Текст книги "Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания"

Автор книги: Пол Хэлперн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 26 страниц)

Атомы в движении

Вена конца 1890-х годов была местом ожесточенных споров в фундаментальной науке. Пока Шрёдингер получал образование, сначала на дому, а с 1898 года в престижной Академической гимназии, два человека, которые впоследствии помогли оформиться его научным интересам, Людвиг Больцман и Эрнст Мах, горячо спорили о реальности атомов.

Когда Больцмана назначили на должность профессора теоретической физики Венского университета в 1894 году, он уже был известен как один из основателей статистической механики (тогда ее называли кинетической теорией). Статистическая механика – это раздел физики, изучающий взаимосвязь поведения микроскопических частиц и изменения таких макроскопических термодинамических величин, как температура, объем, давление. Чтобы применить такой подход, пришлось допустить, что все газы состоят из огромного количества чрезвычайно малых частиц – атомов и молекул.

Достижения Больцмана сделали термодинамику актуальной темой для исследований, и множество молодых ученых устремились в Вену, чтобы поработать с ним. Физики Лиза Мейтнер, Филипп Франк, Пауль Эренфест писали свои диссертации под его руководством и впоследствии сделали успешную карьеру. Шрёдингер восхищался Больцманом и надеялся поработать с этим великим ученым.

Несмотря на успехи Больцмана, спокойствие его было нарушено появлением Маха, который в 1895 году стал профессором философии Венского университета. Указывая на необходимость проведения большего числа экспериментов, он категорически выступал против атомизма и теории Больцмана. Мах настаивал, что в основе термодинамики должно быть то, что можно воспринять и непосредственно измерить, к примеру тепловой поток. Это была позиция позитивизма – философского направления, отрицающего абстрактное знание и призывающего подтверждать любое утверждение экспериментальными доказательствами. Сравнивая веру в атомы с религиозной верой. Мах полагал, что его подход отличается большей научностью и опирается на эмпирические данные, полученные от органов чувств.

«Если вера в существование атомов имеет столь большое значение, – писал он, – то я отрекаюсь от физического образа мышления, я не желаю быть настоящим физиком, я отрекаюсь от признания научным сообществом. Словом, я с благодарностью отказываюсь от причисления меня к верующим. Я предпочитаю свободу мышления»^{15}.

Мах направлял свои язвительные комментарии не только в адрес Больцмана. Даже самые почитаемые физики подвергались его нападкам, если их точка зрения противоречила принципу прямого чувственного восприятия. Мах дерзко раскритиковал одно из основных понятий ньютоновской механики, понятие инерциальной системы отсчета – такой системы, которая покоится или движется прямолинейно и с постоянной скоростью, поскольку ее движение необходимо соотносить с «универсальным вместилищем», называемым «абсолютным пространством». К этому времени Ньютон, особенно в Великобритании, практически приобрел статус святого. Однако само понятие инерции основывалось на чем-то абстрактном – а такую науку Мах не признавал.

Претензия Маха к ньютоновскому определению инерции основывалась на мысленном эксперименте с вращающимся ведром, который Ньютон придумал, чтобы продемонстрировать необходимость абсолютного пространства. Эксперимент заключался в следующем. Представьте себе ведро, наполненное водой не до самых краев и подвешенное к дереву на веревке. Далее вращайте ведро вокруг его оси, пока веревка совсем не закрутится. Одерживайте ведро в таком положении, пока вода не придет в состояние покоя, а затем отпустите его. Оно начнет раскручиваться. Загляните внутрь ведра: вода внутри ведра тоже движется, формируя воронку, а ее поверхность становится сильно вогнутой. Это происходит из-за того, что инерция вынуждает воду вырываться наружу. А так как боковая стенка ведра не позволяет ей вытечь, то внешняя граница воды поднимается. Если смотреть только внутрь самого ведра, игнорируя все, что его окружает, то возникает вопрос, почему вода приняла вогнутую форму. Относительно ведра вода находится в состоянии покоя. Лишь относительно внешнего мира, который Ньютон и назвал абсолютным пространством, вращение воды имеет смысл. Ньютон заключил, что именно вращение воды относительно абсолютного пространства изменяет ее поверхность.

