Глава 21. Революция со скоростью света

Гаусс и Риман показали, что пространство может искривляться, и разработали математику, необходимую для описания этого явления. Далее встал вопрос: а в каком пространстве обитаем мы? Или — еще глубже: что определяет форму пространства?

Изящный и точный ответ, данный Эйнштейном в 1915 году, на самом деле впервые в общих чертах был предложен еще в 1854-м самим Риманом:

Вопрос обоснованности геометрии… связан с вопросом внутренней причины метрических взаимоотношений пространства… нам следует искать причину этих метрических взаимоотношений вне самого пространства, во внешних силах, воздействующих на него… [194]

Что отталкивает объекты друг от друга или сближает их? Риман, оказалось, сильно обогнал свое время и поэтому не смог развить на основании своего прозрения внятную теорию — он ушел настолько далеко вперед, что даже сами слова его нельзя было оценить по достоинству. Однако шестнадцать лет спустя один математик все же обратил на них внимание.

21 февраля 1870 года Уильям Кингдон Клиффорд представил Кембриджскому философскому обществу статью под названием «О пространственной теории материи». Клиффорду тогда было двадцать пять — как и Эйнштейну, когда он опубликовал свою первую статью по специальной теории относительности. В своей статье Клиффорд смело заявил:

Я утверждаю: 1. Малые области пространства подобны в своей природе небольшим холмам на поверхности, которая в целом плоская; 2. Свойство кривизны, или искажения, подобно волне, постоянно передается от одной области пространства к другой и далее; 3. Переменность кривизны пространства — вот что на самом деле происходит в процессе того явления, которое мы называем движением материи…

Выводы Клиффорда далеко превзошли римановы в детализации. Что вряд ли заметили бы, да вот поди ж ты: он все понял правильно. Современный физик, прочтя слова Клиффорда, сказал бы: «Откуда он знал?» Эйнштейн пришел к сходным заключениям лишь через годы тщательных логических построений. А у Клиффорда не было даже теории. Ему, тем не менее, удалось интуитивно прийти к столь подробным выводам — его, Римана и Эйнштейна вела одна и та же математическая мысль: если объекты в свободном движении перемещаются по прямым, характерным для евклидова пространства, могут ли возникнуть другие виды движения, обусловленные кривизной неевклидова пространства? И вот наконец именно последовательные шаги доказательства Эйнштейна, основанные на физике, а не на математике, позволили ему развить теорию, которая не далась Клиффорду.

Клиффорд лихорадочно трудился над своей теорией — обычно по ночам: день его был слишком занят преподавательскими и административными задачами в Лондонском университетском колледже. Но без глубинного понимания физики, приведшего Эйнштейна к промежуточному шагу — специальной теории относительности, — шансы Клиффорда развить свои представления до рабочей теории оставались незначительны. Математика предшествовала физике, и в этом состояла трудность, похожая на ту, что наблюдается ныне в теории струн, и мы это еще увидим. Клиффорд ничего не добился. Он умер в 1876-м — некоторые считают, от переутомления. Было ему всего тридцать пять.

Клиффорд, среди прочего, печатал шаг во главе колонны, состоящей из него одного. В мире физики небеса тогда были солнечны и ясны, и мало кто видел смысл тратить время на возню с законами, в которых не наблюдалось никаких изъянов. Более 200 лет всем казалось, что любое явление во Вселенной объяснено ньютоновской механикой — теорией, основанной на соображениях Исаака Ньютона. С его точки зрения, пространство есть «абсолютная», зафиксированная, богоданная конструкция, оборудованная декартовыми координатами. Траектория движения объекта есть прямая или иная кривая, описываемая набором чисел — координатами, обозначающими точки, соединенные этой траекторией в пространстве. Времени отводится роль «параметра» маршрута, что на математическом жаргоне означает «показатель того, в какой части траектории вы сейчас находитесь». К примеру, Алексей отправляется с Сорок второй улицы по Пятой авеню с постоянной скоростью один квартал в минуту и тогда его координаты — Пятая авеню и (42 плюс количество минут в пути) — ая улица. Указывая, сколько минут он прошагал, мы определяем, где именно Алексей сейчас находится.

С таким пониманием пространства и времени законы Ньютона предсказывают, как и почему движется объект вроде Алексея: они описывают его положение как функции от параметра под названием «время». (Здесь сделано допущение, разумеется, что Алексей — неодушевленный объект, что не всегда истинно: вообразите его в наушниках и с плеером.) Согласно Ньютону, Алексей продолжит свое постоянное движение — по прямой и с постоянной скоростью, — покуда на него не подействует внешняя сила, к примеру — зал видеоигр за углом. Или, с учетом этого привлекающего фактора, законы Ньютона предскажут, что траектория движения Алексея отклонится от постоянной. Они, эти законы, количественно сообщат нам, как именно Алексей станет двигаться с учетом его личной инерции, а также силы и направления ее приложения. Согласно ньютоновым уравнениям, ускорение тела (т. е. изменение скорости или направления движения) пропорционально силе, приложенной к нему, и обратно пропорционально его массе. Но описание движения тела под воздействием приложенной к нему силы — это еще полдела, известное под названием «кинетика». Чтобы сформировать завершенную теорию, нам надо знать еще и «динамику», т. е. как определить мощь и направление воздействие этой самой силы, если даны ее источник (зал видеоигр), предмет воздействия (Алексей) и расстояние между ними. Ньютон вывел уравнение лишь для одной такой воздействующей силы — гравитационной.

Объединив два набора уравнений — для силы (динамика) и для движения (кинетика), — можно (в принципе) описать траекторию движения объекта как функцию времени. Можно, скажем, предсказать, как Алексей опишет круг по игровому залу, или (как ни прискорбно это может быть) траекторию движения межконтинентальной баллистической ракеты. Ньютон воплотил стремление, возникшее еще у Пифагора: создал систему математики, позволяющую описывать движение. Кроме того, что Ньютон объяснил, как один и тот же закон управляет движением на Земле и в пространстве, он добился еще кое-чего, не менее важного: объединил две старые самостоятельные дисциплины — физику, считавшуюся занятой сугубо житейскими повседневными вопросами, и астрономию, которую воспринимали как науку о небесных телах.

* * *

Если ньютоновы представления о пространстве и времени верны, легко увидеть, чего не может быть. Во-первых, не может быть пределов у скорости, с которой один объект приближается к другому. Чтобы в этом убедиться, вообразим, что такая предельная скорость существует; назовем ее с. Теперь представим, что объект приближается к нам с этой скоростью. Давайте (в научных целях) плюнем в этот объект. Если вся эта драма разворачивается в осязаемой среде под названием «абсолютное пространство», легко заметить, что этот объект приближается к вашей слюне быстрее, чем к вам. Закон предельной скорости нарушен. Во-вторых, скорость света не может быть постоянной. Точнее, свет должен достигать разных наблюдателей с разной скоростью. Если поспешите свету навстречу, он доберется до вас быстрее, а если будете удирать от него — медленнее.

Если существует объективное устройство пространства, эти две истины самоочевидны. И все-таки эти две «истины» ложны. Вот оно, основание специальной теории относительности, компонент, которого не доставало в первых рассуждениях о физике искривленного пространства. Это факт, который «наблюдали» задолго до того, как смогли «оценить по достоинству».

 

Глава 22. Другой Альберт относительности

Через несколько лет после того как юный Риман продемонстрировал острый интерес к польской истории, юная пара из этнически польской провинции Познань, тогда находившейся под прусским правлением, родила малыша по имени Альберт. Представляется, что героическая борьба польского самосознания — куда более притягательный материал для чтения, нежели переживание реальности. И если поляки были героями, они же были и антигероями, выказывавшими злобный антисемитизм, что позднее сделало Польшу излюбленным местом Гитлера — страной газовых камер. Как бы то ни было, в 1855-м, в год смерти Гаусса, семья Альберта, Михельзоны, эмигрировали в Нью-Йорк, а вскоре после этого — в Сан-Франциско. Польско-прусский еврей, первый «американец», получивший Нобелевскую премию, прибыл в страну трехлетним ребенком за полвека до появления Нобелевской премии как таковой.

В 1856 семья Майкельсонов переехала в Мёрфиз, удаленный шахтерский городок в округе Калаверас, что на полпути между Сан-Франциско и озером Тахо. Отец Альберта открыл галантерейную лавку, но семья так и не осела. Все более удаляясь от своих германо-еврейских корней, Майкельсоны в конце концов обосновались в новеньком городе в Неваде. Новый «город», чуть больше кемпинга по размерам, разместился на склонах горы Дэйвидсон в 1859 году. По легенде, пьяный шахтер разбил бутылку виски о камень и тем самым крестил новое поселение. Так возникло поселение, которое позднее станет одним из крупнейших городов Старого Запада: Вирджиния-сити. Однако название это — совсем не в честь штата, а сплошная транзитивность: шахтера звали Джеймс Финни, кличка его была «Старая Вирджинья», и город он поименовал в свою честь. Золото и серебро на горе Дэйвидсон быстро превратили селение Финни в один из первых промышленных городов Запада, сопоставимый по размерам с Сан-Франциско и столь же изобильный на оружие, азартные игры и, разумеется, салуны. Одна из младших сестер Альберта написала о тамошней жизни роман «Мэдиганы». Младший брат Чарлз, подвизавшийся журналистом-невидимкой при «Новом курсе» президента Франклина Рузвельта, также писал о новой родине в своей автобиографии «Разговоры призрака». Но после переезда маленькому Альберту не пришлось провести слишком много времени с семьей. Он выказал многообещающий ум, и его оставили у родственников в Сан-Франциско, где он поступил в Линкольновскую начальную школу, а затем — в школу Боя, где проживал в доме директора.

В 1869 году юноша Майкельсон включился в конкурс на поступление в Военно-морскую академию на другом конце страны — в Аннаполисе, штат Мэриленд. Он не прошел. И тут проверке подверглись не только его знания, но и настойчивость: шестнадцатилетка запрыгнул в поезд, шедший через весь континент по железной дороге, отстроенной всего за несколько месяцев до этого, и направился в Вашингтон на встречу с президентом Грантом. Тем временем один невадский конгрессмен написал Гранту поручительство за Альберта. В его сообщении значилось, что Альберт — всеобщий любимец среди евреев Вирджиния-сити, и если бы Грант помог ему, это добавило бы президенту голосов среди еврейства. Майкельсон все-таки встретился с Грантом. Свидетельств этой встречи не сохранилось. В народе репутация Гранта мало отличалась от таковой у Вирджиния-сити: истина — в виски. За исключением краткого периода его жизни, это не самая точная характеристика Гранта. Правда же, хоть о ней вспоминают нечасто, заключалась в том, что Грант был великолепным математиком. Может, Грант проникся к юному математическому гению, а может, сделал жест в сторону еврейского электората, но он совершил невероятное: выдал Майкельсону особое назначение в Академию, потребовав от заведения расширить в тот год квоту на новых кадетов. История рассудила так, что важнейшей заслугой президента Гранта, вероятно, стал эксперимент Майкельсона-Морли.

Майкельсон стал чемпионом Академии по боксу и имел репутацию задиры с Дикого Запада. В части образовательных успехов Майкельсон окончил академию девятым из двадцати девяти студентов. Но средние оценки никак не иллюстрируют подлинной динамики его карьеры: он лидировал в оптике и акустике, в мореходстве стал двадцать пятым, а по истории — распоследним. Таланты и интересы Майкельсона оказались кристально ясны — равно как и представления начальства о сфере его увлечений. Суперинтендант академии Джон Л. Уорден (который в 1862 году командовал броненосцем северян «Монитор» в сражении с паровым фрегатом южан «Мерримак») сказал Майкельсону: «Если бы вы уделяли меньше времени всякой науке и больше — морскому артиллерийскому делу, когда-нибудь, возможно, из вас вышел бы какой-то прок для страны». Несмотря на этот очевидный упор на стрельбу в противовес науке, курс физики в Аннаполисе был по тем временам одним из лучших в стране. Учебник по физике у Майкельсона был переводом французского издания 1860 года за авторством Адольфа Гано. В этом учебнике Гано описывает вещество, которое, по устоявшемуся на тот момент мнению, заполняло собой всю Вселенную: «…такая неуловимая, непостижимая и чрезвычайно эластичная жидкость, именуемая эфиром, распределенная во всей Вселенной; она насыщает собой массы всех тел, от плотнейших и самых непроницаемых до легчайших и прозрачнейших».

Гано далее придает эфиру фундаментальную роль в большинстве явлений, изученных в его время: «…движение особого рода, произведенное с эфиром, может порождать феномен тепла; движение того же рода, но с большей частотой, порождает свет; быть может, движение другого вида или свойства есть причина электричества».

Современные представления об эфире были предложены Кристианом Гюйгенсом в 1678 году. Само понятие назвал так Аристотель — это был его пятый элемент, материя, из которой состоят небеса. Согласно Гюйгенсу, господь сотворил пространство на манер громадного аквариума, нашу планету — как плавучую игрушку, какую бросают рыбкам на потеху. Разница лишь в том, что, в отличие от воды, эфир протекает не только вокруг, но сквозь нас. Это представление приходилось по сердцу всем, кому — как и Аристотелю — не нравилась мысль о «ничто» — или вакууме — в пространстве. Гюйгенс приспособил эфир Аристотеля в попытке объяснить открытие датского астронома Олафа Рёмера, обнаружившего, что свет от одной из лун Юпитера добирается до Земли не мгновенно, а какое-то время спустя. Этот факт — а также другой: свет, похоже, движется со скоростью, не зависящей от его источника, — указывали на то, что свет состоит из волн, перемещающихся в пространстве подобно звуку, распространяющемуся по воздуху. Однако звуковые волны, как и волны на воде или скакалке, считались упорядоченным движением среды — воздуха, воды или веревки. Если пространство пусто, по тогдашним представлениям, волна в нем распространяться не может. Пуанкаре в 1900 году писал: «Известно, откуда произрастает наша вера в эфир. Когда свет движется к нам от далекой звезды… он уже не в звезде, но пока и не на Земле. Неизбежно где-то он обретает, скажем так, материальную поддержку».

