Вместо введения

Вместо введения

Вод, в которые я вступаю,

не пересекал еще никто.

Данте

Прозрение или заблуждение?

Двадцатое столетие застало ученых в приятном заблуждении. Им казалось, что они знают все или почти все об окружающем мире. Вдохновение Галилея, прозорливость Ньютона освободили человеческий разум от паутины, сотканной из ошибочных утверждений древних схоластов и искусственных представлений средневековья. Плечами гигантов была поднята стройная система человеческих знаний. Фундаментальная наука о неживой природе — физика — вскрыла главнейшие законы, охватывающие, как думалось, все стороны жизни вселенной. Это величественное здание, получившее название классической физики, казалось, вмещало в себя разгадки всех раскрытых и еще не раскрытых тайн природы.

На рубеже XX века это благополучие подверглось серьезному испытанию.

Классическая физика оказалась скомпрометированной тем, что она не смогла объяснить ряд вновь открытых фактов.

Она стала в тупик перед простым нагретым телом. Каждый школьник знает, что, сунув кусок вещества в огонь, его можно довести до красного и даже белого каления. Любое раскаленное вещество, если только оно не разрушится при нагреве, будет светиться. И чем выше его температура, тем более яркий свет оно излучает. Даже цвет звезд зависит от их температуры. Но когда ученые попытались понять, почему цвет излучения не зависит от их состава, формулы отказались дать однозначный ответ. Они отзывались об этом явлении самым противоречивым образом и только сбивали ученых с толку.

Попытки описать математически, как энергия нагретого тела излучается в пустое пространство, кончались разочарованием. Уравнения не давали ничего похожего на действительность. Из всех расчетов получалось: тепло так быстро улетучивается в окружающее пространство, что всего топлива, имеющегося на Земле, не хватит, чтобы вскипятить чайник! Это, конечно, противоречит опыту.

Опыт, верховный судья науки, отвергал все попытки построить теорию излучения. Классическая термодинамика и электродинамика, хорошо справлявшиеся с описанием сложнейших природных процессов, позволяющие описать работу всех известных машин, оказывались бессильными перед этой, казалось бы, простой задачей.

Проблемой занялся Макс Планк, берлинский профессор, уже завоевавший себе известность трудами по термодинамике. И он тоже начал танцевать от печки, исходя из привычной предпосылки: энергия от нагретого тела переливается в окружающее пространство так же непрерывно, как воды реки в океан.

Но и усилия Планка приводили к тем же обескураживающим выводам. Да, действительно, нагретое тело испускает лучи всех цветов: красные, зеленые, фиолетовые. Фиолетовые лучи очень жадные, они отбирают у тела и уносят с собой львиную долю энергии. И все-таки не они самые ненасытные. Ультрафиолетовые лучи и еще более коротковолновые, лежащие за ультрафиолетовой областью спектра электромагнитного излучения, должны были, подчиняясь формулам, остудить все тела в природе, охладить вселенную до абсолютного нуля!

Так расчеты Планка подтвердили ужасный вывод: мир ожидает ультрафиолетовая смерть.

Но в окружающей жизни физики не находили ни малейшего симптома столь печального исхода. Они должны были избавить и теорию от нелепого заблуждения. Этой проблемой мучился не один Планк. Многие ученые не хотели мириться с бессилием созданных ими формул.

Но недаром имя Планка до сих пор произносится с благоговением. Планк избавил физику от призрака ультрафиолетовой катастрофы.

«После нескольких недель самой напряженной работы в моей жизни тьма, в которой я барахтался, озарилась молнией и передо мной открылись неожиданные перспективы», — говорил впоследствии Планк в своем нобелевском докладе.

Молния, о которой он говорил, озарила целую область знаний о природе вещества. Это случилось в 1900 году. Рассматривая процесс обмена энергией между раскаленным телом и окружающим пространством, Планк предположил, что этот обмен совершается не непрерывно, а в виде небольших порций. Описав этот процесс математически, он пришел к формуле, в точности совпадавшей с распределением энергии в спектре Солнца и других нагретых тел. Так в науку вошло представление о минимальной порции энергии — кванте.

Обычно говорят, что Планк пришел к своему открытию случайно, что на идею введения дискретности — скачкообразности — в процесс передачи тепловой энергии он натолкнулся в результате экспериментальной математики, пытаясь добиться совпадения расчетов с опытом.

