Часть III. На заре нового века

Физика – это способ атомов думать об атомах.

Неизвестный автор

Глава 8. Вселенная Эйнштейна

По мере того как XIX век подходил к концу, ученые могли все более удовлетворенно думать о том, что они разгадали большинство тайн физического мира – назвать хотя бы электричество, магнетизм, газы, оптику, акустику, кинетику и статистическую механику, – все это выстроилось перед ними в образцовом порядке. Ученые открыли рентгеновские и катодные лучи, электрон и радиоактивность, придумали ом, ватт, кельвин, джоуль, ампер и крошечный эрг^[117].

Если что-то можно колебать, ускорять, возмущать, дистиллировать, соединять, взвешивать или превращать в газ, то всего этого они достигли и попутно произвели на свет массу универсальных законов, таких весомых и величественных, что их так и хочется писать с заглавных букв^[118]. Электромагнитная полевая теория света, Закон эквивалентов Рихтера, Закон Шарля для идеального газа, Закон сообщающихся сосудов, Нулевое Начало Термодинамики, Концепция валентности, законы Действующих масс и бесчисленное множество других. Во всем мире лязгали и пыхтели машины и орудия, плоды изобретательности ученых. Многие умные люди считали тогда, что науке уже почти нечего больше делать.

Когда в 1875 году молодой немец из Киля Макс Планк решал, посвятить ли себя математике или физике, его горячо убеждали не браться за физику, потому что в этой области все решающие открытия уже сделаны. Предстоящее столетие, заверяли его, будет веком закрепления и совершенствования достигнутого, а никак не революций. Планк не послушал. Он взялся за изучение теоретической физики и целиком отдался работе над понятием энтропии, концепцией, лежащей в самой основе термодинамики, которая представлялась весьма многообещающей честолюбивому молодому ученому^[119]. В 1891 году он представил результаты своих трудов и, к своему крайнему замешательству, узнал, что вся важная работа по энтропии фактически уже была сделана скромным ученым из Йельского университета по имени Дж. Уиллард Гиббс.

Гиббс, пожалуй, самая блестящая личность из тех, о ком большинство людей никогда не слышали. Застенчивый, почти незаметный, он, по существу, прожил всю жизнь, за исключением трех лет учебы в Европе, в пределах трех кварталов, ограниченных его домом и территорией Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут. Первые десять лет работы в Йеле он даже не позаботился о получении жалованья. (У него был независимый источник доходов.) С 1871 года, когда он занял в университете должность профессора, и до смерти в 1903 году его курс привлекал в среднем чуть больше одного студента в семестр. Написанная им книга была трудна для понимания, а используемые им собственные обозначения многие считали непонятными. Но в этих его непонятных формулировках скрывались поразительно яркие догадки.

В 1875–1878 годах Гиббс выпустил серию работ под общим названием «О равновесии гетерогенных субстанций», где блестяще излагались принципы термодинамики, можно сказать, почти всего – «газов, смесей, поверхностей, твердых тел, фазовых переходов… химических реакций, электрохимических ячеек, осмоса и выпадения в осадок», – перечисляет Уильям Кроппер^[120]. По сути, Гиббс показал, что термодинамика имеет отношение к теплу и энергии не только в масштабах больших и шумных паровых машин, но также оказывает существенное влияние на атомарном уровне химических реакций. «Равновесие» Гиббса назвали «Началами термодинамики»^[121], однако по не поддающимся объяснению соображениям Гиббс предпочел опубликовать сыгравшие такую важную роль результаты своих исследований в «Трудах Коннектикутской Академии искусств и наук» – журнале, которому удавалось быть почти неизвестным даже в Коннектикуте, потому-то Планк и узнал о Гиббсе, когда было уже поздно.

Не утратив присутствия духа – но, скажем, слегка обескураженный, – Планк обратился к другим предметам^[122]. Мы вскоре вернемся к ним, но сначала ненадолго (но по делу!) заглянем в Кливленд, штат Огайо, в учреждение, называвшееся тогда Школой прикладных наук Кейза. Там в 1880-х годах сравнительно молодой физик Альберт Майкельсон и помогавший ему приятель-химик Эдвард Морли предприняли серию экспериментов, получив любопытные и вызвавшие озабоченность результаты, которые окажут огромное влияние на последующее развитие событий.

