Эйнштейн
Шрифт:
Любой, замахнувшийся на понятия времени, пространства, движения, вступает в святая святых научных исследований. Он обязан склонить голову перед статуей сэра Исаака. Законы Ньютона, сформулированные в XVII веке, записаны в «Математических началах натуральной философии». Эти «Начала», опубликованные в 1687 году, и два с половиной столетия спустя считались скрижалями Завета. Этим законам повиновались движение планет, орбита Земли, приливы и отливы, движение Луны и Юпитера. Они представляли собой единственно возможную теорию гравитации. Они охватывали все области физики, от классической механики до оптики.
Они также давали и единственно возможное определение света, вычисления его скорости, его состава. Они доступно объясняли распространение солнечных лучей, блистание молний, рокот грома. Они ворочали электромагнитными явлениями. Они давали единственно дозволенное представление о космосе.
Физика Ньютона образовывала единое целое, лежавшее в основе человеческих знаний о мире.
И вот на это стройное здание покусился Эйнштейн. Поколебал и опрокинул его основы. И на его развалинах выстроил современную физику. Итак, молодой человек двадцати пяти лет в одиночку, вне всякой университетской структуры,
Чтобы прийти к этому, Альберт разобрал по косточкам основополагающие законы Ньютона, призванные дать объяснение земному притяжению и движению:
• Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.
• Два тела, каковы бы ни были их природа и их положение, притягивают друг друга с силой, зависящей от их массы и расстояния между ними.
• Время абсолютно независимо от движения. Неважно, находятся ли часы в покое или на поезде, несущемся с предельной скоростью: сутки спустя они будут показывать то же время. Время одинаково повсюду в пространстве.
• Два события, происходящие в одну и ту же секунду, каково бы ни было расстояние между ними, происходят одновременно.
• Пространство абсолютно и бесконечно. Только в таком пространстве можно определять положение предмета, направление движения. Пространство трехмерно. Его природа выражена в геометрии Евклида. Эта природа проста и неприкосновенна: пространство имеет длину, ширину и высоту.
• Свет состоит из пучка частиц, который перемещается внутри неопределенной материи, называемой эфиром — нечто вроде невидимого тумана, нематериального флюида, заполняющего небесный вакуум.
Эйнштейн читал и перечитывал эти строчки, перепроверял формулы, листал страницы, комкал их, рвал. Он заинтересовался работами, вытекающими из этой теории. Электромагнетизмом и электродвигателем, разработанным Фарадеем [26] в 1820 году, работами Герца 1880-х годов, волнами и скоростью электронов. Эти труды должны были дать окончательные ответы на вопросы о системе мироздания. Ни один не удовлетворил его совершенно. Ни один не дал ответа на все его вопросы. Эйнштейн жадно разгрыз яблоко Ньютона, но остался голодным.
26
Майкл Фарадей (1791–1867) — английский физик, химик и физико-химик, член Лондонского королевского общества. После открытия в 1820 году X. Эрстедом магнитного действия электрического тока Фарадея увлекла проблема связи между электричеством и магнетизмом. В 1831 году Фарадей экспериментально открыл явление электромагнитной индукции — возникновение электрического тока в проводнике, движущемся в магнитном поле. Фарадей также дал математическое описание этого явления, лежащего в основе современного электромашиностроения. В 1832 году Фарадей открывает электрохимические законы, которые ложатся в основу нового раздела науки — электрохимии, имеющего сегодня огромное количество технологических приложений.
Тот же подход, то же стремление обрести уверенность, даже сила убеждения заставили его отступиться от веры 15 лет тому назад, не отрекшись от своих корней. Библия не утоляла его жажды подлинности. Он не верил в Откровение. Он хотел ответов. Простых ответов на якобы неразрешимые вопросы.