Как и большинство новых теорий, гюйгенсов эфир имел свои «хорошие, плохие и гадкие» стороны. Плохим и гадким в теории Гюйгенса оказалось малюсенькое допущение, что целая Вселенная и все, что в ней находится, пронизано этим предельно разреженным и, следовательно, не доступным к наблюдению веществом. Гюйгенсу много чего пришлось замести под ковер: одно дело — постулировать всеприсутствующую во Вселенной жидкость, и совсем другое — примирить ее существование с известными законами физики. Теорию Гюйгенса не приняли при его жизни — предпочли воззрения Ньютона на свет как на поток частиц.

В 1801 году был поставлен эксперимент, изменивший устоявшиеся взгляды. К тому же, благодаря ему возник важный новый инструмент XIX века для изучения света. Экспериментальная установка выглядела невинно — всего лишь вариация опытов, проводившихся из века в век: пропускание света через щель. Однако английский физик Томас Юнг (Янг) пропустил два луча света от одного источника через две отдельные щели и посмотрел, как эти лучи перекрываются на экране. Он обнаружил некий узор — чередование света и тени, т. е. интерференционную картину. Интерференция в терминах волн объясняется просто. Перекрывающиеся волны в некоторых участках суммируются, а в некоторых — гасят друг друга, подобно гребешкам и ложбинам, наблюдаемым при пересечении кругов на воде. Волновая теория света вернула к жизни теорию эфира.

Возражения к теории Гюйгенса за прошедшие века никуда не делись. Напротив — разгорелась битва нетерпимостей. В одном углу ринга был свет как волновое движение безо всякой среды. Он смахивал на волну на воде в отсутствие воды, и болельщиков у него оказалось немного. В другом углу — свет как волна в среде, которая есть везде, но ее нигде нельзя засечь. Эдакая вода, которая вроде бы всюду, но ее нигде не видно, и этому участнику тоже затруднительно симпатизировать. Быть (но без всякого видимого эффекта) иль не быть? Вот в чем состоял вопрос. Обывателю подобные различения — шило и мыло. Ученым того времени оказался однозначно мил эфир. Всяко лучше, чем «не быть». Незнание физиков, из чего этот эфир состоит, виделось им «несущественным», как писал Э. Г. Фишер в своей книге «Начала натурфилософии» (1827).

Но одному физику — французу Огюстену-Жану Френелю — природа эфира не казалась несущественной. В 1821 году он издал математический трактат о свете. Колебания волн могут быть двух принципиально разных видов: либо вдоль направления движения — как звуковые, например, или как у игрушки Слинки, или под прямым углом к нему, как волны по веревке. Френель показал, что световые волны скорее всего — второго рода. Но такие волны требуют от среды особой эластичности — грубо говоря, определенной плотности. А значит, решил Френель, эфир не есть газ или жидкость, пронизывающие Вселенную, а твердое вещество. То, что раньше было плохим и гадким, превратилось в почти невообразимое, но, тем не менее, до конца столетия осталось общепринятым.

 

Глава 23. Материя пространства

Попытки разобраться, из чего же сделано пространство, привели, быть может, к величайшим научным прорывам в истории. Шла ожесточенная борьба между учеными, которые, по большому счету не знали, куда устремляются или куда попали, когда добрались. Как и само пространство, тропы их петляли и изгибались.

* * *

Все началось в 1865 году, когда шотландский физик пяти футов и четырех дюймов ростом опубликовал статью «Динамическая теория электромагнитного поля». Затем, в 1873 году, продолжил тот же разговор в «Трактате об электричестве и магнетизме». При рождении автор получил имя Джеймс Клерк, но, чтобы претендовать на наследство умершего дяди, отец автора добавил к фамилии «Максвелл». Как выяснилось, ценой небольших денег и благодаря необычным обстоятельствам, дядя увековечил свое имя — хотя бы среди физиков и историков науки.

Электромагнитная теория Максвелла считается краеугольным камнем современных механики, теории относительности и квантовой теории. Его серьезным бородатым лицом не украшают кофейные кружки. Ни нью-йоркские, ни голливудские стервятники от культуры не находят его образ притягательным. И тем не менее жизнь Максвелла знаменита среди тех, кто в старших классах или в колледже пытался постичь разнообразие и сложность явлений электричества, магнетизма и света, а затем, изучив векторное счисление, внезапно обнаруживал, что все эти премудрости содержатся в нескольких незатейливых строках, подобных тем, что Алексей назвал бы «численными фразами». Рядом с университетским городком Калтеха один пасадинский магазин как-то имел в продаже футболку, на которой значилась цитата-парафраз из передовицы Господа Бога — Книги Бытия: «И сказал Господь: “Да будет”. И стал свет». Эти четыре уравнения — максвелловы. Если не считать уравнения закона всемирного тяготения, эта горсть буковок и диковинных символов описывала все силы, известные науке.

Радио, телевидение, радары и спутники связи — всего лишь следствие этого знания. Квантовая версия максвелловой теории — самая продуманная и дотошно выверенная квантовая теория поля из существующих; она стала моделью нынешней Стандартной модели элементарных частиц, мельчайших известных нам единиц материи. Пристальный анализ теории Максвелла предполагает и специальную теорию относительности, и отсутствие какого бы то ни было эфира. Но все это в его время было совсем не очевидно.

Ныне теорию Максвелла студентам-физикам представляют в виде лапидарного набора дифференциальных уравнений, определяющих две векторные функции, из которых, в принципе, можно вывести все оптические и электромагнитные явления в вакууме. Изящнейшая теоретическая конструкция. Но, изучая ее по текстам, понимаешь, что вся эта красота имеет столько же общего с процессом ее открытия, сколько занятия по Ламазу и деторождение: адская боль и вопли придают второму переживанию несколько иной оттенок. Давным-давно один студент (я) сдал домашнюю работу, в которой решил сложную задачку про электромагнитное излучение двумя способами — чтобы прочувствовать волшебство более мощного метода. Элегантное решение — с применением современных тензоров — заняло менее страницы. Подход с позиций «грубой силы» для достижения того же результата потребовал восемнадцать страниц математики. (Преподаватель вычел у студента баллы за то, что тот вынудил его во всем этом копаться.) Последняя методика была ближе к исходным максвелловым теоретическим выкладкам — и все равно не настолько громоздкая. Теория Максвелла 1865 года содержала набор из двадцати дифференциальных уравнений с двадцатью неизвестными.

Вряд ли стоит упрекать Максвелла за то, что он не применил упрощенную форму записи: ее не просто не применяли широко — ее тогда еще не изобрели. С другой стороны, теория Максвелла не только была или выглядела сложной, она еще и объяснялась плоховато. Судя по всему, та же присущая Максвеллу дотошность, что позволила ему впитать и объединить обширное знание того времени, а затем умозрительно слепить из него настолько сложную теорию, повредила способности ученого растолковать ее. Хендрик Антон Лоренц, более прочих вложившийся в объяснение и упрощение максвелловой теории, писал позднее: «Постигать соображения Максвелла не всегда просто. В его книге ощущается недостаток единства, поскольку он достоверно описывает постепенный переход от старых идей к новым». Куда менее доброжелательны слова Пауля Эренфеста — он называл наработки Максвелла «своего рода интеллектуальными джунглями». Максвелл предоставил коллегам необработанную выгрузку своей оперативной памяти, а не педагогическое пособие. Однако невзирая на бестолковость презентации своей теории, Максвелл оказался величайшим знатоком электромагнитных явлений, каких тогда видывал мир. И что же он думал о материи пространства — с учетом всех его прозрений? Эфир или не эфир? В 1878 году он опубликовал статью на эту тему в девятом издании Британской энциклопедии:

Какие бы трудности ни возникали у нас при создании непротиворечивых представлений о составе эфира, сомнений быть не может: межпланетарные и межзвездные пространства не пусты, но заполнены некой материальной субстанцией или телом, которое, определенно, наибольшее и, вероятно, самое однородное из всех, что нам известны [214] .

Даже великий Максвелл не смог расстаться с этой идеей.

Стоит все-таки отдать ему должное: он не просто отмахнулся от эфира, как многие другие, и отверг его как ненаблюдаемую необходимость. Он открыл первое и главное наблюдаемое следствие: если свет движется с постоянной скоростью относительно эфира, а Земля — по эллиптической орбите сквозь эфир, то скорость, с которой свет, испускаемый пространством, приближается к Земле, будет не одной и той же в зависимости от того, в какой точке орбиты Земля находится. Земля, вообще говоря, в январе и в июне, т. е. находясь в противоположных точках орбиты, движется в разных направлениях. 23 апреля 1864 года Максвелл попытался экспериментально определить, с какой скоростью Земля движется сквозь эфир.

По результатам этого эксперимента Максвелл сдал в журнал «Труды Королевского общества» статью под названием «Эксперимент с целью определить, влияет ли движение Земли на преломление света». К сожалению, ее так никогда и не опубликовали: ее редактор, Дж. Г. Стокс (Стоукс), убедил Максвелла в несостоятельности его подхода. На самом деле, состоятельным он был — по крайней мере в принципе. Максвелл не дожил до решения вопроса об эфире, но в 1879 году, мучаясь адской желудочной болью от рака, что вскоре отнимет у него жизнь, он отправил одному своему другу письмо на заданную тему. Это письмо в конце концов приведет к экспериментальному доказательству того, что эфира не существует.

Письмо Максвелла издали посмертно в журнале «Нэйчер», где его заметил Майкельсон. Оно и подтолкнуло его к эксперименту. Чтобы разобраться в замысле Майкельсона, вообразим, что Николай, Алексей и их отец играют в мяч в парке. Втроем они формируют прямоугольный треугольник с отцом в вершине прямого угла, Николаем в северной вершине и Алексеем — в западной, на равных расстояниях от отца, вдоль вертикальной и горизонтальной осей.

Теперь представим, что все трое бегут на север с одинаковой скоростью. Положим, расстояние от отца до каждого сына составляет 10 ярдов, и они втроем бегут со скоростью 10 миль в час. Отец гонится за Николаем, убежавшим с мячом, а Алексей старается не отставать от отца по параллельной дорожке. Отец смотрит на часы и кричит: «Пора домой!» Услышав его, дети вопят в ответ: «Нет!» Внимание, вопрос: услышит ли отец ответ одного из сыновей раньше, а другого — позже?

Ответ — «да». Не имеет значения, насколько шустро бежит любой говорящий, их крики летят по неподвижному воздуху с одной и той же скоростью, назовем ее с. Но Николай убегает от крика отца, а значит, звуку, чтобы добраться до Николая, придется пролететь большее расстояние, чем те 10 ярдов, которые разделяют бегущих, — на то расстояние, которое Николай пробежит за время, необходимое звуку, чтобы до него долететь, помимо заданных 10 ярдов. Ответному же крику Николая не придется пролететь и тех 10 ярдов, что отделяют его от отца, потому что отец бежит навстречу звуку, а значит, путь звука составит 10 ярдов минус расстояние, которое отец успеет пробежать за то время, необходимое звуку, чтобы добраться до отца. Иными словами, крик отца долетает до Николая со скоростью с — 10 миль/час, а крик Николая достигнет отца со скоростью с + 10 миль/час. Алексей, с другой стороны, не обгоняет отца и не отстает от него, стало быть, их крики достигают своих целей со скоростью, просто равной с.

Разговор на бегу

С учетом этих объяснений вроде очевидно, что путь туда и путь обратно занимает разное время, но как же все-таки быстрее: с постоянной скоростью с в обоих направлениях или сначала помедленнее (с — 10), а потом побыстрее (с + 10)?

Алексей и Николай знают ответ из сказки, которую им иногда читают на ночь (покуда они старательно не желают спать). Мораль этой сказки такова: тише едешь — дальше будешь. Чтобы в этом убедиться, предположим ненадолго, что скорость звука с равна 10,00001 (это в переводе с десятичной записи на обычный язык означает «10 и еще чуточку») миль/час. В таком случае вопли Алексея и его отца летят со скоростью 10,00001 миль/час, т. е. по 2 секунды в каждом из двух направлений. Николаев ответный клич полетит к отцу гораздо прытче, т. е. со скоростью с + 10 = 20,00001 миль/час, и достигнет слуха отца где-то через 1 секунду. Но сначала надо, чтобы зов отца услышал Николай. Сколько времени это займет? Скорость движения этого звука — всего лишь с — 10 = = 10,00001 — 10 = 0,00001 миль/час. С такой скоростью отец докричится до сына через три недели. Алексей выиграл. Разумеется, скорость звука на самом деле примерно 675 миль/час, или около 300 ярдов в секунду. И хоть это практически фотофиниш, результат этих догонялок все равно тот же.

Если заменить звук светом, а воздух — эфиром, предыдущий эксперимент превратится точь-в-точь в описание максвеллова замысла. Папе с сыновьями не придется бегать взапуски: Земля и так несется свозь пространство, вращаясь вокруг Солнца со скоростью примерно 18,5 миль в секунду. (Земля и вокруг своей оси вращается, но с гораздо меньшей скоростью.) Есть одна тонкость: вращение Земли вокруг Солнца с заданной скоростью не означает, что Земля с этой скоростью движется сквозь эфир. Тем не менее, вроде бы предполагается, что Земля движется сквозь эфир с некоторой скоростью, и она должна, по идее, меняться с временами года, т. е. с изменением направления движения Земли в пространстве по орбите. В самом деле, наш эксперимент с отцом и мальчишками должен позволить нам измерить скорость движения Земли в эфире: мы же знаем, с каким отрывом выигрывает Алексей, и это знание даст нам решение для скорости с. Примерно такой опыт Майкельсон и поставил — простой эксперимент, лабораторией которому послужил весь мир.

