Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
Альберт признался ей в истинной любви: «Милая моя возлюбленная… Мне пришлось сейчас, мой ангел, узнать до конца смысл ностальгии и тоски. Но любовь дает гораздо больше счастья, чем тоска – боли. Я только сейчас понимаю, насколько необходимым для счастья стало мне мое дорогое маленькое солнышко». Мария отвечала Альберту взаимностью; она даже написала матери Эйнштейна, которая ответила ей одобрительным письмом. И Винтелеры, и Эйнштейны едва ли не со дня на день ждали от влюбленных объявления о скорой свадьбе. Мария, однако, чувствовала себя неуверенно, когда ей приходилось говорить с возлюбленным о науке, и считала, что это может стать помехой в отношениях с таким увлеченным и сосредоточенным молодым человеком. Она понимала, что ей придется сражаться за Эйнштейна с его первой подлинной любовью – физикой.
А внимание Эйнштейна в это время было поглощено не только растущим чувством к Марии, но и загадками света и электричества. Летом 1895 г. он написал независимый очерк, посвященный свету и эфиру и озаглавленный «Исследование состояния эфира в магнитном поле»; Альберт отослал его своему любимому дядюшке Цезарю Коху в Бельгию. В короткой статье на пяти страничках – самой первой научной работе Эйнштейна – утверждалось, что загадочную силу, известную как магнетизм и очаровавшую его еще ребенком, можно рассматривать как некое возмущение эфира. Несколькими годами раньше Макс Талмуд познакомил Эйнштейна с «Популярными книгами по естественным наукам» Аарона Бернштейна. Этой книге суждено было оказать на Альберта ключевое влияние, поскольку автор включил в нее рассуждение о загадках электричества. Бернштейн предлагал читателю предпринять фантастическое путешествие по телеграфным проводам, пронесясь вместе с электрическим сигналом на фантастической скорости через всю страну.
В возрасте 16 лет у Эйнштейна родилась некая мысль или скорее зрительный образ. Результатом стало озарение, которое позже изменило ход человеческой истории. Вспомнив, быть может, фантастическое путешествие из книги Бернштейна, Эйнштейн вообразил себя летящим рядом с лучом света и задал себе судьбоносный вопрос: Как выглядел бы при этом луч света? У Эйнштейна, как и у Ньютона, который представлял себе бросание камня с такой силой, что тот принимался, подобно Луне, летать вокруг Земли, попытка вообразить луч света тоже привела к удивительным результатам.
В ньютоновом мире, если двигаться достаточно быстро, можно догнать все что угодно. Гоночный автомобиль, к примеру, может ехать рядом с курьерским поездом. Если при этом заглянуть снаружи в окно поезда, то можно увидеть, как пассажиры читают газеты и пьют утренний кофе, будто в собственной гостиной. Они могут нестись с огромной скоростью, но при этом казаться совершенно неподвижными, если мы будет двигаться рядом с той же скоростью в автомобиле.
Аналогично представьте себе полицейскую машину, догоняющую автомобиль, который превысил разрешенную скорость. Стоит полицейской машине разогнаться и пристроиться рядом с нарушителем, и полицейский сможет заглянуть к нему в машину и помахать рукой, приглашая остановиться. Полицейскому водитель несущегося автомобиля покажется неподвижным, хотя и он сам, и нарушитель могут при этом мчаться со скоростью 150 км/ч.
Физики знали, что свет состоит из волн, поэтому, рассуждал Эйнштейн, если бы удалось догнать луч света и пристроиться рядом, он показался бы вам совершенно неподвижным. Это означает, что для летящего рядом наблюдателя луч света выглядел бы как застывшая волна, как неподвижная фотография волны. Он не колебался бы во времени. Молодому Эйнштейну, однако, такая картинка показалась бессмысленной. Никто и никогда не видел застывшей волны; подобного описания не было нигде в научной литературе. Свет, с точки зрения Эйнштейна, представлял собой особый случай. Догнать световой луч невозможно. Застывшей волны не существует.
Тогда он этого не понял, но ему удалось случайно наткнуться на одно из величайших научных наблюдений века, ведущее непосредственно к принципу относительности. Позже он напишет, что «такой принцип вытекал из парадокса, с которым я уже столкнулся в 16 лет. Если я преследую луч света со скоростью c (скорость света в вакууме), я должен видеть такой луч света… неподвижным. Однако ничего подобного, похоже, не существует, что явствует как из опыта, так и из уравнений Максвелла».
Именно способность выделить ключевые принципы, лежащие за любым явлением, и сосредоточиться на главном подвела Эйнштейна к порогу, за которым лежала научная революция. В отличие от менее крупных ученых, которые частенько терялись в математике, Эйнштейн мыслил простыми физическими образами – несущиеся поезда, падающие лифты, летящие ракеты и перемещающиеся часы. Эти образы безошибочно вели его от одной вехи к другой через величайшие идеи XX в. Он писал: «Все физические теории, какой бы математикой они ни выражались, должны допускать простое описание, понятное даже ребенку».
Осенью 1895 г. Эйнштейн наконец поступил в Политехническую школу и перешел в совершенно новую фазу своей жизни. Впервые ему предстояло познакомиться с последними достижениями в физике, которые в то время обсуждались по всей Европе. Он знал, что в мире физики веют ветры революции. Проводились десятки новых экспериментов, которые вроде бы шли вразрез с законами Исаака Ньютона и классической физики.
В Политехникуме Эйнштейн хотел изучить новые теории о природе света, в первую очередь уравнения Максвелла, которые, как он позже напишет, были «самым увлекательным предметом в те времена, когда я был студентом». Изучив уравнения Максвелла, Эйнштейн смог ответить на вопрос, не дававший ему покоя. Как он давно подозревал, решения уравнений Максвелла, при которых свет оказывался застывшим во времени, не существовало. Но затем он обнаружил еще кое-что. К удивлению Эйнштейна, выяснилось, что в теории Максвелла световые лучи всегда путешествуют с одной и той же скоростью, с какой бы скоростью ни двигались вы сами, то есть наблюдатель. Это был окончательный ответ на загадку: невозможно догнать световой луч, потому что он всегда улетает от вас с одной и той же скоростью. Но такое утверждение, в свою очередь, попирало все, что здравый смысл говорил молодому ученому об окружающем мире. Ему потребуется еще несколько лет, чтобы разгадать парадоксы ключевого наблюдения – свет всегда движется с одной и той же скоростью.
Революционные времена нуждались в революционных теориях и в новых дерзких лидерах. К несчастью, таких лидеров в Политехникуме Эйнштейн не нашел. Его преподаватели предпочитали подробно разбирать классическую физику, в результате чего Альберт начал прогуливать занятия и проводить большую часть времени в лаборатории или за самостоятельным изучением новых теорий. Профессора рассматривали многочисленные прогулы как признак хронической лени; история повторялась, учителя вновь недооценивали Эйнштейна.