Мах не соглашался с этим, утверждая, что экспериментально доказать существование абсолютного пространства невозможно. Более вероятно, полагал он, что такое поведение воды объясняется каким-либо неучтенным фактором, например совокупным влиянием далеких небесных тел. Так же как вращение Луны вызывает на Земле приливы, совместное притяжение звезд может каким-то образом порождать инерцию. Позже Эйнштейн назвал эту идею «принципом Маха». Этот принцип вдохновил Эйнштейна на создание теории относительности.

Критика Махом Ньютона вдохновила Эйнштейна и других физиков на переосмысление классической механики и подтолкнула к поиску альтернатив. Убеждение Маха в том, что наука должна предоставлять осязаемые доказательства и избавляться от скрытых механизмов, повлияло на Шрёдингера, который с большим интересом читал его работы. Однако его неприятие больцмановских идей атомизма приняло личный оборот. Подверженный резким сменам настроения и стремительно терявший здоровье, в сентябре 1906 года Больцман покончил с собой, находясь на отдыхе с семьей в Триесте.

Студенческие годы

Волею судеб самоубийство Больцмана произошло всего за несколько месяцев до того, как Шрёдингер поступил в Венский университет зимой 1906–1907 годов. Шрёдингер окончил Академическую гимназию с отличными отметками по математике и физике – своим любимым предметам. Первый ученик класса, он мог выбрать любую специальность, но его страстью были уравнения, описывающие окружающий мир. Он хотел изучать теоретическую физику в университете, и Больцман мог бы стать для него прекрасным наставником. Увы, учебу Шрёдингер начал в мрачное время, когда над физической программой сгущались тучи.

Шрёдингер вспоминал: «Старый Венский институт, только оплакавший трагическую смерть Людвига Больцмана… дал мне возможность проникнуть в суть идей этого великого ума. Мир его идей можно назвать моей первой научной любовью. Ни до, ни после него не было человека, настолько меня вдохновлявшего»^{16}.

Шрёдингера воодушевляла смелость, с которой Больцман брался за решение фундаментальных вопросов. Он не побоялся применить атомистические идеи к формулировке принципов, регулирующих тепловое поведение Вселенной в целом. Вдохновленный его примером, амбициозный Шрёдингер попытается создать общую теорию, объединяющую все силы природы.

После Больцмана место заведующего кафедрой теоретической физики занял один из его бывших студентов, прекрасный теоретик Фридрих (Фриц) Хазенёрль. Он получил известность, занимаясь изучением электромагнитного излучения движущихся объектов и обнаружив взаимосвязь энергии и массы (хотя и с ошибкой в расчетах) еще до появления знаменитого уравнения Эйнштейна^{17}. К студентам он относился дружелюбно и приветливо. Хотя Шрёдингеру и не довелось изучать термодинамику и статистическую механику под началом Больцмана, ему посчастливилось исследовать эти и другие области физики, например оптику, под руководством его высококвалифицированного преемника. Все свидетельства указывают на то, что Хазенёрль был прекрасным учителем. Окрыленный преподаванием Хазенёрля и достижениями Больцмана, Шрёдингер надеялся сделать себе имя на открытиях в области теоретической физики.

Шрёдингер быстро зарекомендовал себя как выдающийся студент. Ганс Тирринг, изучавший физику вместе с ним и ставший его другом на всю жизнь, вспоминал, как, сидя на семинаре по математике, он увидел светловолосого юношу, входящего в аудиторию, и услышал, как другой студент, старый школьный друг последнего, воскликнул в восхищении: «О, это же Шрёдингер!»^{18}

Несмотря на теоретический интерес, главный упор в исследовательской университетской работе Шрёдингер делал на экспериментальную часть под руководством Франца Экснера. Докторскую диссертацию Шрёдингер также писал под его началом. Экснер интересовался многочисленными электрическими эффектами, включая феномен атмосферного электричества и электрохимические реакции Он также исследовал свет, цвет и явление радиоактивности Докторская диссертация Шрёдингера называлась «Влияние влажности воздуха на электрические свойства изоляционных материалов». Она носила практический характер, в ней исследовалась электрическая проводимость поверхности изоляторов в сыром воздухе. Будущий теоретик начал свою карьеру с экспериментальной работы в маленькой лаборатории. Он прикреплял электроды к образцам янтаря, парафина и других изоляционных материалов и измерял проходящий по ним ток. Он защитил диссертацию в 1910 году ив 1914 году прошел так называемую процедуру хабилитации (получение высшей академической степени в австрийской системе образования, которая дает право на преподавание), основанную на теоретическом исследовании, касающемся поведения атомов и магнитных полей