Сам Планк опровергает эту версию. Он рассказывает, что, будучи горячим поклонником крупнейшего из физиков, Больцмана, он показал ему свою работу. Она была выдержана в духе классических представлений о непрерывности тепловых и электродинамических процессов. Ответ знаменитого ученого поразил Планка. Больцман, безупречный классик, сказал, что, по его мнению, невозможно построить вполне правильную теорию процессов излучения без введения в них еще неизвестного элемента дискретности.

Несомненно, указание Больцмана помогло Планку найти путь к его великому открытию. Если в его возникновении и сыграла свою роль случайность, то в еще большей мере оно явилось закономерным диалектическим скачком в познании.

Вдумываясь в суть своей формулы и в возможности, открываемые введением кванта энергии, Планк понимал, что он выпустил из бутылки мощного джинна, способного потрясти самые основы описания природы… Он чувствовал, что не может даже оценить масштабы грядущего переворота, но инстинктивно догадывался, что его работа даст толчок лавине, которая наверняка разрушит фундамент физики, а это казалось ему опасным. Последующая история науки показала, насколько правильным было его предчувствие.

Будучи человеком консервативных взглядов, Планк медлил с опубликованием своего открытия. Оценивая его значение, он говорил, что либо оно полностью ошибочно, либо по масштабам сравнимо с открытиями Ньютона.

Коллеги Планка придерживались преимущественно первой точки зрения. Некоторые из них даже грозились отречься от физики, если «возмутительная» теория Планка не будет опровергнута.

Осенью 1900 года Планка посетил Рубенс. За чаем он показал свои чрезвычайно точные измерения распределения энергии в спектре нагретого черного тела. Результаты точно совпали с формулой Планка. Это решило сомнения. Планк опубликовал свою формулу. В фундаменте классической физики появилась основательная трещина.

С самого рождения квант оказался капризным младенцем. Введенный Планком в расчет в качестве кванта энергии, он появился в окончательной формуле в виде кванта действия — величины, являющейся произведением энергии на время. Причина этой трансформации оставалась неясной. Постепенно Планк, а вслед за ним и другие ученые примирились с дискретностью энергии, но дискретность механического действия долго оставалась непостижимой.

Работа Планка не вызвала резонанса. Долгих пять лет новорожденный квант спал в своей колыбели. Понадобился гений, чтобы превратить этого младенца в Геркулеса.

Новый Геркулес

Шли первые годы нашего столетия. Безвестный, с трудом получивший место эксперта патентного ведомства начинающий физик Альберт Эйнштейн упорно размышлял над тайнами фотоэффекта.

Столетов и Герц, русский и немецкий физики, подробно изучили к этому времени, как свет выбивает электроны из поверхности твердых тел. Были установлены все подробности этого явления, названного фотоэффектом. Но никто не мог понять, почему энергия вылетающих электронов не зависит от яркости падающих лучей, а определяется только их цветом. Ведь, исходя из общепризнанной волновой теории света, можно было ожидать, что энергия электронов, выбиваемых волной, зависит от силы электрического поля волны, попадающей в место, где находится электрон. Но сила поля определяется яркостью, а не цветом.

Никто не мог объяснить и существования красной границы фотоэффекта — того удивительного факта, что для каждого вещества в спектре солнечного света существует своя индивидуальная граница. Лучи, лежащие в красную сторону от границы, никогда не вызывают фотоэффекта, а лежащие в фиолетовую сторону от нее — легко выбивают электроны из поверхности вещества.

Это было тем более удивительно, что существование цветовой границы прямо противоречило волновой теории света, господствовавшей в науке около 300 лет.

С волновой точки зрения красной границы вообще не должно было быть. Световая волна любой длины должна быть способна выбить электрон. Для этого нужно или подождать подольше или взять свет поярче. В соответствии с волновой теорией можно было ожидать «накопления» действия света. Яркий свет должен был приводить к вылету электрона скорее, чем слабый. Но ни безграничное терпение экспериментаторов, ни самые яркие источники света не могли преодолеть красной границы. И здесь суд опыта высказывался против классической теории света.

Загадку решил Эйнштейн. Он пришел к выводу, что квантовая теория Планка, созданная только для объяснения механизма обмена тепловой энергией между электромагнитным полем и веществом, должна быть существенно расширена. Он установил, что энергия электромагнитного поля, в том числе и световых волн, всегда существует в виде определенных порций — квантов.