Свет движется споро — даже по сравнению со скоростью движения Земли по орбите: примерно в 10 000 раз быстрее. Для теории очень удобная круглая цифра, однако для эксперимента — ужас кромешный. Математика в этом случае говорит нам, что при такой скорости разница во времени обменов между Алексеем и Николаем и их отцом составит всего одну миллионную процента. Это означает, что, если отец, Алексей и Николай находятся на расстоянии одного светового года друг от друга, сигналы от мальчишек долетят за треть секунды. Применим ли практически предложенный метод? Вроде бы нет.

К счастью для Майкельсона, француз Арман Ипполит Луи Физо получил от своего отца-врача в наследство целое состояние и посвятил свое время и деньги утолению любопытства к оптике. Физо особенно увлекался созданием наземных конструкций для измерения скорости света — реализовывал устремления Галилея. Галилею, правда, недоступны были блага промышленной революции и точные приборы, появившиеся в середине XIX века. Для достижения поставленных целей Физо смог соорудить аппарат, в котором луч света двигался беспрепятственно целых 5 миль. Пять миль на неспешном автобусе преодолеть быстро не выйдет, а вот со скоростью 186 000 миль в секунду — еще как. И тем не менее в 1849 году замеры Физо показали скорость света с пятипроцентной погрешностью от современного значения. В 1851-м он провел серию опытов для проверки теории протекания эфира вдоль земной поверхности. Эту теорию в 1818 году предложил Френель, и она доказала свою важность, поскольку означала, что точки на земной поверхности вообще-то могут иметь малую или нулевую скорость относительно эфира. Аппарат Физо 1851 года получился сложным и производил сильное впечатление, а также содержал важное нововведение — «делитель луча», сработанный из слегка посеребренного зеркала, рассекавшего световой луч на два: каждый двигался далее своим путем, а затем они вновь соединялись. В установке Майкельсона тонкий луч света от крошечного источника натыкался на такое же зеркало, и половина его проходила насквозь, а половина отражалась под углом 90°. Роль отца, размещенного в вершине треугольника, исполняло это самое наполовину посеребренное зеркало. Алексея и Николая заменяли обычные зеркала, они просто отражали луч и посылали его обратно.

Майкельсон маленьким источником света генерировал узкий луч и направлял его на делитель. Поскольку луч ведет себя как волна, значит, если после воссоединения один луч вернулся быстрее другого, колебания этих двух лучей не останутся в одинаковой фазе, т. е. не будут двигаться «в ногу». В результате произойдет интерференция, а из нее можно вычислить временную разницу и определить скорость движения в эфире, как и ранее. (Если б нам не нужен был этот самый интерференционный эффект, можно было бы провести такой эксперимент, просто-напросто посветив между двумя точками в разные стороны, и сравнить время движения света.)

Майкельсон не мог, конечно, надеяться на то, что два рукава его аппарата будут равны с точностью до длины волны или что ему удастся померить их длину с такой точностью. Более того, у него не было никакой возможности узнать, под каким углом его установка находится по отношению к вектору скорости движения эфира. Майкельсон умно разрешил эти затруднения, поворачивая аппарат на 90° и измеряя сдвиги интерференционной полосы по мере того, как лучи «менялись ролями», не прибегая к измерению самих интерференционных полос.

Для развития боксерских умений Майкельсону далеко ехать не потребовалось, а вот его судьба как ученого сложилась иначе. В 1880 году он получил разрешение военно-морского начальства на путешествие через Атлантику — продолжить образование. Подобные дотации были в те времена довольно распространены — эдакая попытка американского правительства украсить военную мускулатуру налетом интеллекта. Майкельсону тогда не исполнилось тридцати, но, оказавшись в Берлине и Париже, он уже разработал свою гениальную модель интерферометра.

Майкельсон предложил схему установки, которую требовалось собрать с ювелирной точностью: отклонение в одну тысячную миллиметра в длине одного рукава относительно другого ставило под угрозу любые замеры. Если температура в одном рукаве оказалась бы выше всего на одну сотую градуса, эксперимент Майкельсона пошел бы прахом. Прежде чем начать, Майкельсон укутал рукава аппарата бумагой — чтобы предотвратить температурные перепады, — а также обложил все приборы тающим льдом, чтобы поддерживать единую температуру в 0 °C. Наконец, его установка обладала такой чувствительностью, что регистрировала возмущение, возникавшее от шагов по мостовой в ста ярдах от лаборатории.

Такие приборы стоят недешево. Майкельсон хотел изготовить латунную раму у знаменитых немецких умельцев приборостроения Шмидта и Хенша, но такой роскоши позволить себе не мог. По счастью, один его земляк, американец, за несколько лет до этого стяжал славу и состояние за изобретение «говорящего телеграфа» — приборчика, ныне называемого телефоном. В 1880 году его изобретатель, Александр Грэм Белл, уже трудился над новым проектом — видеофоном. Белл нанял Шмидта и Хенша строить себе исследовательские приборы и имел под это особый бюджет. Как раз на средства из него и соорудили аппарат Майкельсона.

Майкельсон осуществил свой эксперимент в немецком Потсдаме в апреле 1881 года. Вообще никакой разницы во времени прохождения света сквозь пространство он не обнаружил. Что это означало? Перед Майкельсоном не стояла цель разоблачить или даже проверить гипотезу эфира — он желал измерить нашу скорость в эфире. Ничего не обнаружив, он не сделал вывод, что эфира не существует, — он лишь заключил, что мы неким манером в нем не движемся. Как такое может быть: Земля не движется сквозь эфир? Один вариант ответа дал Френель и его вроде бы подтвердил, хоть и неточно, Физо: теория захвата эфира. В любом случае, ни сам Майкельсон, ни все остальные не восприняли полученные результаты как угрозу существованию эфира. Сэр Уильям Томсон (лорд Келвин), приехав в 1884 году в Соединенные Штаты, выразился очень прямо: «…светоносный эфир есть… единственное вещество, в котором мы можем быть в динамике уверены. Лишь в этом мы убеждены, такова подлинность и состоятельность светоносного эфира». В конце концов электромагнитная теория Максвелла требовала наличия волн, а волнам нужна среда. Большинство физиков не обратило на опыт Майкельсона никакого внимания. Позднее он писал: «Я неоднократно пытался заинтересовать моих ученых друзей в этом эксперименте, но все тщетно… Меня обескуражил такой недостаток внимания к нему».

* * *

Но кое-кто отнесся к эксперименту Майкельсона очень серьезно — голландский физик Лоренц. В 1886 году он подверг сомнению теоретический анализ Майкельсона, указав на нестыковку, впервые обозначенную французским физиком Андре Потье в 1882 году. Анализ Майкельсона — как и вышеприведенные наши рассуждения — содержат незаметную ошибку. Мы допустили, что вопль отца перемещается к Алексею горизонтально (в заданных нами условиях), начиная с того момента во времени, в котором находился отец, когда закричал, и до того момента во времени, в котором Алексей был, когда услышал этот крик. Но к тому мигу, когда крик достигает Алексея, все уже несколько продвинулись вперед. Это означает, что отцовский вопль вынужден пролететь больше тех десяти горизонтальных ярдов, которые мы включили в наше допущение. Это маленькое дополнительное расстояние и объясняет небольшое прибавление во времени и уменьшает разницу, на которую взаимодействие Алексея с отцом больше, чем Николая с отцом. В свете этого нового взгляда на всю ситуацию сдвиг интерференционных полос оказался вполовину меньше, чем ожидал Майкельсон. Лоренц считал, что при правильном анализе эксперимент Майкельсона включает достаточно погрешностей, чтобы отменить его выводы.

Майкельсон же вернулся в Соединенные Штаты и стал профессором Кейсовской школы прикладных наук в Кливленде. Вскоре Лоренц, а заодно и лорд Рэли потребовали уточненного повторного эксперимента. Майкельсон взялся работать над ним с коллегой из соседнего заведения — Колледжа западного резервного района — Эдвардом Уильямсом Морли. Тогда же, в 1885 году, у Майкельсона случился нервный срыв, и он отбыл в Нью-Йорк. Морли продолжил работу, не ожидая возвращения Майкельсона, однако тот к концу семестра вернулся в Кливленд. В полдень 8 июля 1887 года, а затем 9, 11 и 12 июля Майкельсон и Морли провели решающий эксперимент, ставший впоследствии частью любого студенческого курса физики. Реакция на результаты усовершенствованного эксперимента была столь же прохладной, что и ранее. Отрицательный результат, который мы сейчас воспринимаем как революционный, тогда многие сочли за неудачу в поиске желаемого эффекта — измерения нашей скорости в эфире. И хотя Майкельсон и Морли поначалу планировали продолжать измерения — например, в разные времена года, т. е. когда Земля находится в разных точках на своей орбите, они тоже утратили интерес.

Подобно открытию искривленного пространства, эксперимент Майкельсона-Морли не произвел взрыва в истории идей. Скорее, он поджег фитиль. Первый дымок от этого фитиля поплыл в 1889 году, когда об эксперименте вроде бы забыли: новый американский журнал «Сайенс» напечатал коротенькое письмо. Начиналось оно так:

С огромным интересом прочел я о восхитительно изящном эксперименте господ Майкельсона и Морли, нацеленном на выяснение важного вопроса о том, сколь сильно эфир затягивается движением Земли. Полученный ими результат, похоже, входит в противоречие с другими, показывающими, что эфир в воздухе может двигаться лишь до незначительной степени. Я бы предположил, что едва ли не единственная гипотеза, могущая примирить это противостояние, состоит в том, что длина материальных тел меняется в зависимости от того, вдоль эфира они движутся или против него, на величину, зависящую от квадрата отношения их скоростей и таковой у света… [221]

Это что вообще? В каком смысле — длина материальных тел меняется? Пространство, в котором мы обитаем, меняет материю? Письмо заканчивалось еще двумя длинными фразами. Оно было подписано ирландским физиком Джорджем Фрэнсисом Фицджералдом и описывало форму одного из фундаментальнейших понятий теории, которую в конце концов объяснят Майкельсон и Морли: относительность.

Примерно в то же время Лоренц, по-прежнему размышлявший над результатам майкельсоновых измерений, пришел к аналогичному заключению. Правда, Лоренц, ведущий физик-теоретик 1890-х, попытался соорудить объяснение сжатию тел, основанное на том, что молекулярные взаимодействия осуществляются через эфир. (К тому моменту, стараясь спасти идею эфира, ученые перестали считать его не подверженным влиянию физических сил.) Без физического объяснения этого сжатия такое объяснение выглядело поделкой на скорую руку, вроде эпициклов Птолемея. И все равно попытки таким способом сформулировать толкование потерпели крах — особенно потому, что силы, которые Лоренцу пришлось постулировать, плохо вязались с ньютоновской механикой.

* * *

К 1904-му за год до первой статьи Эйнштейна по теории относительности, Лоренц и другие сделали несколько занятных открытий, но не оценили их следствий. Новая теория Лоренца вводила разницу между двумя видами времени: «местного» и «вселенского» (хотя вселенское время у него считалось предпочтительным). Лоренц также осознал, что движение электрона сквозь эфир должно влиять на значение его массы, и это воздействие экспериментально подтвердил физик Вальтер Кауфман. Пуанкаре задался вопросом: может ли скорость света быть предельной скоростью во Вселенной (это закономерность, вытекающая из теорий сжатия)? Он также рассуждал о субъективности пространства и времени: «Нет абсолютного времени; утверждение, что две длительности равны, само по себе не имеет смысла… у нас нет даже прямых догадок об одновременности двух событий, происходящих в разных местах…» Граница между временными вещами и вневременной Вселенной, в которой они существуют, начала разрушаться. Какая же из всего этого должна была возникнуть геометрия?

Альберту Эйнштейну потребовалось сформулировать простую теорию, которая объяснила наблюдаемое поведение света, движущегося в пространстве. Пространство и время слились навек, а их тетушка геометрия стала существом более чем эксцентричным.

 

Глава 24. Технический эксперт-стажер третьего класса

Проезжая в 1805 году мимо дома Гаусса в Гёттингене, Наполеон возвращался после убедительной победы при Ульме. Император пощадил Гёттинген из уважения к Гауссу, однако и место его победы вскоре станет столь же почитаемым: там родится один из, быть может, величайших физиков в истории человечества — Альберт Эйнштейн. Случилось это в 1879-м — в год смерти Максвелла.

В отличие от Гаусса, Эйнштейн вундеркиндом не был. Заговорил он поздно — утверждают, в три года. В общем, тихий и замкнутый ребенок. Его учили на дому — до того дня, когда он вдруг закатил истерику и швырнул в учителя стулом. В начальной школе успехи его были так себе. Временами все получалось, но некоторые учителя держали его за бестолочь или даже за умственно отсталого. К сожалению — и тогда, и ныне — зубрежку считали ключевой частью школьных занятий, а зубрить Эйнштейн никогда не умел. Учителя всегда с готовностью поощряли детей, которые мгновенно кричали с места: «Север!» — в ответ на вопрос, куда указывает стрелка компаса, но не ценили ребенка, который задумывается над вопросом — как это бывало с пятилетним Эйнштейном, — какие такие силы заставляют стрелку двигаться. Нельзя сказать, что немецкие школы никак не развились со времен Бюттнера и Гаусса. В наказание за неправильный ответ детей больше не пороли — современные технологии предписывали резко бить по костяшкам пальцев. Скрытый за эйнштейновыми небыстрыми ответами гений был всего лишь стратегией испуганного ребенка: боясь наказания, он всегда по нескольку раз проверял ответ в уме, прежде чем выпаливать вслух.