По существу, Майкельсон и Морли непреднамеренно подорвали давно сложившуюся веру в существование некой субстанции, называемой светоносным эфиром, – стабильной, невидимой, невесо мой, неощутимой и, к сожалению, всецело воображаемой среды, которая, как считалось, пропитывает всю Вселенную. Порожденный Декартом, с готовностью принятый Ньютоном и почитаемый с тех пор почти всеми эфир занимал самое центральное место в физике XIX века, позволяя объяснить, как свет перемещается сквозь пустоту пространства. В нем особенно нуждались, потому что свет стали рассматривать как электромагнитные волны, то есть своего рода вибрации. А вибрации должны происходить в чем-то; отсюда потребность в эфире и долгая к нему приверженность. Еще в 1909 году выдающийся английский физик Дж. Дж. Томсон^[123] категорически утверждал: «Эфир – это не порождение фантазии спекулятивного философа; он так же необходим нам, как необходим воздух, которым мы дышим». И это спустя более чем четыре года после того, как было совершенно неоспоримо доказано, что его не существует. Словом, люди очень сильно привязались к эфиру.

Если бы вам потребовалось проиллюстрировать представление об Америке XIX века как о стране открытых возможностей, вряд ли вы нашли бы лучший пример, нежели карьера Альберта Майкельсона. Он родился в 1852 году на польско-германской границе в семье бедных еврейских торговцев, в раннем детстве переехал с семьей в Соединенные Штаты и вырос в Калифорнии, в лагере на приисках во время «золотой лихорадки», где его отец торговал одеждой. Не имея возможности по бедности платить за учебу в колледже, Альберт отправился в Вашингтон, округ Колумбия, и стал околачиваться у дверей Белого дома, чтобы во время ежедневного президентского моциона попадаться на глаза Улиссу С. Гранту. (То был куда более наивный век.) В ходе этих прогулок Майкельсон настолько снискал расположение президента, что тот согласился предоставить ему бесплатное место в Военно-морской академии США. Именно там Майкельсон освоил физику.

Десять лет спустя, уже будучи профессором в кливлендской Школе прикладных наук, Майкельсон заинтересовался возможностью измерить движение эфира – нечто вроде встречного ветра, который испытывают объекты, прокладывающие себе путь сквозь пространство. Одно из предсказаний ньютоновской физики заключалось в том, что скорость света, движущегося в эфире, должна меняться в зависимости от того, приближается наблюдатель к источнику света или удаляется от него, но никто еще не придумал способа измерить это. Майкельсону пришло в голову, что за полгода направление движения Земли вокруг Солнца меняется на противоположное. Поэтому, если выполнить тщательные измерения при помощи очень точного прибора и сравнить скорость движения света в противоположные времена года, то можно получить ответ.

Майкельсон уговорил недавно разбогатевшего изобретателя телефона Александра Грэма Белла предоставить средства на создание оригинального и точного прибора собственной конструкции, названного интерферометром, который мог с большой точностью измерять скорость света. Затем с помощью талантливого, но державшегося в тени Морли Майкельсон принялся за многолетние скрупулезные измерения. Работа была тонкой и изнурительной и на время приостанавливалась из-за серьезного нервного переутомления ученого, но к 1887 году были получены результаты. Они оказались совсем не такими, каких ожидали двое экспериментаторов.

Как написал астрофизик из Калифорнийского технологического института Кип Торн^[124]: «Скорость света оказалась одинаковой во всех направлениях и во все времена года». Это был первый за двести лет – действительно ровно за двести лет – намек на то, что законы Ньютона, возможно, применимы не всегда и не везде. Результат опыта Майкельсона – Морли стал, по словам Уильяма Кроппера, «возможно, самым известным отрицательным результатом за всю историю физики». За эту работу Майкельсон удостоился Нобелевской премии по физике – причем он стал первым американцем, удостоенным этой награды, – правда, спустя двадцать лет. А до того опыты Майкельсона – Морли неприятно, словно дурной запах, витали на задворках научной мысли.

Удивительно, что, несмотря на свои открытия, Майкельсон на заре XX века причислял себя к тем, кто считал, что здание науки почти закончено и остается, по словам одного из авторов журнала Nature, «добавить лишь несколько башенок и шпилей да вырезать несколько украшений на крыше».