Так Эйнштейн извлек квант из его колыбели и продемонстрировал людям его поразительные возможности. Представление о кванте света (фотоне) как об объективной реальности, существующей в пространстве между источником и приемником, а не о формальной величине, появляющейся только при описании процесса обмена энергией, сразу позволило ему создать стройную теорию фотоэффекта. Это подвело фундамент и под зыбкую в то время формулу Планка.

Действительно, если свет не только излучается и поглощается квантами, но и распространяется в форме квантов — определенных порций электромагнитной энергии, то законы фотоэффекта получаются сами собой. Нужно только сделать естественное предположение, что квант-фотон взаимодействует с электроном один на один.

Энергия каждого отдельного фотона зависит только от частоты световых колебаний, то есть от его «цвета». Красному цвету соответствует почти вдвое меньшая частота, чем фиолетовому; значит, энергия красных фотонов почти вдвое меньше энергии фиолетовых фотонов.

Так как электроны удерживаются в твердом теле вполне определенными для каждого вещества силами, то энергии красного фотона может не хватить для преодоления этих сил и освобождения электрона, а фиолетовый фотон легко это сделает. Так возникает красная граница, характерная для каждого вещества.

Столь же непосредственно объясняется и независимость энергии вылетевшего из вещества электрона от яркости вырвавших его лучей. Ведь энергия электрона — это остаток, разность между энергией фотона и той энергией, которую он затратил на вырывание электрона. Яркость света, то есть число квантов, попадающих в секунду на квадратный сантиметр поверхности тела, тут ни при чем. Кванты света падают независимо один от другого, и каждый поодиночке выбивает (или не выбивает) электрон. Они не могут дождаться друг друга, чтобы совместными усилиями вырвать электрон, поэтому фотоэффект не зависит ни от яркости света, ни от времени освещения.

Теряет свой мистический характер и гипотеза Планка о квантовом характере взаимодействия электромагнитного поля с веществом. До Эйнштейна эта гипотеза опиралась только на то, что выведенная на ее основе формула соответствовала опыту, ликвидировала ультрафиолетовую катастрофу. Но оставалось неясным, как волна — совершенно непрерывный процесс — разбивалась на кванты в процессе взаимодействия с веществом. Теперь, когда оказалось, что электромагнитная энергия всегда существует в виде квантов, трудно предположить, что она взаимодействует с веществом не квантами, а непрерывно, как это думали до Планка.

Квантовая теория света, успешно справившаяся с загадкой фотоэффекта, отнюдь не была всесильной. Наоборот, она была совершенно беспомощной в попытках описать ряд общеизвестных явлений. Например, таких, как возникновение ярких цветов в тонких слоях нефти, разлитой на воде, или существование предельного увеличения микроскопа и телескопа. Волновая же теория света, бессильная в случае фотоэффекта, легко справлялась с этими вопросами.

Это вызвало непонимание и длительное недоверие к квантовой теории света. Ее не принял и отец квантов — Планк. Даже в 1912 году, представляя уже знаменитого Эйнштейна в Прусскую академию наук, Планк и другие крупнейшие немецкие физики писали, что ему не следует ставить в упрек гипотезу световых квантов!

Сам Эйнштейн не придавал трагического значения этому противоречию. Наоборот, он считал его естественным, отражающим сложный, многогранный (мы сказали бы — диалектический) характер природы света. Он считал, что в этом проявляется реальная двойственная сущность света и что это лежит в природе вещей. А постоянная Планка играет существенную роль в объединении волновой и квантовой картины. Она иллюстрирует собой союз волн и частиц.

Как мы увидим позже, распространив эти идеи Эйнштейна на микрочастицы, французский физик Луи де Бройль заложит основы волновой механики — одного из краеугольных камней фундамента современной квантовой физики.

При создании теории фотоэффекта и гипотезы световых квантов проявилась особенность гения Эйнштейна — вместо введения частных гипотез, отвечающих на конкретные вопросы, давать революционные решения, одновременно проясняющие множество сложных и разнообразных проблем.

Эта черта во всем блеске проявилась в основном деле жизни Эйнштейна — в создании теории относительности, приведшей к революции в современной науке.

Великий путаник эфир

Рождение нового мировоззрения происходило под грохот рушившегося здания классической физики.

