? Вы или автомобиль? Согласно теории относительности, определить это невозможно, потому что концепция длины не имеет абсолютного смысла.

Задним числом понятно, что другие ученые подходили к открытию теории относительности невероятно близко. Лоренц и Фицджеральд получили ту же формулу, но совершенно неверно интерпретировали результат; они решили, что происходит электромеханическая деформация атомов, а не тонкое изменение самого пространства и времени. Анри Пуанкаре, признанный величайшим французским математиком своего времени, тоже приблизился к открытию. Он понял, что скорость света должна быть константой во всех инерциальных системах, и даже показал, что уравнения Максвелла сохраняют форму при преобразовании Лоренца. Однако он тоже не смог отказаться от ньютоновского подхода, от эфира, и считал, что все эти искажения связаны исключительно с электричеством и магнетизмом.

Эйнштейн же пошел дальше и совершил следующий судьбоносный прыжок. В конце 1905 г. он написал небольшую, почти тезисную статью, которой суждено было изменить мировую историю. Если линейки и показания часов искажаются тем сильнее, чем быстрее вы движетесь, то все, что можно измерить при помощи линейки и часов, тоже должно искажаться, включая вещество и энергию. Более того, вещество и энергия могут превращаться друг в друга. Эйнштейн сумел показать, что масса объекта увеличивается тем сильнее, чем быстрее он движется. (Мало того, его масса станет бесконечной, если он разгонится до скорости света – что невозможно и доказывает недостижимость скорости света.) Это означает, что энергия движения каким-то образом трансформируется в увеличение массы объекта[6]6
  При последующем развитии физики эта концепция парадоксальным образом изменилась. Оказалось, что удобнее и корректнее говорить именно об энергии релятивистского тела, сохраняя массу неизменной – инвариантной. – Прим. пер.


[Закрыть]. Таким образом, вещество и энергия взаимозаменяемы. Если расписать математически, сколько энергии переходит в массу, то в несколько простых строк можно получить, что E = mc2. Это самое знаменитое уравнение в истории. Поскольку скорость света – фантастически большое число, а его квадрат еще больше, получается, что даже из крохотного количества вещества может высвободиться громадное количество энергии. Так, в нескольких чайных ложечках вещества содержится энергия нескольких водородных бомб. А объема вещества размером с дом может оказаться достаточно, чтобы расколоть Землю пополам.

Формула Эйнштейна была не просто академическим упражнением. Он считал, что с ее помощью можно объяснить занятный факт, обнаруженный Марией Кюри: то, что всего 28 г радия излучают 4000 калории в час в течение неопределенно долгого времени, нарушая, казалось бы, первый закон термодинамики, который гласит, что полное количество энергии всегда постоянно, то есть сохраняется. Эйнштейн заключил, что масса радия по мере излучения энергии должна чуть-чуть уменьшаться (настолько чуть-чуть, что измерить это уменьшение средствами 1905 г. было невозможно). «Это удивительная и соблазнительная мысль; но не смеется ли над ней Всевышний и не мистифицирует ли меня – этого я не могу знать», – писал он. В конце следовал вывод о том, что непосредственная проверка его гипотезы «пока, вероятно, лежит за пределами возможного».