На школьных собраниях родители девятилетнего Альберта, вероятно, выслушивали что-нибудь вроде: юный Альберт хорош в математике и латыни, но сильно отстает по всем остальным предметам. Легко представить сомнения его учителей и беспокойство родителей. Выйдет ли когда-нибудь толк из этого четвероклашки? К тринадцати годам Эйнштейн уже демонстрировал небывалые способности к математике. Он взялся за более сложные математические знания вместе с другом постарше и с дядей. Кроме того — изучал работы Канта, особенно его воззрения на время и пространство. Кант, может, и ошибался насчет роли интуиции в математических доказательствах, однако его соображения о том, что время и пространство суть плоды нашего восприятия, заинтересовали Эйнштейна еще подростком. И хотя человеческая психология тут не при чем, субъективность измерения пространства и времени и дали относительности ее название.

К 1895 году молодой Эйнштейн уже знал об эксперименте Майкельсона-Морли, о работах Физо и Лоренца. И хотя тогда Эйнштейн еще принимал концепцию эфира, он понял: независимо от того, с какой скоростью движешься, догнать световую волну не удастся. Относительность уже была на подходе.

Внеклассные интеллектуальные увлечения Эйнштейна никак не упрощали ему школьной жизни. Пятнадцатилетнему Альберту учитель греческого — очевидно, не слишком нежный тип — сказал при всем классе, что мальчик интеллектуально безнадежен, тратит попусту общее время и должен покинуть школу немедленно. Он предусмотрительно произнес это по-немецки, а не по-гречески, потому что в противном случае Альберт его бы не понял. Немедленно класс он не покинул, однако вскоре принял учительский совет. Он добыл у семейного врача справку о том, что у него намечается нервный срыв, и еще одну — у своего учителя математики; в ней говорилось, что всю математику, какая есть по программе, Альберт уже освоил. Он отнес оба документа директору школы, и ему разрешили бросить учебу.

В то время Альберт жил в общежитии — его родители переехали в Италию. Теперь он мог к ним туда приехать. И хотя из школы его, может, выперли за здорово живешь, его такая жизнь вполне устраивала. Следующие полгода будущий гуру физики и соперник Исаака Ньютона гарцевал по Милану и его окрестностям. Когда его спрашивали, какие у него планы на трудоустройство, он говорил, что настоящую работу даже обсуждать не желает. Он готов рассмотреть приглашение стать преподавателем философии в колледже. К сожалению, философские факультеты университетов не рвались нанимать школьников-недоучек. Даже преподавание в школе требовало университетского диплома. Тут не надо быть Эйнштейном, чтобы понять: единственный оставшийся вариант — получать удовольствие.

Однако отец Альберта Герман тоже был Эйнштейн, между прочим, и этот Эйнштейн такое спускать сыну не собирался. Признавая за чадом математический дар, он нудил, улещивал и, в выражениях родного для этой семьи идиша, «капал на мо́зги», покуда Альберт не согласился вернуться в школу и выучиться на инженера-электромеханика. Герман сам электромехаником не был, но пару раз начинал свое дело по продаже электрического оборудования (оба раза погорел). Альберт решил поступать в одну из лучших школ — «Eidgenoessische Technische Hochschule» (ETH) в Цюрихе, известную под множеством разных названий, например, «Политехникум». Университет этот имел международную славу, а также — один из немногих — не требовал диплома гимназии. От абитуриента ожидалось одно — сдать вступительный экзамен. Альберт попробовал. Провалился.

Как обычно, с математической частью экзамена у Альберта проблем не возникло, но кроме нее в экзаменационные тесты входили и дурацкие предметы. Он засыпался на французском, химии и биологии. Поскольку, вероятно, Альберт не горел желанием писать статьи по биохимии на французском, попытка отказать ему в обучении показалась Эйнштейну бессмысленной. Другие тоже так считали. Альберт метил высоко, и на той высоте его математическое дарование не прошло незамеченным.

Хайнрих Вебер, математик и физик, занимавший должность преподавателя физики в той школе, пригласил Альберта вольнослушателем на свои лекции. Директор школы Альбин Херцог организовал Эйнштейну год подготовительного обучения в соседнем заведении. На следующий год Эйнштейн с гимназическим дипломом в руках был допущен к занятиям в ЕТН без пересдачи вступительных экзаменов. Эйнштейн вознаградил доверие Вебера и директора школы, доказав соответствие результатов своих вступительных экзаменов правде жизни: как и ожидалось, учился он плохо. А как иначе? Программа имела ту же дефектную образовательную философию, что и экзамен. Эйнштейн отзывался о ней так: «Приходилось запихивать все это в голову ради экзаменов, нравится тебе оно или нет. Это принуждение так меня подкосило, что, стоило сдать последний экзамен, как мне целый год даже и думать о каких-либо научных задачах было отвратительно».

Эйнштейн продирался сквозь учебную программу по конспектам друга — Марселя Гроссманна, который в дальнейшем сыграет ключевую роль в математической судьбе Эйнштейна. Вебер поведением своего протеже не был доволен, считал его высокомерным. Возможно, все дело в том, что Альберт считал лекции Вебера устаревшими и не достойными посещения. Подобные чарующие манеры Эйнштейна превратили Вебера из наставника в недруга. Летом 1900 года, за три дня до выпускного экзамена, Вебер решил отыграться: он потребовал от Эйнштейна переписать поданную работу, потому что она-де написана не на форменных бланках. Специально для тех, кто родился после 1980 года: в докомпьютерные времена этот трюк невозможно было проделать путем загрузки файла в принтер и нажатием кнопки. Эта работа требовала некоторых утомительных манипуляций, известных под названием «письмо от руки», и оно поглотило то немногое время, что осталось у Альберта для подготовки к экзаменам.

По результатам Эйнштейн оказался третьим из четверых экзаменуемых, но все-таки сдал. Сокурсники получили университетские должности, но ему Вебер дал дурные рекомендации и преградил эту стезю. Эйнштейн тянул лямку, подменяя преподавателей на занятиях, потом давал частные уроки, а 23 июня 1902 года оказался в том самом — теперь уже знаменитом — Швейцарском патентном бюро. Его шикарная должность называлась «технический эксперт-стажер третьего класса». Работая в патентном бюро, Эйнштейн попутно получил докторскую степень в Цюрихском университете. Позднее он вспоминал, как его диссертацию поначалу не взяли, сочтя слишком короткой. Он дописал одну-единственную фразу и подал работу снова. На сей раз ее приняли. Трудно сказать, правдива эта история или просто дурной сон после ночных коньячных возлияний, поскольку никаких свидетельств этому не сохранилось. Тем не менее, она заключает в себе суть научной жизни Эйнштейна в те поры.

Оставив «образование» в прошлом, в 1905 году мозг Эйнштейна взорвался революционными идеями, которых хватило бы на три или четыре Нобелевские премии, если б их давали по каким-нибудь объективным критериям. Этот год оказался самым плодотворным из всех, что когда-либо вообще выпадали ученым, — по крайней мере, со времен Ньютона и его визита к матери на ферму в 1665–1666 году. Кроме того, Эйнштейну недосуг было сидеть и смотреть, как падают яблоки: он добился всех своих результатов, трудясь в патентном бюро. Урожай его состоял из шести статей (пять из них опубликовали в тот же год). Одна основывалась на его докторской диссертации — материях геометрии, вернее — на геометрии материи, а не пространства. Эйнштейн издал свою диссертацию в «Annalen der Physik» под названием «Новое определение размеров молекул», в котором представил новый теоретический метод определения этих самых размеров. Эта работа позднее нашла применение в широком диапазоне научных областей: от движения песчинок в цементных смесях до мицелл казеина (частиц белка) в коровьем молоке. Согласно исследованию, проведенному Абрахамом Пайсом в 1970-х, между 1961 и 1975 годами на эту работу ссылались чаще, чем на любую другую, написанную до 1912 года, включая и работы самого Эйнштейна по теории относительности. Эйнштейн в 1905 году тоже написал две статьи по броуновскому движению — неупорядоченному перемещению крошечных частиц, взвешенных в жидкости, впервые замеченному шотландским ботаником Робертом Броуном. Рассуждение Эйнштейна, основанное на представлении о том, что движение происходит за счет случайного бомбардирования молекулами жидкости частиц взвеси, привело к подтверждению новой молекулярной теории материи французским экспериментатором Жаном Батистом Перреном. Перрен за свою работу получил в 1926 году Нобелевскую премию.

В другой статье, написанной в том же 1905-м, Эйнштейн дал объяснение, почему некоторые металлы под воздействием света испускают электроны. Это явление получило название фотоэлектрического эффекта. Вот что в этом феномене требовалось объяснить: для данного металла существует некий порог частоты, ниже которого эффект не наблюдается, независимо от интенсивности облучения. Эйнштейн для объяснения существования этого порога применил квантовую гипотезу Макса Планка: если свет состоит из частиц (позднее их назвали фотонами), чья энергия зависит от частоты излучения, то лишь выше определенной частоты у фотона, сталкивающегося с поверхностью металла, достанет энергии, чтобы выбить из металла электрон.

Эйнштейн включил в свои рассуждения гипотезу Планка с такой дерзостью, будто это мировой физический закон. По тем временам к этой концепции относились как дурно понятому аспекту взаимодействия излучения с материей, и она никого не волновала: в этой области науки и так с лихвой хватало вопросительных знаков. И уж конечно никто — в отличие от Эйнштейна — помыслить не мог, что квантовая гипотеза приложима к излучению: такой подход противоречил хорошо понятой и опробованной теории Максвелла. Как и другая революционная работа Эйнштейна, эта поначалу мало кому показалась убедительной. Лоренц и даже сам Планк возражали доводам Эйнштейна. Ныне мы воспринимаем эту статью как поворотную в истории квантовой теории — наравне с открытием Планком самого кванта. За эту работу Эйнштейн получил в 1921 году Нобелевскую премию по физике. Однако и сейчас — чуть ли не сто лет спустя — он памятен двумя другими публикациями 1905-го. Они заявили начало одиннадцатилетней одиссеи, приведшей ученых в странную новую вселенную искривленного пространства, чью математическую возможность доказали Гаусс и Риман.

 

Глава 25. Относительно евклидов подход

В двух статьях, опубликованных в «Annalen der Physik» в 1905 году, — «К электродинамике движущихся тел» от 26 сентября, и «Зависит ли масса тела от содержащейся в нем энергии?», изданной в ноябрьском номере, — Эйнштейн объяснил свою первую — специальную — теорию относительности.

В гимназические дни Эйнштейн открыл для себя книгу о Евклиде. В отличие от Декарта и Гаусса, Эйнштейн стал поклонником античного ученого: «Там нашлись такие утверждения, как, например, пересечение трех высот треугольника в одной точке, которые, какими бы неочевидными ни были, могут быть доказаны с такой доподлинностью, что не остается места никаким сомнениям. Эта ясность и определенность произвели на меня неописуемое впечатление». Парадоксально, однако в позднейших теориях Эйнштейна ключевую роль играет неевклидова геометрия. Но в специальной теории относительности Эйнштейн применил подход Евклида. Он основывал свои рассуждения на двух аксиомах о пространстве:

1. Невозможно определить, не прибегая к сопоставлению с другими телами, покоитесь ли вы или находитесь в равномерном движении.

Первую аксиому Эйнштейна, обычно именуемую принципом относительности (Галилея), впервые постулировал Орем. Она истинна даже в пределах ньютоновой теории. Однажды Николай катался по квартире на пластмассовой пожарной машине. Алексей, поглощенный чтением какого-то детского ужастика, сидел на стуле в нашей проезжей кухне. Проносясь мимо, Николай выставил пластиковый топор, предусмотрительно приобретенный вместе с машиной и шлемом. Топор вышиб книгу у Алексея из рук, и вместе они — топор и книга — упали, спровоцировав братьев на традиционные взаимные обвинения. Алексей заявил, что это проезжавший мимо Николай воткнул в него топор и сбил книгу на пол. Николай же утверждал, что он держал топор неподвижно, а Алексей на него налетел. Отец обоих, предпочтя не влезать в юридические разбирательства, разразился лекцией о научной стороне ситуации.

Законы Ньютона предсказывают одни и те же события и в случае статичности Николая и подвижности книги Алексея, и в случае статичности Алексея и подвижности топора Николая. Таков первый постулат Эйнштейна: невозможно отличить первое от второго, и поэтому позиция обоих мальчиков в равной степени легитимна. (Досталось обоим.)

2. Скорость света не зависит от скорости его источника и одинакова для всех наблюдателей во Вселенной.

Вторая аксиома Эйнштейна, как и первая, тоже не революционна. Как мы уже видели, уравнения Максвелла требуют, чтобы скорость света не зависела от источника, и это никого не беспокоило, поскольку таково нормальное поведение распространяющихся волн. Соль допущения Эйнштейна — именно во второй части формулировки: «…и одинакова для всех наблюдателей». Что это значит?

Если бы вы могли утверждать, что движетесь, это ничего бы не значило: все наблюдатели могли бы согласиться, что скорость света есть скорость, с которой он приближается к «покоящемуся» объекту. Так обстоят дела в рамках законов Ньютона: пространство, или эфир, абсолютны и являются системой отсчета, относительно которой может быть измерено любое движение. Но если невозможно отличить покой от равномерного движения, все наблюдатели меряют одну и ту же скорость приближающегося света, находятся они сами в движении или нет, — и тут-то мы и натыкаемся на тот самый парадокс с плевками, о котором уже говорили. Как же может свет приближаться и к вам, и к вашему плевку с одинаковой скоростью?