В цемент, скреплявший фундамент этого величественного сооружения, наряду с законами Ньютона входила волновая теория света. Она была создана Гюйгенсом, старшим современником Ньютона, и, по существу, исходила из глубокой аналогии света со звуковыми волнами. Она служила людям два века, и почти никто не замечал ее изъянов.

…Вынужденный уединиться в деревне после «чистки» 1815 года, проведенной наполеоновским правительством Ста дней, инженер Службы мостов и дорог, раньше и не думавший заниматься физикой, Френель на досуге много и глубоко размышлял о тайнах света. Но он не имел достаточно денег на ценное оборудование, и ему приходилось обходиться для опытов примитивными средствами. Самый простой эксперимент отнимал у него массу времени, его нужно было повторять вновь и вновь, чтобы убедиться в его безупречности, проанализировать результаты с помощью новейших средств современной ему математики.

И вот, проведя серию экспериментов со светом, Френель понял, что, исходя из буквальной аналогии света со звуком, невозможно объяснить ряд наблюдаемых явлений. Он вынужден был предположить, что свет — это не продольные колебания, подобные звуку в воздухе, как считал Гюйгенс, а поперечные колебания и переносить их в мировом пространстве может только особая среда со свойствами твердого тела.

Так в науку с легкой руки Френеля надолго вошел эфир, удивительное вещество, поперечные колебания которого и есть свет. Предполагалось, что эфир заполняет все мировое пространство, проникая во все прозрачные тела, которые сами по себе не участвуют в передаче света.

Довольны ли были ученые таким выходом из положения? Как видно, да. Во всяком случае, после недолгого ворчания они признали незаконнорожденное дитя путейского инженера. Эфир надолго пережил своего родителя. Френель, сломленный туберкулезом, умер в тридцатидевятилетнем возрасте в полной уверенности, что эфир существует.

Могли ли физики, нежданно-негаданно обретя эфир, продолжать проводить аналогию между световыми и звуковыми волнами? Оказывается, могли. Надо было только заставить себя поверить в удивительное. Нужно было признать, что эфир прозрачен, как воздух, но тверд… как камень. Впрочем, что там камень! По предположениям, эфир был тверже стали.

Правда, частицы твердого тела, связанные силами упругости, могут колебаться не только поперек направления распространения звука, но и вдоль этого направления. Поэтому в твердых телах существуют два типа звуковых волн — поперечные и продольные. Но Френель предположил, что световые волны аналогичны только поперечным волнам в твердых телах. Продольные же он оставил без внимания.

Усовершенствованная таким образом волновая теория света прекрасно объясняла все известные науке того времени факты, часть из которых противоречила продольным волнам сжатия и разрежения, с которыми оперировала волновая теория Гюйгенса.

Правда, новая теория света содержала некоторые трудности. Во-первых, никто не мог обнаружить в эфире продольных волн. И нужно было принять на веру, что такие волны в нем вообще не существуют. А если и существуют, то не взаимодействуют с обычными телами и поэтому не могут наблюдаться. Во-вторых, большая скорость света заставляла считать эфир чрезвычайно упругим. Ведь его частицы должны были дрожать в такт со световой волной с необыкновенной быстротой. Это и заставило физиков считать эфир чуть ли не в сто тысяч раз более упругим, чем сталь. Но при этом эфир должен был обладать бестелесностью привидения — сквозь него можно было беспрепятственно проходить. Он никак не препятствовал движению звезд и планет в мировом пространстве и движению обычных тел, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни.

Были в новой теории света и другие трудности: нужно было специально объяснять, что происходит с эфиром на границе двух прозрачных тел с различными показателями преломления. Например, на стеклянной стенке аквариума, отделяющей воду от воздуха. Ведь скорость света в воздухе, стекле и воде различна. Значит, прозрачные вещества как-то взаимодействуют с эфиром, изменяя своим присутствием его огромную упругость. Иначе нельзя объяснить различные скорости света во всевозможных прозрачных средах. Нужно было объяснять, как непрозрачные тела задерживают световые волны. Удивительным было и то, что, выполняя роль переносчика световых волн, эфир никак не проявлял своего присутствия ни в каких опытах. Он был неуловим, напоминая этим теплород — другую невесомую субстанцию, долго признававшуюся учеными, царившую в теории теплоты и изгнанную из нее прогрессом науки.

Все это принудило ученых признать эфир исключительной средой, обладающей крайне противоречивыми свойствами.

