В 1632 году во Флоренции Галилей заявил, что «движение — ничто». Он проложил дорогу теории относительности. Ньютон родился в тот день, когда Галилей испустил дух, — в 1642-м[25]. С 1660 по 1670 год Ньютон продолжит галилеевскую революцию. Он перевернет физические понятия о силе и движении. Из этих трудов родится концепция Солнечной системы.
Любой, замахнувшийся на понятия времени, пространства, движения, вступает в святая святых научных исследований. Он обязан склонить голову перед статуей сэра Исаака. Законы Ньютона, сформулированные в XVII веке, записаны в «Математических началах натуральной философии». Эти «Начала», опубликованные в 1687 году, и два с половиной столетия спустя считались скрижалями Завета. Этим законам повиновались движение планет, орбита Земли, приливы и отливы, движение Луны и Юпитера. Они представляли собой единственно возможную теорию гравитации. Они охватывали все области физики, от классической механики до оптики.
Они также давали и единственно возможное определение света, вычисления его скорости, его состава. Они доступно объясняли распространение солнечных лучей, блистание молний, рокот грома. Они ворочали электромагнитными явлениями. Они давали единственно дозволенное представление о космосе.
Физика Ньютона образовывала единое целое, лежавшее в основе человеческих знаний о мире.
И вот на это стройное здание покусился Эйнштейн. Поколебал и опрокинул его основы. И на его развалинах выстроил современную физику. Итак, молодой человек двадцати пяти лет в одиночку, вне всякой университетской структуры, в глухом швейцарском кантоне построит новую теорию гравитации, которая перевернет представления о мире.
Чтобы прийти к этому, Альберт разобрал по косточкам основополагающие законы Ньютона, призванные дать объяснение земному притяжению и движению:
• Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.
• Два тела, каковы бы ни были их природа и их положение, притягивают друг друга с силой, зависящей от их массы и расстояния между ними.
• Время абсолютно независимо от движения. Неважно, находятся ли часы в покое или на поезде, несущемся с предельной скоростью: сутки спустя они будут показывать то же время. Время одинаково повсюду в пространстве.
• Два события, происходящие в одну и ту же секунду, каково бы ни было расстояние между ними, происходят одновременно.
• Пространство абсолютно и бесконечно. Только в таком пространстве можно определять положение предмета, направление движения. Пространство трехмерно. Его природа выражена в геометрии Евклида. Эта природа проста и неприкосновенна: пространство имеет длину, ширину и высоту.
• Свет состоит из пучка частиц, который перемещается внутри неопределенной материи, называемой эфиром — нечто вроде невидимого тумана, нематериального флюида, заполняющего небесный вакуум.
Эйнштейн читал и перечитывал эти строчки, перепроверял формулы, листал страницы, комкал их, рвал. Он заинтересовался работами, вытекающими из этой теории. Электромагнетизмом и электродвигателем, разработанным Фарадеем[26] в 1820 году, работами Герца 1880-х годов, волнами и скоростью электронов. Эти труды должны были дать окончательные ответы на вопросы о системе мироздания. Ни один не удовлетворил его совершенно. Ни один не дал ответа на все его вопросы. Эйнштейн жадно разгрыз яблоко Ньютона, но остался голодным.
Тот же подход, то же стремление обрести уверенность, даже сила убеждения заставили его отступиться от веры 15 лет тому назад, не отрекшись от своих корней. Библия не утоляла его жажды подлинности. Он не верил в Откровение. Он хотел ответов. Простых ответов на якобы неразрешимые вопросы.
Вопрос о составе света и его распространении поверг его в замешательство. Что это за эфир, которого никто никогда не видел, существование которого никто не сумел доказать, который бросает вызов законам физики и кажется упрощенным ответом на неразрешимый вопрос? Эфир! Эфир — изобретение ленивого физика. Эфир оставляет в состоянии неопределенности. Свет, частицы света распространяются благодаря некоему флюиду? Но какова природа света? Почему это не волны, как звук? Свет — материя, говорит Ньютон. Каков вес световых частиц, их заряд, их сила притяжения? Как воздействует земное притяжение на распространение света? Каково отношение между гравитацией и светом? Закон всемирного тяготения не отвечает на этот вопрос. Ньютон тоже! Как не отвечает он и на вопрос о скорости распространения света, будь то свет от солнца или от электрической лампочки. Свет и его скорость: Эйнштейн чувствует, что этот вопрос станет озарением для современной физики.
Озарение гения.