Чтобы понять такое поведение света, следует задаться вопросом, что́ стоит за нашими рассуждениями. Если станем принимать эти две аксиомы Эйнштейна, кхм, аксиоматически, вопросов у нас не может быть. А какие еще допущения мы сделали? Мы прочно оперлись на понятие одновременности, поэтому естественно разобраться именно с ним. Вот этим Эйнштейн и занялся.

Рассмотрим ситуацию, похожую на ту, что сам Эйнштейн в 1916 году осмыслил в своей книге «Относительность». Эйнштейну нравилось применять аналогии с железной дорогой: опыт катания на поездах обеспечил ему очевиднейшее практическое доказательство невозможности определить, находишься ли ты в равномерном движении. Всякий, кому доводилось ездить по железной дороге или в метро, вероятно, имеет тот же опыт, что получил Эйнштейн в свое время: невозможно понять, твой вагон движется, соседний или оба. В нашем примере Алексей и Николай размещаются на разных концах вагона метро. Они впервые катаются на метро одни, без родителей. Родители стоят на платформе и машут им, надеясь, что знаки «Вагон неисправен», которые они наклеили на окна, до некоторой степени уберегут детей от толчеи. Положим, мама с папой стоят на платформе на таком же расстоянии друг от друга, что и Алексей и Николай, и тем самым вскоре после отправления состава, мама поравняется с Алексеем, а папа — с Николаем. Они расположились так неспроста: у них с собой фотоаппараты. Маме хочется запечатлеть первую поездку сыновей, а папе — иметь подходящие снимки для полиции, на случай, если дети не вернутся к назначенному сроку. Смиряясь перед законом природы, именуемым братским соперничеством, мама и папа собираются сделать снимки в один и тот же миг: мама сфотографирует улыбающегося Алексея, а папа — Николая. А раз фото одновременные, ни одному сыну не удастся потом хвастаться, что его фото сделали первым. И все-таки обстоятельства готовят семье братскую междоусобицу.

Причина этой распри — в ответе на простой вопрос, поставленный Эйнштейном: два события, которые считают одновременными родители, сочтут ли таковыми дети? Наша первая загадка такова: что именно значит оборот «два события происходят одновременно»? Если два события происходят в одном и том же месте, ответ тривиален: они одновременны, если происходят в одно и то же время (замеренное по часам, находящимся в этом месте). А вот если эти события происходят не в одном и том же месте, ответ получается совсем не тривиальным и для понимания требует подлинной проницательности.

Предположим, свет (или что угодно еще, чем можно отправить сигнал) движется с бесконечной скоростью. Тогда в миг, когда сработали обе фотовспышки, их свет мгновенно достиг Алексея и Николая. Они в таком случае могли бы запросто ответить на вопрос об одновременности, сравнив события в некоторой точке, в данном случае — время достижения светом от вспышек его точек назначения. Если они увидели сначала одну вспышку, значит, ту фотографию сделали первой. Однако поскольку свет перемещается не с бесконечной скоростью, этот подход не сработает. У папы, главного ученого в семье, возникает предложение. Он устанавливает фотодетекторы вдоль дистанции между ним и мамой. Если снимки делаются в одно и то же время, свет вспышек должен пересечься строго посередине между ними. Николай, услышав это соображение, тут же его присваивает (такая вот у него милая привычка). Алексей устанавливает фотодетекторы в их с Николаем вагоне.

Поезд трогается. Мама и папа синхронизировали часы. Снимки сделаны. Да, световые лучи от вспышек пересекаются ровно на полпути между мамой и папой. Довольны ли Алексей с Николаем? Нет — потому что когда лучи вспышек пересекаются, их вагон уже проехал чуточку дальше, поэтому, если смотреть из вагона, лучи вспышек пересеклись не строго посередине. Всю эту историю иллюстрирует рисунок на следующей странице.

С точки зрения сыновей каждая вспышка есть событие, происходящее в их мире, т. е. в вагоне метро, который они оправданно воспринимают в покое. Как и их родители, они не видят причин, почему свет от вспышек не должен перекрыться на полпути между ними. И поэтому когда свет вспышек перекрывается ближе к Алексею, оба делают вывод, что Николая сфотографировали первым. И хотя родители синхронизировали вспышки, фотографирование не воспринимается синхронным в системе отсчета, которая движется относительно их самих. Отец теперь корит себя, что не придумал иначе — так, чтобы вспышки произошли одновременно не для них с мамой, а для детей.

Ну хорошо, все понятно, скажете вы, но кому тут мы голову морочим? В заданных условиях именно дети перемещаются, а родители находятся на неподвижной платформе. Так может казаться, потому что Земля представляется нам неподвижной, но это, само собой, не так. Представьте наблюдателя в космосе: Земля для него вращается вокруг Солнца и вокруг своей оси, и поэтому допущения, что либо поезд, либо платформа так или иначе можно считать «покоящимися», имеют очевидные ограничения. Или вот что: отбросим всякие декорации и представим детей и родителей в пустом пространстве. Теперь у нас действительно нет внешнего ориентира для определения, кто же движется. Эффект совершенно тот же — и он подлинный: то, что родители воспринимают как одновременное, таковым не видится детям, и наоборот.

Потеха в метро

С отменой одновременности возникает относительность времени и пространства. Чтобы убедиться в этом, достаточно лишь заметить, что для измерения длины чего угодно нам необходимо сначала отметить концевые точки измеряемого объекта, а затем приложить к нему мерную линейку. Если объект по отношению к нам покоится, эта задача тривиальна. А если объект движется, потребуется промежуточный шаг. Мы могли бы, например, отмерить две концевые точки на неподвижном объекте — на покоящемся листе бумаги, скажем, пока объект перемещается вдоль этого листа. Затем, как и в первом случае, можно приложить линейку и померить расстояние между двумя нашими отметками. Однако делать эти отметки нам придется — ох уж это гнусное словечко! — одновременно. Если же мы ошибемся и сделаем одну отметку раньше второй, конец нашего объекта переместится на некоторое расстояние и полученные размеры не будут истинными. К сожалению, когда мы производим то, что считаем одновременными замерами, человек, движущийся вместе с измеряемым объектом, таковыми их считать не станет. Он обвинит нас в том, что мы отметили один конец прежде другого и тем самым получили неверный результат. Это означает, что у объектов нет длин в абсолютном смысле слова. Их длина зависит от наблюдателя. А это уже совсем иная геометрия.

Часто говорят, что в теории относительности движущиеся объекты воспринимаются как сжатые в направлении их движения. Это означает, что объект, измеряемый наблюдателем, считающим объект движущимся, будет воспринят как более короткий, нежели в случае наблюдателя, который считает объект неподвижным. Эйнштейн обнаружил аналогичные аномалии и в поведении времени. Движущиеся относительно друг друга наблюдатели не договорятся о длинах или интервалах времени или о том, сколько времени прошло. Подобно пространственным, и временные промежутки не имеют абсолютного значения.

Время, которое наблюдатель отмеряет между двумя событиями, находясь на одном месте, — что в его системе отсчета есть фиксированная точка пространства, — называется собственным временем. Любой другой наблюдатель, находящийся в движении (с постоянной скоростью) относительно первого, воспримет временной интервал между двумя событиями как больший. Поскольку относительно себя самих мы всегда находимся в покое, время нашей жизни, измеряемое другими, всегда дольше, нежели его воспринимаем мы сами (фактор общего ускорения жизни в расчет принимать не будем). Другим кажется, что наши часы отстают. Но мы, увы, умрем по сигналу внутреннего таймера, который движется вместе с нами. В специальной теории относительности трава на соседской лужайке и впрямь зеленее.

Что это означает применительно к законам движения? В специальной теории относительности объекты все еще подчиняются первому закону Ньютона: они движутся по прямой, если на них не действует внешняя сила. Наблюдатели могут не соглашаться в том, какой длины тот или иной сегмент этой самой прямой, — но не в том, что она, в принципе, прямая. Однако это пока и не «релятивистская формулировка» первого закона: в теории относительности для разных наблюдателей пространство и время по-разному взаимодействуют друг с другом. Для того, чтобы и пространство, и время оказались охвачены одной теорией, понятия геометрии необходимо видоизменить.

Вместо точек в пространстве и времен событий нам придется формализовать понятие события, иными словами — ввести точки в четырех измерениях пространства-времени. Мы теперь говорим не о траекториях в пространстве, а о мировых линиях в пространстве и времени. Отныне у нас не расстояния, а комбинация временно́го интервала и пространственных расстояний между событиями. А вместо прямых — геодезические линии, определяемые (по техническим причинам) как кратчайшие или длиннейшие мировые линии, соединяющие два события. Вот вам типичный пример события: автор этой книги сидит в определенной точке пространства, т. е. за своим столом, в определенное время. Типичная мировая линия: писатель торчит за своим столом по многу часов подряд. Эта конкретная мировая линия имеет переменную временну́ю координату и постоянную пространственную. Такое положение дел для мировых линий допустимо. «Траектория» в пространстве у нашего писателя — скучная фиксированная точка, зато в пространстве-времени мировую линию он все-таки прочерчивает, в точности так же, как поднимающийся лифт, у которого координаты восток-запад не меняются, а вот координата высоты — переменна. Расстояние между двумя точками в пространстве-времени на этой мировой линии отличается от нуля, хотя расстояние, пройденное в пространстве, равно нулю, а все потому, что эти точки разнесены во времени.

Чтобы разобраться в том, как перевести первый закон Ньютона на релятивистский язык, предположим, что некоторому объекту предстоит переместиться от Алексея из точки времени нуль по его часам к Николаю с точкой времени одна секунда по его часам — такое с объектами происходит довольно часто. Какова будет траектория этого объекта, если на него не воздействуют внешние силы? На языке относительности два рассматриваемых события имеют координаты (пространство = местоположение Алексея, время = нуль) и (пространство = местоположение Николая, время = единица). Допустим, мальчишки покоятся относительно друг друга и часы у них синхронизированы; тогда объект двинется по прямой с некоторой постоянной скоростью, необходимой для того, чтобы успеть добраться от Алексея к Николаю за одну секунду по их часам. Такова мировая линия свободного объекта в специальной теории относительности.

Какой закон управляет этой мировой линией? Рассмотрим, что произойдет иначе — если бы объект не двигался по прямой, а заложил бы крюк. За то же время ему пришлось бы преодолеть большее расстояние, а значит, чтобы добраться до цели вовремя (местоположение Николая во времени = одна секунда), — и двигаться шустрее. Но, как мы уже убедились, если объект двигается относительно другого, его время изменяется медленнее, т. е. объект прибудет к цели менее чем за одну секунду по своим часам.

Движение объекта в пространстве по прямой и с постоянной скоростью образует мировую линию, вдоль которой часы этого объекта покажут максимум возможного времени, прошедшего между двумя событиями. Следовательно, первый закон Ньютона можно сформулировать в терминах новой геометрии так:

Если на объект не действует внешняя сила, он всегда перемещается вдоль мировой линии от одного события к другому так, что время, прошедшее по часам этого объекта (т. е. собственное время) максимально.

Эйнштейн знал, что его теория станет пушечным ядром, запущенным в за́мок современной физики. Он преклонялся перед Ньютоном, но это не помешало ему уничтожить одну из ключевых установок ньютоновской теории: существование абсолютного пространства и времени. К тому же, Эйнштейн отправил в небытие двухсотлетней давности краеугольный камень физической теории — эфир. И хотя его специальная теория относительности одержала много побед (объяснение большего периода существования у быстрых радиоактивных частиц, равенство и взаимопревращение энергии и материи), Эйнштейну хватило ума догадаться: люди, которые посвятили свои жизни пестованию и усовершенствованию того самого замка, вряд ли угостят шнапсом и приятельски похлопают по спине того, кто этот замок уничтожил. Эйнштейн изготовился к войне.

Прошли месяцы, а войны не случилось. Выходил выпуск за выпуском «Annalen der Physik», а на бомбардировку Эйнштейна миру физики словно бы нечего было ответить. Наконец Эйнштейн получил письмо от Макса Планка, в котором тот попросил разъяснений по нескольким вопросам. Прошло еще несколько месяцев. И что, всё? Душу вкладываешь в новую революционную теорию мироздания, а в ответ получаешь лишь пару вопросов от какого-то парня из Берлина?

1 апреля 1906 года Эйнштейна повысили в патентном бюро — он стал техническим экспертом второго класса. По понятиям бюро — честь, но, прямо скажем, не Нобелевская премия. Эйнштейн начал задумываться, не засланец ли он с планеты Неудачников, выражаясь словами Алексея. Или, выражаясь словами самого Эйнштейна, «достопочтенная государственная чернильница-урыльник». Час от часу не легче: в свои двадцать семь Эйнштейн опасался, что дни его созидания сочтены. Вероятно, он мог бы задумываться, не придется ли ему умереть в безвестности, как Бойяи и Лобачевскому, — но, как и почти все остальные, он о них и слыхом не слыхивал.

Однако Эйнштейну невдомек было, что письмо, полученное им от Макса Планка, было лишь вершиной айсберга. Зимним семестром 1905–1906 года на коллоквиуме по физике в Берлине Планк представил теорию Эйнштейна. А летом 1906 года он отправил одного своего студента — Макса фон Лауэ — навестить Эйнштейна в его патентном бюро. Наконец-то Эйнштейну выпала возможность пообщаться с миром реальных физиков.