Волновая теория, доведенная таким образом до совершенства и воплощенная в изящные математические формулы Френелем, объясняла все известные науке того времени оптические явления. Она предсказывала и новые явления, казавшиеся невероятными и невозможными. Противники Френеля указывали, что на основе его теории можно было бы осуществить такой невероятный опыт: пропустив свет от свечи через отверстие в непрозрачной перегородке и двигая позади нее экран, можно было бы увидеть, как центр экрана поочередно освещается и затемняется по мере его удаления от отверстия. Это противоречило всему многовековому опыту человечества. Всякий разумный человек сочтет такое предсказание безумным. Что может затенить свет позади отверстия? Этот результат теории Френеля выдвигался в качестве решающего аргумента против волновой природы света. Но французский ученый Араго проделал такой опыт, и каждый, кто хотел, мог увидеть, как на экране, передвигающемся вдоль оси его установки, свет чередуется с темнотой! Сообщение, сделанное им во Французской академии наук, потрясло ее членов. Это был триумф волновой теории Френеля.

Шаг к абстракции

Эта тишь и гладь были нарушены взрывом максвелловского гения.

После долгой и кропотливой работы в период 1860–1875 годов Максвелл создал теорию, в которой электрические и магнитные силы природы были объединены в понятие единого электромагнитного поля, включающего видимый свет, невидимые ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Он свел все известное людям об электричестве и магнетизме к четырем удивительно простым уравнениям. Именно эти уравнения сообщили, что свет — это просто электромагнитные волны, способные распространяться в пустом пространстве так же легко, как в прозрачных телах. Причем из уравнений следовало, что эти электромагнитные волны могут существовать сами по себе. Они представляют собой реальность, ранее неведомую людям и внезапно появившуюся перед учеными как могучий хребет из-за рассеявшегося тумана.

Можно представить, какую смуту посеяла эта концепция. Еретическая сущность ее заключалась прежде всего в том, что она вопреки многовековым традициям и идеалам не покоилась на механических движениях и силах. Переменные величины, изображавшие в математическом аппарате Максвелла электромагнитные поля, по существу, не могли быть представлены какими-либо обычными моделями и поэтому казались современникам крайне абстрактными понятиями. Ведь конкретным и реальным еще со времен Декарта считалось только то, что можно изобразить «посредством фигур и движений».

Большие трудности понимания сущности уравнений и всей теории Максвелла коренились в том, что входящая в них напряженность электрического и магнитного полей не поддавалась непосредственному восприятию. Их можно было изобразить на бумаге в виде стрелочек-векторов, направленных под углом друг к другу, но представить себе их физический смысл в то время казалось невозможным. Эти величины не имели ни очертаний, ни формы, ни веса, их нельзя было сравнить ни с чем известным в повседневной жизни. Конечно, и тогда существовали приборы, реагировавшие на силы, вызываемые электромагнитными полями. Можно было безошибочно сказать, что напряженность одного поля больше или меньше другого. Но сами напряженности были столь странной величиной, что представить их себе зримо было трудно.

Известные физикам законы природы хорошо объясняли движение материальных частиц, потоков жидкостей, упругих твердых тел. Но, описывая электромагнитные поля, Максвелл предлагал в качестве иллюстрации символ, математическую абстракцию! По тем временам — почти нелепость! Как могли воспринять такую абстракцию ученые, воспитанные в духе классических представлений, привыкшие все на свете изображать с помощью механических наглядных моделей? Как могли они поверить в какой-то мир электромагнитных полей, который существует сам по себе и не нуждается ни в каких дополнительных иллюстрациях?

Мало кто из физиков хотел ломать себе голову над этой безумной теорией.

Поэтому-то и через двадцать лет после создания новой теории в ее смысл проникли лишь несколько физиков. Остальным она оставалась чуждой. И причина была та же: никто не мог понять и прочувствовать какое-нибудь явление иначе, как в виде конкретной механической модели. Сам Максвелл был изобретательным творцом моделей электромагнитного поля. В одной из таких моделей шестиугольные «молекулярные вихри» приводятся в движение «направляющими колесиками». Это показывает, что он сам еще долго не понимал, что создал новую науку, которая не нуждается в опоре на динамику Ньютона, а входящие в нее величины являются столь же фундаментальными, как силы и движения. Действительно, через семь лет после создания теории Максвелл писал: «Я приложу все усилия к тому, чтобы представить как можно яснее соотношение между математической формой этой теории и математической формой фундаментальной науки о динамике для того, чтобы мы могли в какой-то мере подготовиться к выбору тех динамических моделей, среди которых мы будем искать иллюстрации или объяснения явлений электромагнитных».