На деле же, разумеется, мир должен был вот-вот вступить в век такой науки, в которой многие люди вообще ничего не поймут и никто не будет в состоянии охватить все. Ученые вскоре обнаружат, что запутались в беспорядочном царстве частиц и античастиц, где вещи возникают и исчезают за отрезки времени, в сравнении с которыми наносекунды кажутся излишне затянутыми и бедными на события, где все незнакомо. Наука перемещалась из мира макрофизики, где предметы можно увидеть, подержать, измерить, в мир микрофизики, в котором явления происходят с непостижимой быстротой и в масштабах, не поддающихся воображению. Мы должны были вот-вот вступить в квантовый век, и первым, кто толкнул дверь, был до тех пор неудачливый Макс Планк.

В 1900 году, в зрелом возрасте сорока двух лет, теперь уже физик-теоретик в Берлинском университете, Планк обнародовал новую «квантовую теорию», утверждавшую, что энергия не непрерывный поток вроде текущей воды, а поступает обособленными частями, которые он назвал квантами. Это была действительно новая концепция, к тому же очень удачная. Вскоре она поможет решить загадку экспериментов Майкельсона – Морли, поскольку покажет, что свету вообще-то не обязательно быть волной. А в более отдаленной перспективе она станет фундаментом всей современной физики. Во всяком случае, это был первый сигнал, что мир скоро изменится.

Но поворотным пунктом – зарей нового века – стал 1905 год, когда в немецком физическом журнале Annalen der Physik появился ряд статей молодого швейцарского чиновника, не связанного с университетами, не имевшего доступа к лабораториям и не являвшегося постоянным читателем библиотек крупнее национального патентного бюро в Берне, где он работал техническим экспертом третьего класса. (Незадолго до этого заявление о повышении в должности до второго класса было отклонено.)

Его звали Альберт Эйнштейн, и за один этот богатый событиями год он представил в Annalen der Physik пять работ, из них три, по словам Ч. П. Сноу, «относились к числу величайших трудов в истории физики» – в одной посредством новой квантовой теории Планка исследовался фотоэлектрический эффект, другая была посвящена поведению мелких частиц во взвешенном состоянии (известному как броуновское движение), и еще в одной излагались основы специальной теории относительности.

В первой, за которую ее автор удостоился Нобелевской премии, объяснялась природа света (что, среди прочего, способствовало появлению телевидения)^[125]. Вторая содержала доказательство того, что атомы действительно существуют – факт, который, как ни странно, продолжал тогда оспариваться. А третья просто изменила мир.

Эйнштейн родился в 1879 году в Ульме, на юге Германии, но вырос в Мюнхене. В ранний период жизни мало что говорило о грядущих масштабах его личности. В 1890-х годах электротехнический бизнес отца стал приходить в упадок, и семья переехала в Милан, но Альберт, к тому времени уже подросток, уехал в Швейцарию продолжать образование – хотя с первой попытки не смог сдать вступительный экзамен. В 1896 году, чтобы избежать призыва в армию, он отказался от немецкого гражданства и поступил в Цюрихский политехнический институт на четырехгодичный курс, выпускавший преподавателей естественных наук для средних школ. Он был способным, но не особо выдающимся студентом.

В 1900 году он окончил институт и через несколько месяцев стал публиковаться в Annalen der Physik. Самая первая его работа о физике жидкостей в соломинках для питья (надо же!) появилась в одном номере с работой Планка о квантовой теории. С 1902 по 1904 год он опубликовал ряд работ по статистической механике, только потом узнав, что в Коннектикуте скромный плодовитый Дж. Уиллард Гиббс проделал то же самое в 1901 году, опубликовав результаты в своих «Элементарных основах статистической механики».

Альберт полюбил венгерскую студентку-однокурсницу Милеву Марич. В 1901 году у них родился внебрачный ребенок, дочь, которую они потихоньку отдали на удочерение. Эйнштейн своего ребенка никогда не видел^[126]. Два года спустя они с Милевой поженились.

Между двумя этими событиями Эйнштейн поступил на работу в швейцарское патентное бюро, где проработал следующие семь лет. Работа ему нравилась: она была достаточно интересной, чтобы дать работу уму, но не настолько напряженной, чтобы помешать занятиям физикой. Вот в таких условиях он в 1905 году и создал специальную теорию относительности.

«К электродинамике движущихся тел» – одна из самых удивительных научных публикаций, когда-либо выходивших в свет, как по изложению, так и по содержанию. В ней не было ссылок или сносок, почти никаких математических выкладок^[127], не было и упоминаний о предшествующих или оказавших влияние работах и говорилось лишь о помощи одного человека – коллеги по патентному бюро Мишеля Бессо. Выходило, писал Ч. П. Сноу^[128], что «Эйнштейн пришел к этим умозаключениям лишь благодаря отвлеченным размышлениям, без посторонней помощи, не слушая мнений других. Удивительно, но в значительной мере именно так оно и было».