Эйнштейн, войдя комнату, где дожидался его фон Лауэ, так засмущался, что не сумел представиться. Фон Лауэ глянул на него, но не обратил особого внимания, поскольку не мог вообразить, что настолько неприметный человек может быть автором теории относительности. Эйнштейн вышел. Чуть погодя, правда, вернулся, но все равно никак не мог собраться с духом и заговорить с гостем. Наконец фон Лауэ представился сам. По пути к дому Эйнштейн предложил ему сигару. Фон Лауэ обнюхал ее. Дешевая дрянь. За разговорами посланец Планка втихаря выбросил подношение в реку Аре. Ни видом, ни запахом увиденного фон Лауэ не впечатлился, а вот услышанное подействовало на него сильно. И фон Лауэ, которого в будущем ожидала Нобелевская премия (1914 года, за открытие дифракции рентгеновских лучей), и Макс Планк, Нобелевский лауреат 1918 года, стали ключевыми сторонниками Эйнштейна и теории относительности. Годы спустя, рекомендуя Эйнштейна на место в Праге, Планк сравнит его с Коперником.

Поддержка Планком теории относительности — ирония судьбы: он с большим трудом принял ранние работы Эйнштейна по фотоэффекту — новую интерпретацию его же, Планка, квантовой теории. Но вот поди ж ты: в части теории относительности Планк оказался человеком широких и гибких взглядов — он немедленно воспринял ее как верную. В 1906 году Планк стал первым человеком после Эйнштейна, опубликовавшим статью по теории относительности. В той статье он первым же и применил относительность к квантовой теории. А в 1907 году он — также первым — руководил диссертацией на тему теории относительности.

Бывший преподаватель Эйнштейна по Политехникуму Герман Минковский, находившийся тогда в Гёттингене, оказался еще одним поборником теории относительности — из тех немногих, кто внес в нее важный вклад еще на заре ее существования: он устроил коллоквиум, на котором ввел в теорию относительности геометрию и понятие о времени как о четвертой координате. В лекции 1908 года Минковский сказал: «Таким образом пространство само по себе и время само по себе обречены отойти в мир теней, и лишь союз этих двух сохранит независимое существование».

Невзирая на поддержку маститых физиков — преимущественно в Германии, — широкого признания специальной теории относительности пришлось дожидаться. В июле 1907 года Планк написал Эйнштейну, что из сторонников относительности «собирается скромная толпа». А от многих одобрения так и не поступило. Майкельсон, как мы уже говорили, вцепился в эфир. Лоренц, хоть и — вполне взаимно — испытывал уважение к Эйнштейну, тоже не был готов расстаться с эфирной концепцией. А Пуанкаре, так и не постигший теории относительности, противился ей вплоть до своей смерти в 1912 году.

Но пока физическое сообщество не спеша раздумывало над идеями Эйнштейна, он уже принялся за работу над следующей, еще более великой революцией. И эта революция вновь сделает геометрию центром физики — той точкой, от которой она отклонилась после того, как Ньютон ввел уравнения математического анализа. По сравнению с этой первая революция покажется цветочками.

 

Глава 26. Эйнштейново яблоко

Как потом рассказывал сам Эйнштейн, в ноябре 1907 года, он «сидел в кресле в патентном бюро в Берне и вдруг возникла мысль: “если человек свободно падает, он не чувствует собственного веса”».

Не за эти соображения платили Эйнштейну на службе. Его там держали для того, чтобы он отказывал изобретателям вечных двигателей, оценивал идеи по усовершенствованию мышеловок и разоблачал устройства для превращения кизяков в алмазы. Работа временами развлекала и никогда не тяготила чрезмерно. Тем не менее рабочий день был восьмичасовой, а рабочая неделя — шестидневная. Позднее выяснилось, что он частенько притаскивал на работу свои заметки и украдкой возился с ними прямо в конторе, поспешно пряча в стол, если появлялось начальство. Герр Эйнштейн — такой же рохля, как и все мы. Директор бюро был настолько неосведомлен, что, когда в 1909 году Эйнштейн наконец решил уволиться и заняться университетским преподаванием, рассмеялся и решил, что Эйнштейн шутит. Уже было объяснено броуновское движение, придуман фотон и создана специальная теория относительности, и все это — прямо у директора под носом.

«Если человек свободно падает, он не чувствует собственного веса». Позднее Эйнштейн назвал это «счастливейшей мыслью» его жизни. Был ли Эйнштейн печальным одиноким человеком? Вообще-то его личная жизнь — не голливудская сказка. Он женился, развелся, женился повторно и все время относился к брачной жизни отрицательно. От своего первенца он отказался — отдал на усыновление. Его младший ребенок оказался шизофреником и умер в психиатрической больнице. Нацисты гонялись за ним по всему континенту, а на второй родине ему так и не удалось почувствовать себя как дома. Однако мысль, доставившая Эйнштейну столько радости, в любой жизни оказалась бы значимой, имей она одинаковое значение для всех.

Эйнштейн говорил, что это осознание «поразило» его; оно стало откровением, приведшим ученого к его величайшему достижению. Падающий человек Эйнштейна стал эйнштейновым яблоком, семенем, его ростки — новая теория тяготения, новое представление о космологии, новый подход к физической теории вообще. Эйнштейн искал нечто подобное с 1905 года — новый принцип, могущий стать путеводным в поисках лучшей теории относительности. Он понимал, что исходная теория неполна. Даже с учетом всех следствий субъективности пространства и времени, его специальная теория все равно оставалась лишь новой кинетикой. Она описывала, как тела реагируют на воздействие определенных сил, но она их не определяла. Ясное дело, специальная теория относительности задумывалась так, чтобы идеально стыковаться с теорией Максвелла, поэтому загвоздка состояла не в электромагнитных силах. Силы гравитации же — совсем другое дело.

Единственной на 1905 год теорией тяготения оставалась ньютонова. Ньютон был не дурак: он дал такое описание гравитационным силам, чтобы оно увязывалось с его же кинетикой, т. е. с его законами движения. Поскольку специальная теория относительности заменила ньютоновские законы новой кинетикой, неудивительно, что Эйнштейн счел гравитационную теорию Ньютона неподходящей. Вспомним формулировку закона всемирного тяготения:

Сила тяготения между двумя материальными точками в любой момент времени пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними в данный момент времени.

Вот и вся недолга. Этот закон можно перевести на язык математики и производить количественные расчеты. Можно применить методы матанализа и перейти от материальных «точек» к протяженным объектам. А можно воткнуть его в законы движения и получить уравнения, описывающие, как объекты вроде небесных тел движутся под влиянием друг друга. Или, обильно попотев и проявив гениальность, можно приблизительно решить эти уравнения и предсказывать орбиты вновь открытых астероидов — это сделало знаменитым Гаусса: он предсказал орбиту Цереры. Исследование следствий гравитационного закона Ньютона оказалось куда сложнее его исходной формулировки, и физики с легкостью нашли себе работу на тысячи человекочасов.

Этот закон был немил самому открывателю: Ньютон находил мгновенную передачу силового воздействия подозрительной. В теории относительности подозрение переросло в обвинение: ничто не может передаваться быстрее скорости света. Но и это еще не все. Задумаемся над оборотом «в данный момент». В теории относительности, как мы успели заметить, это субъективная категория. Если две массы находятся в движении друг относительно друга, события, кажущиеся одной из этих масс одновременными, другой массой будут восприняты как произошедшие в разное время. Ну и к тому же, как обнаружил Лоренц, они не договорятся ни о показателях масс, ни о значениях расстояний.

Эйнштейн знал, что до совершенства его теории не хватает описания гравитации, не противоречащего специальной теории относительности. Но Эйнштейну не давало покоя еще кое-что. В специальной теории он активно настаивал на принципе, что наблюдатель обязан иметь возможность считать себя покоящимся, не меняя при этом теорий физики — в частности, принципа, что скорость света есть постоянная величина. Это утверждение обязано применяться к любому наблюдателю. Но в специальной теории относительности оно применимо лишь к наблюдателю, находящемуся в равномерном движении.

«Что это за привилегированное состояние такое — равномерное движение?» — может брюзгливо спросить скептик или логик. Отрепетированный ответ таков: состояние движения по прямой с постоянной скоростью. Действительно, из толпы наблюдателей, движущихся по прямой с постоянной скоростью относительно друг друга, получается славный «клуб старых друзей», и его члены могут втихаря договориться о равенстве и мере во всем. Но удастся ли им отбиться от чужака, если тот заявит, что их движение равномерно лишь по отношению друг к другу и только потому, на самом деле, что они меняют направление и скорость движения в унисон?

Вообразим стадион, битком набитый фанатами, прикипевшими к своим сиденьям в угаре и азарте игры. Вот он, символ равномерного движения: состояние диванного овоща (равномерное движение с нулевой скоростью). Теперь представим другого диванного овоща — астронавтку, в часы досуга на космической станции не отлипающую от кресла перед телевизионным монитором. С ее точки зрения целый стадион фанатов вращается с бешеной скоростью вокруг земной оси, и это движение с трудом можно именовать прямолинейным. Какой судья может обжаловать ее заявление о том, что это она покоится, а они — вращаются? Или, если уж на то пошло, заявление какого-нибудь третьего наблюдателя, по чьему мнению и астронавтка, и стадион несутся куда-то как на пожаре, дружно виляя туда и сюда?

Оказывается, есть способ разобраться, что к чему. Для автора этой книги все просто: в состоянии равномерного движения он сидит себе спокойно и размышляет над красотой, с какой законы Ньютона описывают мир вокруг, а если подвергнуть автора избыточным ускорениям, он зеленеет и принимается блевать. Такое явление впервые наблюдалось в «шеви» в начале 1960-х. Воздействие, оказываемое ускорением на человеческое тело, разумеется, сложно, однако физика за ним стоит простая: ускорение не проходит незамеченным. Поставим мысленный эксперимент с участием сына Эйнштейна Ханса Альберта в качестве морской свинки. Хансу Альберту в 1907 году было пять лет — возраст, в котором предельно неравномерное движение все еще видится извращенно притягательным. Теперь представим Ханса Альберта на карусели, а его папу, доктора Эйнштейна, на покоящейся платформе, окружающей карусель.

У Ханса Альберта в кулачке — леденец на палочке. Он выпускает его. Если бы карусель стояла на месте, леденец бы попросту упал вниз. Но она вращается, и леденец улетит вдаль по касательной к той точке, в которой его выпустили из рук. Дети склонны считать себя центром Вселенной. Представим, что на этом же настаивает Ханс Альберт: в обоих случаях покоится именно он. Во втором случае карусель не покажется ему движущейся. Напротив, с его точки зрения, это мир вращается вокруг него. Старшего Эйнштейна во всем этом беспокоило то, что, в отличие от столкновения топора Николая и книги Алексея, в этих двух свидетельских описаниях события вроде бы подчинялись разным законам. Чтобы убедиться в этом, давайте проанализируем, как именно оба наблюдателя воспринимают ситуацию. Эйнштейн-отец строит систему координат с привязкой к Земле. В его системе его положение не меняется, а Ханс Альберт описывает круги с центром в виде оси карусели. Леденец какое-то время будет двигаться вместе с Хансом Альбертом — к этому движению его принудит сжатый кулачок ребенка. В тот миг, когда Ханс Альберт ослабит хватку, леденец продолжит движение в соответствии с законами Ньютона. Это означает, что он покинет круговую орбиту и направится по прямой с той скоростью и в том же направлении, какие у него были в момент расставания с Хансом Альбертом. Ни законы Ньютона, ни специальная теория относительности не нуждаются в коррективах для описания этого происшествия.

Теперь рассмотрим ситуацию с точки зрения Ханса Альберта. Он строит систему координат, привязанную к карусели так, что его положение не меняется. Леденец какое-то время покоится там же, где и Ханс Альберт. Но стоит ему разжать кулачок, как леденец внезапно отправляется в полет. Объекты ни в ньютоновой, ни в эйнштейновой физике так себя не ведут. Похоже, законы этих физик не выполняются. Более того, в своей системе отсчета у Ханса Альберта может возникнуть искушение заменить первый закон на такое утверждение:

Тело в покое склонно оставаться в покое лишь при условии, что ты за него крепко держишься. Если его отпустить, оно улетает без всякой на то видимой причины.

Вращающийся наблюдатель Ханс Альберт, настаивая на своем состоянии покоя, вынужден менять законы физики, чтобы описать движение объектов в своем мире. Видоизменение ньютоновых законов движения (т. е. кинетики) — один способ добиться соответствия. Если бы Хансу Альберту было бы не наплевать на «спасение» законов Ньютона, он мог бы проделать следующее: сохранить формулировки законов, но определить загадочную «силу», что воздействует на все во Вселенной, разбрасывая что ни попадя вокруг карусели. Поскольку — за вычетом того, что эта сила отталкивающая, а не притягивающая, — она смахивает на гравитацию, станем звать ее «фиглитация».

Ньютон знал, что ускоренное движение системы отсчета заставляет объекты перемещаться словно под воздействием таинственных сил вроде фиглитации. Такие вот кажущиеся силы были известны под названием фиктивных, поскольку у них нет физического источника — например, заряда, — и их можно устранить, взглянув на систему в другой системе отсчета — в которой движение равномерно (такая система отсчета называется инерциальной). Отсутствие фиктивных сил в ньютоновой теории предоставляло истинный критерий равномерного движения. Если не возникает никаких фиктивных сил, значит, вы движетесь равномерно. Если возникает — вы ускоряетесь. Такое определение нервировало многих ученых, особенно Эйнштейна. Ладно, положим, в этом смысле равномерное движение вроде бы оказывалось определимо физически. Но как быть в отсутствие фиксированной системы отсчета в абсолютном пространстве? Что, имеет какой-то больший смысл выделять ускоряющиеся системы отсчета супротив покоящихся?