То, что сам Максвелл не сумел вырваться из пут механических моделей, пожалуй, самое курьезное во всей этой истории. Не будучи в силах отрешиться от желания иметь наглядную модель, он нашел ее в упругих силовых трубках Фарадея, преобразовав их в наглядные картины силовых линий электромагнитных полей, верно служащих нам и поныне.

Теперь наши приборы позволяют измерять реальные величины — поля, входящие в уравнения Максвелла. Все это вместе с многолетней тренировкой, через которую прошли не только поколения ученых, но и поколения школьников, сделало для нас уравнения Максвелла не менее понятными, чем уравнения механики. И нам зачастую трудно понять, какого напряжения мысли требовало освоение этих уравнений менее чем сто лет назад.

Да и полвека назад никто не представлял себе электромагнитные поля иначе, чем натяжениями и волнами эфира.

Впрочем, по признанию одного из крупнейших физиков нашего времени, даже «современные представления не могут служить основой для понимания этих электромагнитных колебаний, которые не сводятся к классическому и наглядному представлению о колебаниях материального тела; висящие в пустоте, если можно так сказать, они выглядят для непосвященных (а может быть, даже и для физиков) чем-то довольно таинственным».

Что же требовать от современников Максвелла! Несмотря на свои невероятные свойства, эфир прочно утвердился в их сердцах, ибо люди, сформировавшие свои взгляды под влиянием ньютоновской физики, идеалом которой было сведение всех явлений к механическим, не могли отказаться от эфира как переносчика световых волн. Не могли поверить в самостоятельную сущность света и других еще неведомых электромагнитных волн.

Теория Максвелла явилась в науке первым этапом немеханической физики, первым этажом в грандиозной пирамиде все усложняющихся абстракций. Мы увидим, что трудности, связанные с освоением новых абстракций, возникнут вновь, когда наступит эра теории относительности и квантовой механики.

Уравнения Максвелла содержали в себе не только описание известных явлений, но и предсказание новых, открытых только впоследствии, в том числе предсказание существования электрической индукции и радиоволн. Они не содержали лишь одного — в них не было ничего относящегося к световому эфиру и его поразительным свойствам.

Эфир просто остался за бортом теории Максвелла, но это никак не мешало ей уверенно помогать развитию науки. Для некоторых ученых эфир стал просто синонимом пустого пространства.

Но, несмотря на то, что через 12 лет Герц обнаружил на опыте предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны, возбуждаемые в его приборах, традиции механистической физики не были сломлены. Многие физики упорно продолжали пытаться подвести под теорию Максвелла ходули привычной наглядности. Одни считали электромагнитные поля Максвелла особыми натяжениями эфира, так же как ранее принимали свет за поперечные волны в эфире.

Другие, продолжая считать эфир реальностью, предпочитали забывать о его противоречивых свойствах, относя его в разряд непознаваемых невесомых субстанций.

Первая влюбленность

В это переломное время в науку вошел провинциальный юноша Генрих Антон Лорентц. Он уже год как считался студентом Лейденского университета и даже получил в 1871 году (в 18 лет — небывалый случай!) диплом кандидата наук с отличием. Он познакомился с теорией Максвелла случайно, обнаружив в библиотеке физической лаборатории университета нераспечатанные конверты со статьями Максвелла.

Эти работы в Лейдене почти никто не читал, так как в них развивались новые, непривычные идеи, изложенные при помощи сложных математических выкладок. Большинству лейденских физиков они были не по зубам. Но юному студенту они показались откровением. Он навсегда подпал под влияние идей великого английского ученого.

Трудно сказать, чего больше в этой главе истории науки: элементов романтики или драмы.

…Лорентц приступает к написанию докторской диссертации, где решает задачу об отражении и преломлении света согласно электромагнитной теории. В этой диссертации двадцатидвухлетний Лорентц с легкостью показывает, как просто решаются теорией Максвелла все загадки отражения и преломления света. Загадки, для разрешения которых в механической теории эфира приходилось наряду со световыми волнами вводить ненаблюдаемые продольные волны эфира. Теория Максвелла не нуждалась в призрачных продольных волнах.