Вопрос о составе света и его распространении поверг его в замешательство. Что это за эфир, которого никто никогда не видел, существование которого никто не сумел доказать, который бросает вызов законам физики и кажется упрощенным ответом на неразрешимый вопрос? Эфир! Эфир — изобретение ленивого физика. Эфир оставляет в состоянии неопределенности. Свет, частицы света распространяются благодаря некоему флюиду? Но какова природа света? Почему это не волны, как звук? Свет — материя, говорит Ньютон. Каков вес световых частиц, их заряд, их сила притяжения? Как воздействует земное притяжение на распространение света? Каково отношение между гравитацией и светом? Закон всемирного тяготения не отвечает на этот вопрос. Ньютон тоже! Как не отвечает он и на вопрос о скорости распространения света, будь то свет от солнца или от электрической лампочки. Свет и его скорость: Эйнштейн чувствует, что этот вопрос станет озарением для современной физики.
Озарение гения.
А ведь профессор Вебер советовал ему придерживаться ньютоновской библии. Его манит запретный плод. Для Эйнштейна нет ничего святого. Вместо того чтобы почитать священное писание классической физики, он погрузился в труды иконоборцев. Изучил опыты Михельсона [27] по определению скорости двух лучей света из разных пучков, зарождающие сомнения в общепринятых истинах. Прочел и перечел «Науку и гипотезу» [28] французского физика Анри Пуанкаре. Тот испытывал те же сомнения, что и Эйнштейн, приводя наброски ответов на вопрос о пространстве и времени. Книга Пуанкаре, вышедшая в 1902 году, не выходила за рамки дозволенного. Он (пока еще) не освободился от оков евклидовой геометрии. Эйнштейн нашел брата по оружию, но тот еще не был достаточно бесстрашен. Хендрик Антон Лоренц, преподаватель престижнейшего голландского университета, высказывал гипотезы о движущихся частицах, завораживавшие Альберта, — «законы преобразования», касающиеся электромагнитных и оптических явлений. Затем Эйнштейн исследовал уравнения математика Максвелла: они ставили вопрос о больших, болезненных скоростях [29] . Эйнштейн запнулся об эти уравнения. И вот тогда пожалел, что во время учебы забросил математику, пренебрегая ею ради физики. Подумать только, что его учителем был профессор Минковский, несравненный математик! А он предпочитал выпивать в кафе с Соловиным, вместо того чтобы сидеть на занятиях Минковского! По иронии судьбы тот самый Минковский, став
27
Владимир Александрович Михельсон (1860–1927) — русский физик и геофизик. Первым применил методы статистической физики для определения функции распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Обобщил эффект Доплера (изменение длины и частоты волн при движении их источника или приемника) на случай, когда свет проходит через среду с изменяющимся показателем преломления.
28
В книге «Гипотеза и наука» А. Пуанкаре выясняет природу математического мышления, анализирует понятие математической величины, принципы, постулаты и гипотезы в геометрии, механике, физике, иллюстрируя свои положения примерами из истории оптики и электродинамики.
29
Уравнения Максвелла — система дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. Из уравнений Максвелла следовало, что скорость электромагнитной волны в вакууме равна скорости света, поэтому Дж. Максвелл сделал вывод об электромагнитной природе света. Он не использовал векторных обозначений и записывал свои уравнения в достаточно громоздком компонентном виде. Современная форма уравнений Максвелла появилась около 1884 года после работ О. Хевисайда, Г. Герца и Дж. Гиббса. Система уравнений в формулировке Герца и Хевисайда некоторое время называлась уравнениями Герца — Хевисайда. Эйнштейн в статье «К электродинамике движущихся тел» назвал их уравнениями Максвелла — Герца. Английский физик Дж. Лармор (1900) и независимо от него X. Лоренц (1904) нашли преобразования координат, времени и электромагнитных полей, которые оставляют уравнения Максвелла инвариантными при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Эти преобразования отличались от преобразований Галилея классической механики и, следуя А. Пуанкаре, стали называться преобразованиями Лоренца. Они заложили математический фундамент специальной теории относительности. Пуанкаре высказал гипотезу о принципиальной невозможности обнаружить движение Земли относительно эфира (принцип относительности). Ему же принадлежит постулат о независимости скорости света от скорости его источника и вывод точного вида преобразований Лоренца. Эйнштейн также вывел преобразования Лоренца и утвердил их общефизический смысл, особо подчеркнув возможность их применения для перехода из любой инерциальной системы отсчета в любую другую инерциальную.