Его знаменитое уравнение Е = mс² в данной работе отсутствовало, но появилось в кратком дополнении несколько месяцев спустя. Как вы, возможно, помните со школьных времен, Е в уравнении означает энергию, m – массу, а с² – квадрат скорости света.

В самых простых словах это уравнение означает, что масса и энергия обладают эквивалентностью. Это две формы одной вещи: энергия – это освобожденная материя; материя – это энергия, ожидающая своего часа. Поскольку с² (скорость света, умноженная сама на себя) – это на самом деле громадное число, формула показывает, что в любом материальном предмете связано чудовищное – действительно чудовищное – количество энергии^[129].

Вы можете не считать себя дюжим малым, но если вы просто взрослый человек обычной комплекции, то внутри вашей ничем не приметной фигуры будет заключено не менее 7 × 10¹⁸ джоулей энергии. Этого достаточно, чтобы взорваться с силой тридцати очень больших водородных бомб, при условии, что вы знаете, как освобо дить эту энергию и действительно захотите это сделать. Во всем, что нас окружает, заключена такого рода энергия. Мы просто не очень сильны в деле ее высвобождения. Даже водородная бомба – самая энергичная штука, какую мы сумели на сегодня создать, – освобождает менее 1 процента энергии, которую она могла бы выделить, будь мы более умелыми.

Среди множества других вещей теория Эйнштейна объясняла механизм радиоактивности: как кусок урана может непрерывно испускать высокоэнергичные лучи и не таять от этого подобно кубику льда. (Это возможно благодаря высочайшей эффективности превращения массы в энергию в соответствии с формулой Е = тс².) Этим же объяснялось, каким образом звезды могут гореть миллиарды лет, не исчерпывая свое топливо. Одним росчерком пера, простой формулой Эйнштейн одарил геологов и астрономов роскошью оперировать миллиардами лет. Но самое главное – специальная теория относительности показала, что скорость света является постоянной и предельной. Ничто не может ее превысить. Теория относительности помогла нам увидеть свет (это не каламбур) в роли самого центрального понятия в наших представлениях о природе Вселенной. И, что также далеко не случайно, она решала проблему светоносного эфира, окончательно проясняя, что его не существует. Эйнштейн дал нам Вселенную, которая в нем не нуждалась.

Физики обычно не склонны уделять излишнее внимание утверждениям служащих швейцарского патентного бюро, поэтому, несмотря на обилие содержащихся в них полезных новшеств, статьи Эйнштейна мало кто заметил. Решив несколько величайших загадок Вселенной, Эйнштейн попробовал устроиться лектором в университет, но получил отказ, затем хотел стать учителем в средней школе, но и здесь ему было отказано. Так что он вернулся на свое место технического эксперта третьего класса – но, разумеется, продолжал думать. Конца еще даже не было видно.

* * *

Когда поэт Поль Валери^[130] спросил однажды Эйнштейна, есть ли у него записная книжка, где он записывает свои идеи, Эйнштейн поглядел на него с неподдельным удивлением. «О, в этом нет необходимости, – ответил он. – Они не так уж часто у меня появляются». Вряд ли стоит говорить, что когда они у него появлялись, то, как правило, были хороши. Следующая идея Эйнштейна была величайшей среди когда-либо приходивших кому-то в голову – поистине величайшей из великих, как отмечают Бурс, Мотц и Уивер в своей объемистой истории атомной физики. «Как порождение одного ума, – писали они, – это, несомненно, высшее интеллектуальное достижение человечества»^[131]. И это вполне заслуженная похвала.

Иногда пишут, что где-то около 1907 года Альберт Эйнштейн увидел, как с крыши свалился рабочий, и стал размышлять о проблеме гравитации. Увы, подобно многим забавным историям эта тоже представляется сомнительной. По словам самого Эйнштейна, он задумался о проблеме гравитации, просто сидя в кресле.

На самом деле то, до чего додумался Эйнштейн, было чем-то большим, нежели началом решения проблемы гравитации, поскольку ему с самого начала было очевидно, что гравитация – это единственное, что отсутствует в его специальной теории. «Специальным» в этой теории было то, что она имела дело в основном с предметами, движущимися свободно^[132]