Впоследствии Лорентц, верный своей первой влюбленности, существенно развил теорию Максвелла, введя в нее наряду с электромагнитными полями атомы электрического заряда — электроны. Так в теорию Максвелла были введены элементы атомистики.

Согласно новой теории в безбрежный океан электромагнитных полей вкраплены заряды, сочетания которых образуют все существующие тела. Электромагнитные поля — эти натяжения эфира — проникают всюду, и для них остаются справедливыми уравнения Максвелла. Взаимодействия этих полей и зарядов образуют все многообразие мира. Это был большой шаг вперед, но вместе с тем и своеобразное возвращение к старому. Вот что писал об этом в 1895 году сам Лорентц: «В предполагаемой мною гипотезе имеется в некотором смысле возврат к старой теории электричества».

Но иначе Лорентц поступить не мог. Он верил, что электромагнитные волны — это особые натяжения эфира, и должен был объяснить, как они возникают. И он представил себе, что волны эфира взаимодействуют с электронами, входящими в состав материальных тел. При этом электромагнитные волны вызывают движения электронов, а движения электронов, в свою очередь, вызывают электромагнитные волны. Таким образом, электронная теория Лорентца, продвигаясь вперед, исходила из представлений, которые сам Максвелл отбросил. Зато она позволила вычислить показатели преломления прозрачных тел и многие другие величины, которые теория Максвелла не могла рассчитать и поэтому просто принимала в качестве характеристик вещества, определяемых из опыта.

При помощи своей теории Лорентц смог сделать ряд тонких предположений. Он предсказал своеобразное расщепление спектральных линий излучения атомов под действием магнитного поля. Это явление вскоре обнаружил соотечественник и друг Лорентца Зееман. Лорентц смог непринужденно объяснить замечательный опыт Физо, открывшего в 1857 году, что текущая вода увлекает за собой свет. Скорость света в текущей воде была больше, чем его скорость в неподвижной воде. Так получалось, если свет шел вдоль течения. А его скорость против течения оказывалась меньшей. Это выглядело непостижимым, пока Лорентц не объяснил странное явление влиянием электронов, находящихся в текущей воде.

Казалось бы, кризис, возникший на почве понимания сущности электромагнитных волн, миновал. Но…

Хвосты в эфире

Электромагнитная теория и ее улучшенный вариант — электронная теория одерживали одну победу за другой. С их помощью удалось объяснить все известные в то время явления. На их основе бурно развивалась электротехника. Более того, теория предсказывала еще неизвестные явления, и эти предсказания блестяще сбывались.

Однако существовало одно очевидное следствие, проверка которого требовала чрезвычайно точных измерений. Тогда его называли эфирным ветром.

Возвратимся примерно на девяносто лет назад. В то время ученые не сомневались в том, что океан светоносного эфира, проникающего во все тела, заполняет всю вселенную. Считалось, что эфир повсюду одинаков, неизменен и неподвижен. Он ничем не обнаруживал своего присутствия.

Но из электромагнитной теории следовало, что, наблюдая за распространением света, можно определить, движется ли лаборатория в океане эфира. А так как со времен Галилея никто не сомневался в относительности механических движений, можно было с равным основанием говорить о движении эфира относительно лаборатории, об эфирном ветре.

Один из самых искусных экспериментаторов, физик Майкельсон, решил проверить, можно ли в соответствии с предсказаниями теории определить скорость, с которой Земля, вращаясь вокруг Солнца, перемещается в океане эфира.

Возникал вопрос, как же определить скорость эфирного ветра, то есть нашу скорость в мировом пространстве. Ясно, что для этого надо воспользоваться световыми волнами. Ведь эфир проявлял себя только как носитель световых волн.

Теория предсказывала, что скорость света вдоль и поперек направления движения Земли должна быть различной, причем это различие тем больше, чем быстрее движется Земля. Однако при тех значениях скорости Земли, которые были предварительно оценены из астрономических наблюдений, ожидаемая разность значений скорости в этих двух направлениях должна была быть очень малой.

Для того чтобы обнаружить это различие, Майкельсон построил специальный прибор — интерферометр, в котором луч света при помощи полупрозрачного зеркала расщеплялся на две части, расходящиеся во взаимно перпендикулярных направлениях. Эти лучи в конце своего пути отражались от зеркал и возвращались обратно к полупрозрачному зеркалу, вновь объединявшему их в один луч, при наблюдении которого появлялась система темных и светлых полос.