А ведь профессор Вебер советовал ему придерживаться ньютоновской библии. Его манит запретный плод. Для Эйнштейна нет ничего святого. Вместо того чтобы почитать священное писание классической физики, он погрузился в труды иконоборцев. Изучил опыты Михельсона[27] по определению скорости двух лучей света из разных пучков, зарождающие сомнения в общепринятых истинах. Прочел и перечел «Науку и гипотезу»[28] французского физика Анри Пуанкаре. Тот испытывал те же сомнения, что и Эйнштейн, приводя наброски ответов на вопрос о пространстве и времени. Книга Пуанкаре, вышедшая в 1902 году, не выходила за рамки дозволенного. Он (пока еще) не освободился от оков евклидовой геометрии. Эйнштейн нашел брата по оружию, но тот еще не был достаточно бесстрашен. Хендрик Антон Лоренц, преподаватель престижнейшего голландского университета, высказывал гипотезы о движущихся частицах, завораживавшие Альберта, — «законы преобразования», касающиеся электромагнитных и оптических явлений. Затем Эйнштейн исследовал уравнения математика Максвелла: они ставили вопрос о больших, болезненных скоростях[29]. Эйнштейн запнулся об эти уравнения. И вот тогда пожалел, что во время учебы забросил математику, пренебрегая ею ради физики. Подумать только, что его учителем был профессор Минковский, несравненный математик! А он предпочитал выпивать в кафе с Соловиным, вместо того чтобы сидеть на занятиях Минковского! По иронии судьбы тот самый Минковский, став годы спустя профессором в Берлине, самым ясным и четким способом сформулирует открытия своего бывшего учения об относительности.
Но настоящий шок Эйнштейн испытал, познакомившись с работами Макса Планка. Ученый из Прусской академии наук, несомненно, стал человеком, больше всего повлиявшим на научную жизнь Эйнштейна, даже изменившим его судьбу. Уже в 1900 году Планк, будущий президент Прусской академии наук, перевернул представления о свете. Планк отказался от механистической концепции света и выдвинул постулат о его электромагнитной природе. Сидя в своем экспертном бюро в Берне, Эйнштейн повстречал своего учителя.
Так вот, с 1902 по 1904 год (год своего 25-летия) Эйнштейн прочел всё, что было написано о природе света: самые древние, самые классические версии физики частиц, новые гипотезы об электромагнитных волнах. Он изучил исследования о распространении и скорости света, погрузился в новые гипотезы о гравитационном поле, о силах притяжения, о взаимодействии между электронами и их средой, о новом месте, которое может занимать время в формулах движения. Он увидел, что у евклидовой геометрии есть пределы. Дошел до границ знаний, заложенных Ньютоном. Потом открыл для себя других ученых, высказывавших сомнения по поводу ньютоновской физики, приводивших другие формулы, выдвигавших более сложные гипотезы. Эйнштейн прочел Маха, считавшего, что инерция зависит от взаимодействия масс. Прочел Планка и его труды о свете. Он много работал. Как и другие, включившись в брожение умов, которым было отмечено обновление физики в начале XX века. Но, возможно, гораздо чаще, чем другие, Эйнштейн выходил из своей лаборатории, оглядывался вокруг. Смотрел на проходящие поезда. Наблюдал за солнцем, созерцал планеты. Его ум постоянно бодрствовал, устремляясь к звездам. Эйнштейн играл с предметами, системами, концепциями. Когда какой-нибудь теоретик останавливался, достигнув предела своей системы, или сворачивал с пути доказательства, потому что его было невозможно провести при помощи существующих математических инструментов, Эйнштейн продолжал идти вперед. Развивал рассуждение, искал доказательство от абсурда, размышлял. Что произойдет, если его базовый постулат окажется верен? Если все исследователи теоретизировали, Эйнштейн фантазировал, спорил, играл. В его представлении, у Вселенной нет границ. Ум не знает преград. Мысленно можно отправиться в самые дальние пределы Вселенной, за пределы человеческого понимания, к самой сути парадокса. Сокровище законов мироздания таится в глубинах человеческого мозга — надо только копнуть поглубже, покопаться в мыслях, проявить упорство. В этих мыслях отразится мир, откроются по очереди все его секреты. Его научный ум находил опору в духе авантюриста. Эйнштейн ничего не боялся и во всем сомневался. Эйнштейн не только гениальный ученый — это художник. И как все художники, он хотел достать с неба звезды и чувствовал, что в силах это сделать.
Расширение поля исследования — особенность эйнштейновского гения. Этот человек хочет исследовать всё — всё понять, всё объяснить. Им руководят некое вещее чувство и любовь к экспериментам. Интуитивное мышление предваряет логическое построение его открытий. Подкрепление математическими символами следует только потом. Сначала создать образ реальности, потом построить геометрическую теорию, которая может ей соответствовать. Прежде всего — быть проще, исходить от очевидного. Эйнштейн обладал почти мистической силой восхищения, связанной с наблюдением. Он выстраивал концепцию на предчувствии. Потом искажал общепринятые истины, чтобы сделать из этой концепции новый закон. Он утверждал: «Всякое знание реальности происходит из опыта и к нему же приводит».