Представим экспериментальный объект в пространстве, лишенном любой материи и энергии. Как в нем различить линейное и круговое движение, если вокруг нет ничего, относительно коего можно оценить движение? Ньютон ответил на этот вопрос исходя из своей веры в абсолютное пространство: даже совершенно пустое, оно наделено фиксированной системой отсчета, относительно которой определяется движение. Бог не жулик, приборы без батареек не всучивает: Вселенную он оборудовал хорошенько — не только Евклидом, но и Декартом. Популярная альтернативная теория того времени — предложение австрийского физика Эрнста Маха: центр масс всей Вселенной — точка, относительно которой оценивается любое движение. Таким образом, грубо говоря, движение, равномерное по отношению к далекой звезде, есть подлинное инерциальное движение. Но у Эйнштейна были на этот счет свои соображения.

С помощью специальной теории относительности Эйнштейну удалось стереть границу между покоем и равномерным движением (с ненулевой скоростью), а также причесать под одну гребенку всех инерциальных наблюдателей. Теперь ему нужно было расширить теорию так, чтобы в нее попали все наблюдатели, включая и тех, что ускоряются относительно инерциальных систем отсчета. Если бы ему это удалось, новой теории уже не потребовались бы ни фиктивные силы для оправдания «неравномерного движения», ни необходимость в поправках к физическим законам движения. Овощи на стадионе, космонавт на Луне, Ханс Альберт на карусели, Альберт-старший на неподвижной платформе — все они смогут применять эту теорию, не раздумывая о том, какова же подлинная инерциальная система отсчета. Был в этом замысле и философский мотив. Эйнштейну не хватало лишь теории. Как же к ней подобраться? Необходим ключевой принцип.

Озарение, посетившее Эйнштейна следом за «счастливейшей мыслью», дало ему именно то, что он искал. «Если человек свободно падает, он не чувствует своего веса». Вот он, первый указатель искомого направления, компас на долгом пути к новой теории. В более широкой формулировке это утверждение стало принципом эквивалентности, или третьей аксиомой Эйнштейна:

Невозможно различить вне сопоставления с другими телами, движется ли данное тело с постоянным ускорением или покоится в равномерном гравитационном поле [244] .

Иными словами, гравитация — фиктивная сила. Как и фиглитацию, ее можно считать всего лишь декоративным элементом выбранной нами системы отсчета и устранить, выбрав другую. Этот принцип применим к равномерному воздействию поля тяготения и это — его простейший вид, в каком сам Эйнштейн впервые помыслил его. Работы Гаусса и Римана позволили Эйнштейну применить этот принцип к любому полю тяготения путем представления неравномерного поля как мозаики бесконечно малых (т. е. вот прямо очень-преочень маленьких) равномерных полей, соединенных вместе, но этого утверждения он не делал еще пять лет, до 1912 года. Вот тогда-то он и сформулировал название «принцип эквивалентности».

Давайте разберемся, что Эйнштейн имел в виду под исходным вариантом равномерного поля. Ньютон в качестве равномерно движущихся систем отсчета представлял корабли, Эйнштейн — поезда, а иногда — лифты. Ньютон, может, вообще иначе смотрел бы на гравитацию, вообрази он лифт, но этот вид транспорта начал приживаться лишь в 1852 году, когда Элиша Грейвз Отис решил небольшую инженерную задачку: как не дать пассажирам шмякнуться и убиться, если кабель оборвется. Представьте: едете вы в лифте и вдруг ощущаете невесомость. Принцип эквивалентности есть простое воплощение этого интуитивного наблюдения: в этих обстоятельствах невозможно определить, оборвался ли кабель или это гравитацию отключили (хотя последнее, конечно, проходит по категории «мечтать не вредно»). Если можно падать свободно в равномерном поле тяготения, законы физики будут теми же, что и в среде без тяготения вообще. Выпустите из рук стакан с кофе, и он поплывет рядом, будь вы хоть в глубоком космосе, хоть в лифте, падающем вам на погибель с девяносто первого этажа.

Теперь предположим, что вы входите в лифт на первом этаже конторского здания. Двери закрываются, а вы зажмуриваетесь. Теперь откройте глаза. Вы чувствуете свой вес. Что за силу, тянущую вниз, вы ощущаете? Может, это земное тяготение, а может, Землю внезапно уничтожили пришельцы и тащат лифт вверх, каждую секунду увеличивая скорость на 32 фута в секунду. Вряд ли это тема для собеседования на открытую вакансию, но согласно принципу эквивалентности эффект в обоих случаях один и тот же. Отпустите кофейный стакан, и он плюхнется на пол одним и тем же манером — оба раза.

Тот факт, что объекты в свободно падающем лифте будут словно бы плавать, а в ускоряющемся лифте в пространстве без гравитации — падать, предсказано законами Ньютона. В этих сценариях новой физики как таковой нету. Но, как обычно, Эйнштейн неутомимо вытрясал из ситуации ее тайны. И тайны эти оказались странными: тяготение должно влиять на ход времени и форму пространства.

Чтобы определить влияние на ход времени, Эйнштейн применил анализ ситуации с лифтом примерно в том же ключе, что и в случае с вагоном метро. Он зафиксировал восприятия различных наблюдателей, обменивающихся световыми сигналами и регистрирующих время получения этих сигналов. Эйнштейн собирался описать физику этой ситуации с помощью специальной теории относительности, но столкнулся с некоторой трудностью. Поскольку наблюдатели двигаются с ускорением, специальная теория на них не распространяется. Тогда он сделал допущение, ставшее впоследствии одной из опорных точек конечной теории: внутри достаточно небольшого объема пространства, краткого промежутка времени и небольшого ускорения — специальная теория относительности по-прежнему приблизительно применима. При таком подходе Эйнштейн смог применить свою теорию и принцип эквивалентности для бесконечно малых областей — даже в неравномерном поле.

Вообразите длинную космическую ракету с Николаем в носовой части и Алексеем в хвостовой. У них идентично настроенные часы. Алексей дает сигнал фонариком каждую секунду по своим часам. Для простоты предположим, что, согласно замерам Алексея и Николая, корабль у нас в одну световую секунду длиной. (В смысле, свет долетит от Алексея к Николаю за одну секунду.) Что наблюдает Николай?

Поскольку Алексей подает сигнал каждую секунду, и каждая вспышка добирается до Николая за одну секунду, через одну секунду Николай будет видеть по вспышке в секунду. Теперь представим, что ракета стартует с постоянным ускорением. Что меняется? Свет от следующей после старта вспышки достигнет Николая быстрее, чем ожидалось, поскольку Николай теперь двигается ему навстречу. Положим, свет доберется до цели на 0,1 секунды раньше положенного. Согласно принципу эквивалентности, Николай и Алексей могут и не считать, что какое-то движение вообще происходит, и счесть ощущение «тяги» за проявление сил гравитации. Но если они не воспринимают ускорение и связывают его с действием поля тяготения, они и движение Николая навстречу вспышке света могут отрицать. Они придут к заключению, что прибытие сигнала на 0,1 секунды раньше связано с ускоряющим действием, оказываемым гравитацией на часы Алексея, и поэтому он дает вспышку на 0,1 секунды раньше условленного срока.

Если, согласно принципу эквивалентности, обе интерпретации допустимы, мы вынуждены заключить, что часы, размещенные в гравитационном поле выше, идут быстрее. Из-за поля тяготения Земли часы Алексея, квартирующего на верхней полке, чуточку спешат по сравнению с часами Николая, обитающего на нижней. Самую малость. Даже в поле тяготения Солнца, которое гораздо мощнее, время на Земле, находящейся в 93 миллионах миль над Солнцем, бежит всего на две миллионных доли быстрее, чем на поверхности Солнца. При таких соотношениях существо на Солнце выигрывает всего примерно одну минуту в год. Вряд ли стоит ради этого терпеть тамошний климат. Такое искажение времени влияет на частоту света, которая есть число колебаний световой волны в секунду. Влияние это не сильное, однако его Эйнштейн предсказывал (оно называется гравитационным красным смещением). Из-за этого вашу любимую радиостанцию, вещающую на частоте 1070 АМ-диапазона (т. е. 1070 кГц), у которой передатчик на 110-м этаже Мирового торгового цент ра, надо ловить на частоте 1070,00000000003. Маньяки качественного звука, берите на карандаш.

Эйнштейн впервые выдвинул соображение, что гравитация влияет на ход времени, в 1907 году. Из специальной теории относительности нам известно, что пространство и время взаимосвязаны. Сколько понадобилось времени техническому эксперту, чтобы осознать: присутствие гравитации меняет и форму пространства? Пять лет. Стоит это запомнить — на случай, когда вдруг проглядите что-нибудь, что впоследствии покажется вам очевидным. Эйнштейн говорил: «Если б мы знали, что именно делаем, это не называлось бы исследованием, правда?»

Эйнштейн совершил логический переход к искривленному пространству летом 1912 года в Праге. Шел шестой год размышлений над созревающей теорией относительности. И опять этот шаг был сделан благодаря озарению. Эйнштейн писал: «Из-за лоренцева сокращения в системе отсчета, вращающейся относительно инерциальной, законы, действующие на твердые тела, не отвечают правилам евклидовой геометрии. Значит, евклидову геометрию нужно отставить…» В переводе: «Когда движешься не по прямой, евликдова геометрия искажается».

Представим Ханса Альберта уже десятилетним, но вновь на карусели. Предположим, его отцу, размещенному на неподвижной платформе, карусель видится идеальным кругом. Что сообщает нам специальная теория относительности о пространстве в заданных условиях? (Как и ранее, этот анализ не вполне строг, поскольку связан с применением специальной теории относительности к неравномерному движению.) Представьте, что в каждый момент времени от местоположения Ханса Альберта мы строим две перпендикулярные оси. Одна ось направлена радиально (вовне от карусели). Это направление действия силы, которую в этот миг ощущает Ханс Альберт. Ханс Альберт в этом направлении вовсе не движется — расстояние между ним и центром карусели неизменно. Другая ось — касательная к карусели. В любой заданный момент она указывает направление движения Ханса Альберта. Она всегда перпендикулярна направлению действия силы, которую чувствует мальчик.

Теперь, положим, отец бросает Хансу Альберту крошечный горизонтальный квадратик, и одна его сторона совпадает с радиусом карусели. Он просит Ханса Альберта пронаблюдать за фигурой и сообщить, какой она формы. Что же нам сообщит Ханс Альберт? То, что отцу представлялось квадратом, для него будет выглядеть как прямоугольник. Таков эффект лоренцева сокращения. Поскольку Ханс Альберт в каждый момент времени движется по касательной и никогда — вдоль радиуса, две стороны квадрата, параллельные касательной, сжимаются, а стороны, параллельные радиусу, — нет. Если бы Ханс Альберт измерил длину окружности и диаметр карусели в терминах этих длин соответственно, он обнаружил бы, что их соотношение не равно π . Пространство Ханса Альберта искривлено. Его отец заключает, что евклидову геометрию необходимо отставить. Остается единственный вопрос: в пользу чего?

 

Глава 27. Вдохновился? Попотей

Ломать — не строить. Эйнштейну для построения новой физики требовалась новая геометрия, которая описывала бы искажение пространства. К счастью, Риман (и несколько его последователей) уже все придумали. К несчастью, Эйнштейн не слыхал о Римане — как, впрочем, и почти все остальные. Зато Эйнштейн еще как слыхал о Гауссе.

Эйнштейн помнил свой студенческий курс по инфинитезимальной геометрии, включавший гауссову теорию поверхностей. Эйнштейн обратился к своему другу Марселю Гроссманну, которому в 1905 году посвятил свою докторскую диссертацию. Гроссманн к тому времени трудился на ниве математики в Цюрихе и специализировался как раз по геометрии. Встретившись с Марселем, Эйнштейн воскликнул: «Гроссманн, ты должен мне помочь, иначе я сойду с ума».

Эйнштейн растолковал свои нужды. Копаясь в литературе, Гроссманн обнаружил работы Римана и других по дифференциальной геометрии. Там все было мудрено. И сложно. Совсем не примитивно. Гроссманн доложил: да, нужная математика уже существует, но в ней «чудовищный беспорядок, с которым физикам не следует возиться». Однако повозиться Эйнштейн пожелал. Он нашел инструменты формулировки своей теории. Но попутно выяснил, что Гроссманн прав.

В октябре 1912 года Эйнштейн написал другому своему другу и коллеге-физику Арнольду Зоммерфельду: «…за всю свою жизнь так тяжко я не работал никогда и пропитался великим уважением к математике… по сравнению с этой задачей исходная теория (специальная теория относительности) — детская забава».

Это приключение заняло еще три года, два из которых Эйнштейн трудился в тесном сотрудничестве с Гроссманном. Студент, на чьих конспектах Эйнштейн проскочил учебные годы, теперь стал его наставником. Планк, узнав о замыслах Эйнштейна, сказал ему: «Как старший товарищ, я должен предостеречь вас: для начала у вас ничего не выйдет; а если и выйдет, вам никто не поверит». Но к 1915 году Эйнштейн вернулся в Берлин — по приглашению самого Планка. С тех пор Гроссманн написал совсем немного исследовательских статей и менее чем через десять лет тяжело заболел рассеянным склерозом. Эйнштейн, постигнув необходимое ему, завершил создание теории без него. 25 ноября 1915 года он представил работу под названием «Уравнения поля тяготения» Прусской научной академии. В ней он объявил: «Наконец общая теория относительности завершена как логическая структура».