Только спустя много лет Эйнштейн и Шрёдингер займутся исследованием проблемы объединения гравитации и электромагнетизма. И все же написанное Махом, который уже был слаб здоровьем, в 1910 году письмо, попавшее в конечном счете в руки Шрёдингера, предвосхитило эти исследования. Несмотря на то что Мах вышел на пенсию, он все еще активно трудился над разрешением вопросов устройства природы. Он стал задумываться о сходстве законов обратных квадратов в гравитации и электростатике, рассуждал о возможности объединения этих законов и спрашивал в письме, кто в университете мог бы дать ему ответы на эти вопросы. В частности, Маху был нужен знающий человек, который смог бы оценить спорные работы немецкого физика Пауля Гербера. Запрос Маха был передан Шрёдингеру, которому работа Гербера показалась довольно сложной и непоследовательной. Тем не менее косвенное знакомство Шрёдингера с одним из его кумиров стало предвестником его собственной теоретической работы. Более того, тот факт, что Шрёдингера попросили ответить Маху, показывал, как высоко его ценили в университете. Шрёдингеру еще не было и тридцати, а он уже заслужил себе хорошую репутацию.

В погоне за светом

Несмотря на то что Шрёдингеру так и не удалось посотрудничать с Больцманом, он изучал его работы и осознавал их важность и масштабность. Шрёдингер, несомненно, был блестящим студентом. Студенческая жизнь Эйнштейна, напротив, принесла ему разочарование: он был лишен возможности изучать действительно интересные ему глубокие теоретические вопросы. Поэтому Эйнштейн не относился ко многим учебным предметам, в особенности к математике, с должной серьезностью, так как не считал их значимыми для своих научных устремлений. Но личные связи, которые он завел в университете, оказались кардинально важными для его интеллектуального развития.

В отличие от Шрёдингера путь Эйнштейна от школы к университету и от университета к академической карьере был более извилистым. В 1893 году его отец не смог продлить контракт на электрификацию Мюнхена, а в следующем году он ликвидировал компанию и в поисках работы переехал со всей семьей в Милан. Эйнштейн, еще не завершивший свое обучение в Луитпольдовской гимназии, вынужден был остаться в Мюнхене один. Спустя несколько месяцев Эйнштейн решил, что настало время и ему покинуть Германию. Его заявка на выпуск экстерном была одобрена, и ему разрешили подать документы и сдать экзамены в университет досрочно. Поступать он решил в Швейцарскую высшую техническую школу в Цюрихе (ЕТН).

Примерно в это же время, в возрасте 16 лет, Эйнштейну приснился необычный сон – он видел, как бежит за световой волной и пытается ее догнать. Он задумался: а если бы он мог двигаться со скоростью света, то выглядела бы волна для него просто колеблющейся на месте? В конце концов, ведь если бежать рядом с велосипедом, то он будет казаться неподвижным. Как отмечал еще Ньютон, и покоящийся, и равномерно и прямолинейно движущийся наблюдатель находится в инерциальных системах отсчета, все законы движения в которых должны быть одинаковыми. То есть если два объекта движутся в одном направлении с одинаковой скоростью, то относительно одного из них второй будет покоиться, и наоборот. Однако в уравнениях Максвелла для электромагнитного поля ничего не говорится о том, движется наблюдатель или нет. Согласно этим уравнениям, свет в пространстве всегда движется с одной и той же скоростью. Эйнштейн понял, что предположения Ньютона и Максвелла явно противоречат друг другу. Прав мог быть только один из них – но кто?