Что говорит Ньютон? Пространство абсолютно? Движение тела определено пространством, в котором оно перемещается? Траектория движущегося тела может быть абсолютно известна? Что делает Эйнштейн? Эйнштейн обожает воображаемые опыты. Эйнштейн мысленно садится в поезд. Поезд набирает скорость. Эйнштейн бросает в окно камень. Другая его ипостась в это время сидит на насыпи и наблюдает за падающим камнем. Какова его траектория? Ее не существует. Вернее, не существует какой-то одной траектории, их бесконечно много. Для человека в поезде камень падает вертикально. Для наблюдателя на насыпи он описывает параболу. Не существует абсолютной траектории, вписывающейся в некую систему, некое абсолютное пространство. Существует лишь некая траектория — прямая или параболическая, — вписывающаяся в систему отсчета. Поезд, насыпь… Определение траектории относительно этой системы. Движение относительно. Пространство относительно.
Не существует одной траектории. Но можно ли говорить о положении камня? Как определить его? С помощью одного лишь пространства — нельзя. Трех измерений недостаточно. Где находится камень? Надо задать себе вопрос «когда», вопрос момента t. Чтобы определить его положение, надо добавить четвертое измерение — время. Мы не живем в пространстве, мы не перемещаемся во времени. Мы живем в пространстве — времени. Третье измерение похоронено. Добро пожаловать в четвертое измерение!
Пространство не абсолютно. А расстояние? Эйнштейн снова садится в поезд. Хочет измерить расстояние между двумя точками движущегося поезда. Детская забава. Он берет линейку (воображаемую) и отмечает размер. А если ту же самую величину захочет узнать человек, сидящий на насыпи? Длина в поезде, измеренная как расстояние, преодоленное за определенное время, при прохождении через каждую точку, различна в зависимости от скорости! Понятие пространственного расстояния относительно! У поезда нет определенной длины! Она зависит от наблюдателя! Понятие расстояния относительно.
Но время, время-то абсолютно? Можно ли назвать два явления одновременными? По вагонам! Один наблюдатель находится в поезде (назовем его твердым ориентиром), другой сидит на насыпи, глядя на проходящий поезд. Вспыхивают две молнии, назовем их А и В, их лучи соединяются в срединной точке М расстояния между ними, если смотреть с насыпи. Для человека, сидящего на насыпи, молнии А и В? вспыхивают одновременно. Человек в поезде, который, как и поезд, движется по направлению к В увидит молнию В раньше молнии А. Для него (в его системе отсчета) одновременности нет. Абсолютного времени не существует. Время относительно к системе отсчета.
Эйнштейн смотрит, как идет время. Наблюдает за ходом часов, покоящихся в системе отсчета К, и за ходом часов в системе отсчета К', перемещающейся со скоростью v по отношению к К. Он изучает время, разделяющее два такта движущихся часов, если замерять его из покоящейся системы. Для этой цели он использует преобразования Лоренца, которые берут за время первого такта t = 0. На втором такте
где v — скорость системы К' и с — скорость света. Если рассчитывать его из системы К, время между двумя последовательными тактами будет равняться не одной секунде, а
то есть немного больше. Значит, движущиеся часы ходят медленнее, чем покоящиеся! Скорость увеличивает время! Время может растягиваться, как пространство. Возможно, во времени можно будет путешествовать точно так же, как в пространстве? Вот до чего относительность может вскружить голову и околдовать ум!
Что же до общей теории относительности, то ее задачей будет применить правила специальной теории относительности не только к инерционной системе, но и ко всем системам отсчета и к системам, находящимся в движении.
Конечно, эти доказательства упрощенные. Они опираются на статьи, расчеты, от которых кружится голова. Тысячи статей, сотни книг по физике посвящены исследованию этих тайн. Прочтите статью «К электродинамике движущихся тел», и вы получите представление об этих трудах.
Что можно сказать о самой знаменитой формуле:
Е = тс2?
Она не имеет никакого отношения к относительности. Ей посвящена статья под заглавием «Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?». Формула выведена из мудреных уравнений, основывающихся на работах Максвелла о вакууме и трудах Герца об электромагнетизме. Эйнштейн приходит к мысли о том, что масса тела (т) является мерой содержащейся в ней энергии. Энергия (Е), высвобожденная из тела, преображается в энергию излучения… Если энергия L вариантна, масса изменяется пропорционально L/9x1020.
М = L/V2 -
эта формула получит большую известность в виде
Е = тс2,
где с — скорость света, примерно 300 тысяч км/с.