Как же общая теория относительности описывает природу пространства? Она показывает, как материя и энергия Вселенной влияют на расстояния между ее точками. Пространство, рассматриваемое как множество, есть попросту собрание некоторых элементов — точек. Структура пространства, которую мы называем геометрией, возникает из соотношений между точками, и эти соотношения именуются расстояниями. Привнесенная структура соотносится с исходной так же, как, скажем, телефонная книга со списком домов и карта, определяющая их пространственные связи. Занимаясь картографированием Германии, Гаусс обнаружил, что, определив расстояние между парой точек, можно установить геометрию пространства, а Риман привнес в это наблюдение детали, необходимые Эйнштейну для формулировки его физики в геометрических терминах.

В сухом остатке все сводится к спору двух наших старых друзей — Пифагора и Непифагора. Вспомним, что в евклидовом мире можно померить расстояние между любыми двумя точками, применив теорему Пифагора. Мы попросту накладываем прямоугольную координатную сетку. Назовем координатные оси «восток — запад» и «север — юг». Согласно теореме Пифагора, квадрат расстояния между двумя точками равен сумме квадратов разницы между их положениями относительно оси восток — запад и север — юг.

Как установила Неевклида, в искривленном пространстве это соотношение недействительно. Пифагорову формулу необходимо заменить новой — непифагоровой. В непифагоровой формуле для вычисления расстояний значения разницы вдоль оси север — юг и вдоль оси восток — запад не обязательно считаются одинаково. Более того, возможно, появится и еще одно значение — продукт разнесенности север/юг и восток — запад. Математически говоря, получается: (расстояние)² = g₁₁ х (разнесенность восток — запад)² + g₂₂ х (разнесенность север — юг)² + g₁₂ x (разнесенность восток — запад) х (разнесенность север — юг). Числа, обозначенные через g, называются метрикой пространства (а сами факторы g называются компонентами метрики). Поскольку метрика определяет расстояние между двумя точками, она, геометрически говоря, полностью характеризует пространство. Для евклидовой плоскости и прямоугольных координат компоненты метрики попросту g₁₁ = g₂₂ = 1, а g₁₂ = 0. В этом случае формула Непифагора превращается в обычную пифагорову. В других типах пространства компоненты не так просты, и их значения могут варьировать в зависимости от вашего местоположения. В общей теории относительности эти представления обобщены для трех пространственных измерений и, как и в специальной теории, включают время как четвертое измерение (в четырехмерном пространстве метрика имеет десять независимых компонентов).

Работа Эйнштейна 1915 года предъявляла уравнение, описывающее распределение материи в пространстве (и времени) в связи с метрикой четырехмерного пространства-времени. Поскольку метрика определяет геометрию, уравнения Эйнштейна определяют форму пространства-времени. В теории Эйнштейна масса не производит гравитационного воздействия, а меняет пространство-время.

Хотя пространство и время взаимосвязаны, однако, если ограничиться определенными обстоятельствами, как то: малыми скоростями и слабой гравитацией, — пространство и время можно рассматривать более-менее порознь. В таком случае допустимо говорить об одном лишь пространстве и о его кривизне. Согласно теории Эйнштейна, искривление области пространства (усредненное во всех направлениях) определяется массой в этой области.

Как мы уже убедились, искривление отражено в отношении площади круга к его радиусу или объему сферы с таким радиусом. Уравнения Эйнштейна утверждают, что при заданной сферической области пространства с равномерно распределенной в ней материей, измеряемый радиус этой сферы будет меньше ожидаемого (с учетом ее объема) пропорционально значению массы внутри нее. Постоянная в этой пропорции чрезвычайно мала: на каждый грамм массы радиус уменьшается всего на 2,5 х 10–29 сантиметра, т. е. 0,000000000000000000000000000025 см. Для нашей планеты, с допущением равномерности ее плотности, разница в радиусах — 1,5 миллиметра. Для Солнца — полкилометра.

Проявления кривизны пространства-времени на Земле минимальны и лишь недавно получили практическое применение (системы спутниковой навигации, к примеру, чтобы сохранялась синхронизация, требуют релятивистских поправок настройки). Эйнштейн на протяжении многих лет и не предполагал, что изгибание света под действием сил тяготения вообще можно как-то измерить. Но вот наконец решил взглянуть в небо. Эксперимент принципиально прост: дождитесь следующего солнечного затмения и в том месте и в то время, где и когда затмение наблюдается, измерьте положение какой-нибудь звезды, что проявится рядом с Солнцем в процессе затмения (из-за этого затмение и нужно: если Солнце ничто не загораживает, звезду никак не увидать); далее найдите данные о положении этой звезды, скажем, полугодичной давности, когда свет ее достигал ваших глаз, не касаясь нашей родной звезды. Во время затмения проверьте, возникает ли эта звезда там, где «должна», — или слегка «в стороне».

«Слегка» в данном случае — и впрямь слегка: всего 1 3/4 угловой секунды, или 0,00049°. Сам Ньютон мог бы открыть это явление, хотя его теория предсказывала иное отклонение. К 1915 году Эйнштейн уже сформулировал свои уравнения поля и сделал наилучшее свое предсказание. Первая подлинная проверка общей теории относительности заключалась, таким образом, не в удостоверении изгибания света, а в том, насколько именно он изгибается. Уверенности Эйнштейну хватало.

 

Глава 28. Торжество синевласых

Для наблюдения за солнечным затмением 29 мая 1919 года были отправлены две британские экспедиции. Артур Стэнли Эддингтон вел в бразильский Собраль ту, которая добилась успеха. Эддингтон писал перед своим отъездом: «Нынешние экспедиции к месту затмения могут впервые выявить вес света; или же им удастся подтвердить странную теорию Эйнштейна о неевклидовом пространстве; или же они приведут к еще более далеко идущим последствиям — что нет никакого отклонения». На анализ полученных данных ушло много месяцев. Наконец, 6 ноября, результаты были объявлены на общем собрании Королевского научного и Королевского астрономического обществ. «Нью-Йорк Таймс», до сих пор ни разу не помянувшая Эйнштейна, учуяла, что этой-то новости найдется место на ее страницах. Хотя, похоже, газета все равно неверно оценила важность этой новости: отправила обозревателем своего корреспондента по гольфу, Генри Крауча. Крауч даже на собрание не явился, однако с Эддингтоном все же поговорил.

На следующий день передовица лондонской «Таймс» гласила: «РЕВОЛЮЦИЯ В НАУКЕ», а ниже, помельче, «Новая теория Вселенной» и «Ньютоновским идеям конец». Отчет в «Нью-Йорк Таймс» вышел тремя днями позже, с заголовком «ТЕОРИЯ ЭЙНШТЕЙНА ТОРЖЕСТВУЕТ». Статья в «Нью-Йорк Таймс» воспевала Эйнштейна, одновременно выражая сомнение, не оптическая ли иллюзия этот эффект, и не спер ли Эйнштейн идею из романа Уэллса «Машина времени». Возраст Эйнштейна они переврали, сообщив, что ему «около пятидесяти», а ему было тогда сорок, зато фамилию напечатали правильно. Эйнштейн мгновенно стал мировой знаменитостью, а для многих — сверхъестественным гением. Одна восторженная школьница написала ему письмо с вопросом, существует ли он на самом деле. Всего за год о теории относительности было написано более сотни книг. Лекционные залы по всему миру ломились от желающих услышать популярное изложение теории. «Сайнтифик Америкэн» объявил награду в 5000 долларов за лучшее толкование длиной до 3000 слов. (Эйнштейн отмечал, что лишь он один среди всех его друзей не участвовал в этом конкурсе.)

Несмотря на преклонение широкой публики, некоторые коллеги взялись нападать на Эйнштейна. Майкельсон, глава физического факультета Университета Чикаго, принял наблюдения Эддингтона, но отказался соглашаться с теорией. Коллега Майкельсона с факультета астрономии говорил: «Теория Эйнштейна — заблуждение. Теорию, согласно которой “эфира” не существует и в которой гравитация — не сила, а свойство пространства, можно считать исключительно безумной выходкой, позором века». Никола Тесла также насмехался над Эйнштейном — но он, как выяснилось, и круглых предметов боялся.

Недавно за ужином Алексей высказал свое свежее художественное устремление: он желает покрасить волосы в синий. На дворе XXI век, дети уже красят волосы в синий никак не меньше пары десятилетий. Правда, девятилетних по-прежнему среди них немного. В следующий понедельник Алексей стал первым в своей школе, у кого волосы совпадали по цвету с чернилами. А Николай, четырехлетнее эхо старшего брата, устроил у себя на голове взрыв лаймово-зеленого.

Реакция школы оказалась довольно предсказуемой. Несколько детишек продемонстрировали интеллектуальные глубины и высоты сознания и объявили этот стиль крутым (в основном — друзья Алексея). Многие прочие дети не смогли смириться с таким отрывом от традиции и принялись обзывать Николая «черникой». Учитель потаращился, но от комментариев воздержался.

Физика во многом смахивает на четвертый класс школы. Физикам начала XX века неевклидово пространство виделось маргинальной областью науки. Любопытно, однако не слишком-то в основном русле, как и синие волосы. И тут является такой Эйнштейн и заявляет, что синие волосы у нас теперь — писк моды. Сопротивление в его случае длилось несколько десятилетий, но постепенно иссякло — старое поколение отмерло, а новое приняло те воззрения, в которых было более всего смысла; и уж во всяком случае не присутствовало твердое вещество под названием «эфир», пронизывающее все пространство.

Последний всплеск антирелятивизма случился в Германии — родине самых первых сторонников теории. Тогда в стране шли полевые учения у антисемитов. Нобелевский призер 1905 года Филипп Ленард и Нобелевский лауреат 1919 года Йоханнес Старк поддерживали тех, кто считал теорию относительности заговором евреев по захвату мира. В 1933 году Ленард писал: «Важнейший пример опасного влияния еврейских кругов на науку — Эйнштейн с этими его корявыми математическими теориями…» В 1931 году в Германии появилась брошюра «Сто авторов против Эйнштейна». В полном соответствии с математической развитостью группы авторов в брошюре участвовало 120 оппонентов. Мало кто из них оказался знаменитым физиком.

Старинные союзники Эйнштейна — Планк и фон Лауэ — не побежали за всеми с корабля, ввиду чего Старк напал на них в своей речи на торжестве открытия института имени Ленарда:

…к сожалению, его [266] друзья и сторонники по-прежнему имеют возможность продолжать свою работу в его духе. Их главный покровитель Планк все также возглавляет Общество кайзера Вильгельма, его переводчик и друг герр фон Лауэ все еще допущен изображать советника по физике в Академии наук в Берлине, а этот теоретический формалист Гейзенберг, который с Эйнштейном два сапога пара, даже имеет университетскую должность [267] .

Гейзенберг воздал нацистам за доброту, возглавив их усилия по разработке атомной бомбы. По счастью, теорию относительности он знал не так глубоко, и поэтому нацистов обставили американские гении — итальянец Энрико Ферми, венгр Эдвард Теллер и немец Виктор Вайсскопф. Эйнштейн держался в стороне от заварухи, не отвечая ни серьезным оппонентам, ни психам.

Эйнштейн уехал на два месяца в Пасадину — в Калифорнийский технологический институт, а рейхспрезидент фон Гинденбург тем временем назначил Гитлера своим канцлером. Штурмовики вскоре совершили налет на берлинскую квартиру Эйнштейна и его летнюю дачу. 1 апреля 1933 года нацисты захватили его собственность и предложили награду за его поимку как врага государства. В тот момент Эйнштейн путешествовал по Европе и попросил убежища в США — в новом Принстонском институте перспективных исследований. Судя по всему, решающим фактором в выборе между Принстоном и Калтехом стало согласие принять и его ассистента — Вальтера Майера. Эйнштейн прибыл в Нью-Йорк 7 октября 1933 года.

Эйнштейн провел свои поздние годы в попытке создать объединенную теорию всех сил. Для этого он вынужден был состыковать общую теорию относительности с электромагнитной теорией Максвелла и с теориями сильных и слабых ядерных взаимодействий, а также, что важнее всего, с квантовой механикой. Мало кто из физиков верил в подобную унификацию. Знаменитый австро-американский физик Вольфганг Паули отмахнулся от нее со словами: «То, что Бог разъял на части, никому не свести воедино». Эйнштейн же говорил так: «Ко мне в основном относятся как к окаменелости, ослепшей и оглохшей от бремени лет. Не то чтобы мне такая роль была отвратительна, поскольку она вполне соотносится с моим темпераментом». Нам еще предстоит убедиться, что Эйнштейн был на верном пути, но на много десятилетий обогнал свое время.

В 1955 году Эйнштейну поставили диагноз — аневризма аорты полости живота. Разрыв аневризмы причинил ему много боли и вызвал большую потерю крови. Глава хирургического отделения Нью-йоркской больницы обследовал ученого прямо в Принстоне и заключил, что операция возможна, однако Эйнштейн ответил: «Я не верю в искусственное продление жизни». Ханс Альберт, к тому времени — известный профессор гражданского строительства в Университете Калифорнии, — прилетел из Беркли и попытался переубедить отца. Но Эйнштейн умер ночью, в 1: 15 18 апреля 1955 года. Ему было семьдесят шесть лет. Ханс Альберт скончался от инфаркта восемнадцать лет спустя, в 1973-м.

Оглядываясь на сопротивление и вражду, какие ему пришлось пережить, на трепет и преклонение, которые он вызывал к себе, можно суммировать вклад Эйнштейна в геометрию его же прозаическими словами. О своей революционной работе он писал: «Когда слепой жук ползет по поверхности шара, он не сознает, что его путь искривлен. Мне повезло это заметить».