Когда Эйнштейна занимал этот вопрос, сама мысль о том, что свет имеет постоянную скорость в вакууме – или что свет вообще может распространяться в пустоте – еще не получила широкого признания. Множество физиков того времени считало, что свет движется сквозь невидимую субстанцию, названную «светоносным эфиром» или просто эфиром. Если это действительно так, то должна существовать возможность обнаружить движение Земли относительно эфира. Однако известный эксперимент 1887 года, проведенный двумя американскими физиками – Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли, такого движения не обнаружил. Ирландский физик Эдвард Фитцджеральд и голландский физик Хендрик Лоренц в попытке объяснить поведение света с помощью законов механики Ньютона независимо друг от друга предположили, что объекты, движущиеся с большой скоростью, сжимаются в направлении движения. Этот эффект, названный сокращением Лоренца – Фитцджеральда, позволил интерпретировать результаты эксперимента как сжатие инструмента в направлении его движения, приводящее к тому, что измеряемая скорость света остается постоянной. Эйнштейн, тогда еще не знакомый с экспериментом Майкельсона – Морли, пытался разрешить этот парадокс, не прибегая к идее эфира. Еще до того, как он прочитал труды Маха, он каким-то образом догадался, что физика Ньютона устарела и нуждается в серьезном пересмотре.

Удивительно, но Эйнштейн, который в наше время считается настоящим гением, с первой попытки провалил экзамены в ЕТН.

Возможно, это и послужило поводом для известного мифа о том, что у Эйнштейна в школе была двойка по математике. В действительности самым слабым его местом оказалось сочинение на французском языке. Чтобы подготовиться получше, он год отучился в выпускном классе школы города Арау в Швейцарии. Он отважно отказался от немецкого гражданства, возможно, пытаясь оборвать все связи с прошлым. Живя без родителей и какое-то время без гражданства, он был очень необычным подростком. К счастью, со второй попытки он все же сдал экзамены и поступил в ЕТН в беспрецедентно юном семнадцатилетнем возрасте.

Во время учебы Эйнштейн понял, что физика в ЕТН преподается старомодно, с упором на традиционные разделы вроде механики, теплопередачи и оптики. О маховской критике Ньютона в этих почтенных аудиториях никто даже не слышал, и мало кто понимал теорию электромагнетизма Максвелла. Эйнштейн все еще размышлял о своей проблеме скорости света, но не мог найти ее решение на лекциях этого университета.

Университетские годы Эйнштейна совпали со временем поразительных открытий в физике. Пока в Вене Мах и Больцман вели горячие дебаты об атомизме, кембриджский физик Джозеф Джон Томсон в 1897 году представил экспериментальное доказательство существования частицы, значительно меньшей атома. Коллеги вначале с подозрением отнеслись к возможности существования чего-либо меньшего, чем якобы неделимое. Томсон назвал отрицательно заряженную частицу «корпускулой», но Фитцджеральд, следуя совету своего дяди, ирландского ученого Джорджа Стони, предложил назвать эту частицу «электроном». Именно этот термин и стал общепринятым. В Париже Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, изучая свойства радиоактивного урана вместе со своими аспирантами Марией Кюри и ее мужем Пьером Кюри. В 1898 году супруги Кюри открыли радий, еще один радиоактивный элемент. Все эти находки указывали на сложное устройство атомов – предмет исследований, которым позже займутся Эйнштейн, Шрёдингер и множество других физиков того времени. Но в ЕТН студентам предлагали придерживаться проверенной временем экспериментальной физики. Это явно шло вразрез со стремлением Эйнштейна найти новые объяснения явлениям окружающего мира.

Эйнштейну посчастливилось обрести друзей, которые поддерживали друг друга в исследованиях и обменивались идеями. Одним из главных его наперсников, с которым он познакомился не в университете, а на почве общей любви к музыке, был блестящий инженер шведско-итальянского происхождения Мишель Бессо. Бессо существенно повлиял на убеждения Эйнштейна, познакомив его с работами Маха. Эйнштейн и Бессо оставались друзьями всю жизнь.

Другим близким его другом был талантливый математик Марсель Гроссман. Эйнштейн пользовался его прекрасными конспектами по математике, когда решал прогулять лекцию, а это бывало довольно часто. Позже Гроссман стал профессором математики в ЕТН и помог Эйнштейну разработать математический аппарат общей теории относительности.