Энергия, вырабатываемая массой, увеличивается благодаря невероятно большому множителю. Впоследствии ученые поймут, что если найти массу, обладающую самым тяжелым ядром (уран), можно получить колоссальную энергию. Да, в процессе деления тяжелая масса породит невообразимую энергию. Невообразимую, как неописуемы бедствия, которые она будет способна доставить человечеству. Но мы еще в 1905 году. Эйнштейн — ученый, гений. Не пророк. Сорок лет спустя будет создана атомная бомба. Некоторые запишут Эйнштейна в крестные отцы этой катастрофы. Научное чутье оставляет потомству не только блага…
Вопреки распространенному заблуждению Эйнштейн получил в 1922 году Нобелевскую премию за 1921 год не за статью об относительности и не за свой набросок трагически волшебной формулы. «Нобелевка» стала наградой за его исследование светового излучения. Эта работа способствовала революции, произведенной пришествием квантовой физики.
Он уничтожил время, увеличил пространство, отменил понятие абсолютности, одновременности! Он раздробил материю на атомы. Труды Эйнштейна — подвиги Геракла. И все же молодой Альберт не вполне доволен: на заре XX века человечество по-прежнему не знает, откуда берется свет. В этом плане физика по-прежнему пребывает в каменном веке, ученые блуждают в потемках. Всё еще считается, что воздух наполнен эфиром…
Эйнштейн убежден: он должен просветить мир о природе световых явлений. Свет — первоисточник, альфа и омега. По нему будут судить о возрасте планет. Определят дату рождения Вселенной. Разработают теорию Большого взрыва. Пока же здесь царит бестолковщина.
У Эйнштейна была и другая причина заняться проблемой световых явлений. Он предчувствовал: разрешив этот вопрос, он сможет сделать свою специальную теорию относительности общей, создать свою теорию гравитации. Чтобы низвергнуть Ньютона, надо доказать способность света подпадать под воздействие гравитации. Посвящение Эйнштейна: пролить свет на исходные истины, сказать правду о свете.
В статье «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света» будет рассмотрена связь между световым явлением и материей.
Эйнштейн сделал постулатом неизменность скорости света — ту самую скорость света, впервые измеренную в 1676 году в Парижской обсерватории. Однако неизменность противоречила его теории относительности. Теория ложна или скорость света способна меняться?
Он сделал выбор в пользу неизменности скорости, даже если это не согласуется с его теорией относительности. Возвел парадокс в ранг аксиомы, исключение сделал правилом. Ничто не должно быть неизменным, абсолютным… за исключением скорости света!
Еще одна революция в умах. Эйнштейн вообразил, как до него сделал Планк, что свет не состоит из частиц. Свет — нечто вроде волны. Это волна, и более чем волна. Он опирался на труды астрономов, которые за годы до него изучали свечение двойных звезд. Это звезды с равными массами, находящиеся в постоянной ротации, и одна ближе к Земле, чем другая. Анализ их светового излучения доказывает, что время, за которое свет ближайшей звезды доходит до Земли, точно такое же, как и у более далекой. Эйнштейн первым пришел к выводу: распространение света не зависит от его источника. И продолжил рассуждение. Поставил мысленный опыт, попытавшись угнаться за лучом света. И заключил из этого опыта, что скорость света — самая большая, какую только удается развить.
Что делать с призрачным эфиром? Если бы эфир существовал, это «материальное тело», согласно законам Ньютона, прилагало бы дополнительные силу и скорость. Благодаря чему эта скорость превысила бы с. А это входит в противоречие с его постулатом, а потому невозможно. Прощай, эфир… А если свет не распространяется в эфире и распространяется с постоянной скоростью, значит, он распространяется в вакууме. В статье «К электродинамике движущихся тел» заложены характеристики скорости света: он постоянен, распространяется в вакууме, обладает самой большой скоростью, которую невозможно превзойти, а ее значение не зависит от источника. Скорость света в вакууме с, которая до сих пор не использовалась, но уже присутствовала в трудах Максвелла, приобрела, таким образом, свое основополагающее значение константы в структуре пространство — время.
Со скоростью разобрались, а как там с природой и составом света?
Ньютон считал свет корпускулярным явлением — потоком частиц, движущихся… в эфире, который занимает пространство.
По мнению Герца и Максвелла, свет не имеет корпускулярной составляющей, он обладает волновой природой, связанной с быстрыми колебаниями электрических и магнитных полей. Корпускулярная или волновая? Работы Планка подправили теорию Герца. По Планку, свет состоит из квантов, или фотонов. Однако Планк уперся в отсутствие подтверждения этих расчетов опытным путем. По мнению немецкого ученого, излучение света дискретно, однако Планк не уловил произвольность частоты излучения и, в частности, трудность излучения света высокой частоты. Планк думал, что ошибся.