Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
Едва успев освоиться в патентном бюро, Эйнштейн внезапно узнал, что его отец умирает от сердечной болезни. В октябре ему пришлось срочно ехать в Милан. На смертном одре Герман наконец благословил Альберта на брак с Милевой. Смерть отца заставила молодого человека с новой силой почувствовать, как он подвел и разочаровал отца и семью. Это чувство останется с ним навсегда. Его секретарь Хелен Дукас писала: «Много лет спустя он все еще живо помнил то оглушительное ощущение потери. В самом деле, однажды он написал, что смерть отца стала для него самым большим потрясением, какой ему приходилось испытывать в жизни». Майя, в частности, горько замечала, что «печальная судьба не позволила [ее отцу] даже заподозрить, что через два года его сын заложит фундамент своего будущего величия и славы».
В январе 1903 г. Эйнштейн счел наконец свое положение достаточно надежным, чтобы жениться на Милеве. Через год у них родился сын Ганс. Для Эйнштейна началась скромная жизнь ничем не примечательного мелкого чиновника в Берне, мужа и отца. Его друг Давид Райхинштейн живо вспоминал встречу с Эйнштейном в этот период: «Дверь в квартиру была распахнута, чтобы только что вымытый пол и выстиранное белье, развешанное в коридоре, лучше сохли. Я вошел в комнату Эйнштейна. Одной рукой он стоически качал колыбель с ребенком. Во рту у него была плохая, очень плохая сигара, а в другой руке – раскрытая книга. Печь жутко дымила».
Пытаясь подработать, Эйнштейн разместил в местной газете объявление с предложением «частных уроков по математике и физике». Это первое известное упоминание Эйнштейна в какой бы то ни было газете. Первым на объявление откликнулся студент-философ Морис Соловин, румынский еврей. К своей радости, Эйнштейн очень быстро обнаружил, что Соловин – прекрасный собеседник для обсуждения многочисленных идей, имеющих отношение к пространству, времени и свету. Чтобы не дать себе замкнуться и отгородиться от основных физических течений, Эйнштейн придумал остроумный ход: собрать неформальную группу, которую сам он насмешливо называл «Олимпийской академией» для изучения и обсуждения крупнейших вопросов дня.
Задним числом можно сказать, что время, проведенное с этой «академической» группой, было, вероятно, самым счастливым в жизни Эйнштейна. Даже несколько десятилетий спустя воспоминания о ярких и дерзких идеях, которые они выдвигали, жадно поглощая все крупные научные работы того времени, вызывали на его глазах слезы. Их ожесточенные дебаты и споры до хрипоты наполняли кофейни и пивные старого Цюриха. Они готовы были поклясться, что слова Эпикура «Как прекрасна радостная бедность!» относятся непосредственно к ним.
В частности, они бились над противоречивой работой венского физика и философа Эрнста Маха, который был тогда своего рода оводом от науки и нападал на любого физика, говорившего о вещах, недоступных нашим ощущениям. Мах изложил свои теории в книге «Механика»[2], которая приобрела большую популярность. Он поставил под сомнение концепцию атома, поскольку считал, что она выходит далеко за пределы сферы измерений. Но сильнее всего внимание Эйнштейна привлекла уничтожающая критика Маха в адрес эфира и абсолютного движения. По мнению Маха, внушительное строение ньютоновой механики зиждилось на песке, поскольку концепции абсолютного пространства и абсолютного времени неизмеримы и недоказуемы. Мах считал, что относительное движение может быть измерено, а абсолютное – нет. Никому и никогда не удавалось отыскать ту самую мистическую абсолютную шкалу, по которой можно определять движение планет и звезд; кроме того, никому и никогда не удавалось найти ни малейших экспериментальных доказательств существования эфира.
Одну серию экспериментов, указавших на фатальную слабость ньютоновой картины мира, провели в 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли, решившие измерить с максимально возможной точностью свойства пресловутого невидимого эфира. Они рассуждали так: Земля движется в море эфира, обдуваемая «эфирным ветром», поэтому скорость света, по идее, должна меняться в зависимости от направления движения Земли.
Представьте себе, к примеру, ситуацию, когда ветер попутный. Если вы движетесь в том же направлении, в каком дует ветер, то вы чувствуете, как ветер подталкивает вас сзади. С попутным ветром вы движетесь быстрее – ваша скорость возрастает на скорость ветра. Если вы движетесь навстречу ветру, ваше движение замедляется, скорость снижается на скорость ветра. Аналогично если вы движетесь поперек ветра, под прямым углом к нему, то вас сносит в сторону со скоростью ветра. Главное, что ваша скорость изменяется в зависимости от того, в каком направлении вы движетесь по отношению к ветру.
Майкельсон и Морли разработали хитроумный эксперимент: луч света расщеплялся на два отдельных луча, которые затем направлялись в разные стороны под прямым углом друг к другу. Зеркала отражали оба эти луча и направляли их обратно к источнику, где они вновь смешивались и интерферировали между собой. Весь аппарат был помещен на подушку из жидкой ртути и мог свободно вращаться; он был настолько чувствителен, что легко регистрировал движение проезжающих мимо конных экипажей.
Согласно теории эфира, два луча в описанной ситуации должны были бы двигаться с разными скоростями. Если один из них, к примеру, двигался в направлении, попутном движению Земли в эфирном океане, то другой – под прямым углом к эфирному ветру. Тогда после возвращения к источнику лучи должны были различаться по фазе[3].
Однако Майкельсон и Морли, к собственному изумлению, обнаружили, что скорость света оставалась идентичной во всех случаях, вне зависимости от того, в каком направлении они направляли интерферометр. Такой результат сильно их встревожил, поскольку означал, что никакого эфирного ветра не существует, а скорость света никогда не меняется.
Это поставило физиков перед выбором из двух равно неприятных вариантов. Один состоял в том, что Земля совершенно неподвижна относительно эфира. Этот вариант, казалось, нарушал все, что было известно из астрономии начиная с Коперника, который обнаружил, что Земля не занимает во Вселенной никакого особого положения. Второй вариант состоял в том, чтобы отказаться от теории эфира и ньютоновой механики вместе с ней.
Для спасения теории эфира были предприняты героические усилия. Ближе всего к решению этой головоломки подошли голландский физик Хендрик Лоренц и ирландский физик Джордж Фицджеральд. Они рассуждали так: Земля в своем движении в эфире физически сжимается эфирным ветром, так что все линейки и измерители в эксперименте Майкельсона – Морли также были сжаты. Эфир, уже и без того обладавший чуть ли не волшебными свойствами – невидимостью, несжимаемостью, необычайной плотностью и т. д., обрел еще одно: проходя сквозь атомы, он мог механически сжимать их. Это удобно объяснило бы отрицательный результат эксперимента. В такой картине скорость света менялась на самом деле, но измерить это было невозможно, потому что всякий раз, когда вы пытались воспользоваться для этого линейкой, под воздействием эфира менялась не только скорость света, но и длина линейки, причем в том же направлении и в точно такой же степени.