Но настоящий шок Эйнштейн испытал, познакомившись с работами Макса Планка. Ученый из Прусской академии наук, несомненно, стал человеком, больше всего повлиявшим на научную жизнь Эйнштейна, даже изменившим его судьбу. Уже в 1900 году Планк, будущий президент Прусской академии наук, перевернул представления о свете. Планк отказался от механистической концепции света и выдвинул постулат о его электромагнитной природе. Сидя в своем экспертном бюро в Берне, Эйнштейн повстречал своего учителя.
Так вот, с 1902 по 1904 год (год своего 25-летия) Эйнштейн прочел всё, что было написано о природе света: самые древние, самые классические версии физики частиц, новые гипотезы об электромагнитных волнах. Он изучил исследования о распространении и скорости света, погрузился в новые гипотезы о гравитационном поле, о силах притяжения, о взаимодействии между электронами и их средой, о новом месте, которое может занимать время в формулах движения. Он увидел, что у евклидовой геометрии есть пределы. Дошел до границ знаний, заложенных Ньютоном. Потом открыл для себя других ученых, высказывавших сомнения по поводу ньютоновской физики, приводивших другие формулы, выдвигавших более сложные гипотезы. Эйнштейн прочел Маха, считавшего, что инерция зависит от взаимодействия масс. Прочел Планка и его труды о свете. Он много работал. Как и другие, включившись в брожение умов, которым было отмечено обновление физики в начале XX века. Но, возможно, гораздо чаще, чем другие, Эйнштейн выходил из своей лаборатории, оглядывался вокруг. Смотрел на проходящие поезда. Наблюдал за солнцем, созерцал планеты. Его ум постоянно бодрствовал, устремляясь к звездам. Эйнштейн играл с предметами, системами, концепциями. Когда какой-нибудь теоретик останавливался, достигнув предела своей системы, или сворачивал с пути доказательства, потому что его было невозможно провести при помощи существующих математических инструментов, Эйнштейн продолжал идти вперед. Развивал рассуждение, искал доказательство от абсурда, размышлял. Что произойдет, если его базовый постулат окажется верен? Если все исследователи теоретизировали, Эйнштейн фантазировал, спорил, играл. В его представлении, у Вселенной нет границ. Ум не знает преград. Мысленно можно отправиться в самые дальние пределы Вселенной, за пределы человеческого понимания, к самой сути парадокса. Сокровище законов мироздания таится в глубинах человеческого мозга — надо только копнуть поглубже, покопаться в мыслях, проявить упорство. В этих мыслях отразится мир, откроются по очереди все его секреты. Его научный ум находил опору в духе авантюриста. Эйнштейн ничего не боялся и во всем сомневался. Эйнштейн не только гениальный ученый — это художник. И как все художники, он хотел достать с неба звезды и чувствовал, что в силах это сделать.
Расширение поля исследования — особенность эйнштейновского гения. Этот человек хочет исследовать всё — всё понять, всё объяснить. Им руководят некое вещее чувство и любовь к экспериментам. Интуитивное мышление предваряет логическое построение его открытий. Подкрепление математическими символами следует только потом. Сначала создать образ реальности, потом построить геометрическую теорию, которая может ей соответствовать. Прежде всего — быть проще, исходить от очевидного. Эйнштейн обладал почти мистической силой восхищения, связанной с наблюдением. Он выстраивал концепцию на предчувствии. Потом искажал общепринятые истины, чтобы сделать из этой концепции новый закон. Он утверждал: «Всякое знание реальности происходит из опыта и к нему же приводит».