Учитывая престиж преподавателей в ЕТН, Эйнштейну следовало уделять математике больше внимания. Одним из его профессоров был Герман Минковский, который несколько лет спустя помог переформулировать специальную теорию относительности Эйнштейна более изящным и удобным образом. Минковский родился в Литве и получил образование в престижном Кёнигсбергском университете. Он был одним из немногих профессоров ЕТН, умевших включить в теоретическую физику жизненно важный аппарат высшей математики. Учитывая их дальнейшее сотрудничество, довольно забавно, что в то время Минковский не был высокого мнения о своем нерадивом студенте. Замечая, как часто Эйнштейн пропускает его лекции, Минковский называл его лентяем.

Эйнштейн, оправдывая позже свое пренебрежение математикой, говорил: «Мне, молодому студенту, было неясно, что более глубокое понимание физики зависит от знания сложнейших математических методов. Постепенное понимание этого пришло ко мне много позже, после долгих лет самостоятельной научной работы»^{19}. Конечно, Эйнштейну следовало бы больше внимания уделить приобретению навыков, необходимых для работы в области теоретической физики. Но у него была веская причина манкировать учебой. На втором курсе он влюбился в единственную в группе девушку Мнлеву Марич родом из Сербии. Их пламенная страсть нашла отражение в любовных письмах и стихах, опубликованных много лет спустя, после смерти Эйнштейна. Их отношения были чужды условностям, так как Эйнштейн искал взаимоотношений, основанных на равенстве, свободной любви и абсолютной поддержке идей и целей друг друга. Мать Эйнштейна не одобряла эту связь, надеясь, что сын выберет женщину из семьи такого же социального класса, придерживающейся таких же ценностей и имеющей такое же происхождение. Тем не менее их связь становилась крепче, а трения с семьей превращали их чувства друг к другу в пламенную революционную борьбу.

На третьем курсе ЕТН Эйнштейн прослушал несколько курсов физики, но произвести хорошее впечатление он не смог. Профессор Жан Перне, преподаватель курса «Физические задачи для начинающих», постоянно ругал Эйнштейна за частые прогулы и поставил ему самую низкую оценку. Преподаватель термодинамики профессор Генрих Фридрих Вебер не уделял достаточно внимания открытиям, сделанным Больцманом и другими физиками, и поэтому Эйнштейн решил изучать подход Больцмана самостоятельно. Самым важным в этом году для него стала возможность поработать в электротехнической лаборатории Вебера, оборудованной по последнему слову техники. Несмотря на все старания Эйнштейна, произвести впечатление на Вебера ему не удалось. Профессор-практик не терпел его неухоженного вида и юношеского идеализма.

Эйнштейн безуспешно пытался заинтересовать Вебера возможностью разрешения проблемы скорости света. Он попросил предоставить ему лабораторию, чтобы зарегистрировать движение Земли сквозь эфир, не зная, что несколькими годами ранее Микельсон и Морли уже провели подобный эксперимент. Учитывая отсутствие у Вебера интереса к электромагнитной теории Максвелла и другим недавним открытиям, неудивительно, что тот скептически отнесся к просьбе студента и не поддержал идею эксперимента. Репутацию Эйнштейна ухудшило и то, что, проигнорировав инструкции, он повредил руку, устроив взрыв в лаборатории Перне. Учеба в ЕТН подходила к концу, и преподавательский состав не возлагал особых надежд на Эйнштейна. Сдав выпускные экзамены и получив диплом преподавателя математики и физики, он безуспешно попытался получить в ЕТН должность научного сотрудника. К его большому удивлению и смятению, ни один профессор – ни физик, ни математик – не хотел брать его в ассистенты. Эйнштейн с грустью вспоминал: «Внезапно все меня бросили. Я пребывал в растерянности на пороге жизни»^{20}.

Усугубило ситуацию и то, что практически все его друзья, включая Гроссмана, поступили в аспирантуру в ЕТН. Милева тоже была исключением: плохо сдав выпускные экзамены, она не получила степень. Без поддержки профессорского состава податься Эйнштейну было некуда. Только чудо могло спасти его карьеру.