Положение полос зависело от длины путей обоих лучей и скорости света в этих лучах. При проведении опыта один луч направлялся вдоль направления движения Земли, а второй — перпендикулярно этому направлению. И фиксировалось положение темных и светлых полос на выходе прибора. Затем прибор поворачивался так, что вдоль направления движения Земли шел не первый, а второй луч, и вновь фиксировалось положение темных и светлых полос.

Майкельсон ожидал, что полосы при этом сместятся, так как движение Земли должно было по-разному влиять на скорость первого и второго лучей. Однако ожидаемое смещение не наблюдалось. Это было совершенно неожиданно и озадачило ученых.

Опыт был впервые поставлен в 1881 году и повторялся несколько раз в различных условиях со все возрастающей точностью. Но определить таким способом изменение скорости света, то есть обнаружить движение Земли в мировом пространстве, не удавалось. Ученые упорно повторяли этот опыт, но безрезультатно. Скорость света не думала меняться.

Отрицательный результат опыта Майкельсона привел физиков в растерянность. Нужно было срочно освоиться с этим фактом. Первая возможность объяснения состояла в отказе от неподвижности эфира. Достаточно было предположить, что эфир увлекается движущимися телами, и возможность определения скорости тел относительно него исчезла. Но это была слишком искусственная гипотеза. Эфир из твердого тела превращался в странный студень, объединяющий огромную упругость с бесконечной вязкостью. Звезды и планеты должны были тянуть за собой хвосты из эфира. Все другие тела тоже должны были иметь эфирные хвостики, соответствующие их размерам.

Наука не могла примириться со столь странной гипотезой, придуманной для объяснения одного-единственного факта. Ведь, приняв ее, нужно было еще объяснить, как взаимодействуют между собой течения эфира, возбуждаемые движением различных тел, как распространяются световые волны в движущемся эфире и в областях, где течения эфира, постепенно затухая, переходят в океан неподвижного эфира.

Высказывалось и мнение, что эфирный ветер вблизи Земли так слаб, что Майкельсон и его последователи не могли его обнаружить.

Конечно, можно было просто не думать об эфире — исключить его из числа реальных тел, — ведь он никак не входил в уравнения электронной теории. Но это казалось совершенно невозможным. Никто не мог принять этот беспринципный выход, эфир существовал, и нужно было лишь объяснить отсутствие эфирного ветра.

Два спасителя

Английский ученый Фицджеральд придумал гораздо более тонкую гипотезу. Он предположил, что все тела, перемещающиеся через эфир, сжимаются, сокращают свои размеры в направлении движения. И тем больше, чем больше их скорость относительно эфира. При этом сокращаются и линейки, а значит, заметить это сокращение (оставаясь в пределах земной лаборатории, если речь идет о Земле) невозможно. Вместе со всеми земными размерами деформируется и интерферометр Майкельсона. Из-за универсальности сокращения тел и линеек это сокращение оставалось незамеченным, что и объясняло отрицательный результат опыта Майкельсона.

Гипотеза сокращения, так же как и гипотеза увлечения, была придумана специально для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона. Никакой другой роли в науке она не играла и стояла в физике особняком. Такие нарочитые гипотезы имеют мало шансов на признание. Чаще всего они бывают ложными. Но в этом случае, казалось, другого выхода не было.

Гипотезой Фицджеральда заинтересовался Лорентц.

Опыт Майкельсона грозил опрокинуть электромагнитную теорию Максвелла, которая исходила из идеи неподвижного эфира. С юных лет питая слабость к этой теории, Лорентц ломал себе голову над целой серией моделей сокращения размеров планет, плавающих в океане эфира, — только бы формулы Максвелла не пострадали! Опыт Майкельсона ниспровергал не только теорию Максвелла, но и задевал вытекающую из нее и являющуюся ее развитием электронную теорию самого Лорентца.

Электронная теория Лорентца вопреки убеждению ее творца, так же как и теория Максвелла, не нуждалась в механическом эфире, но понятие эфира в ней сохранялось, трансформировалось в синоним абсолютного безграничного пространства, введенного в науку еще Ньютоном. Поэтому из теории Лорентца также вытекала возможность обнаружения движения тел в неподвижном пространстве — эфире.

Естественно, Лорентц должен был найти защиту своей теории от сокрушающего «нет» опыта Майкельсона. С этой целью он и обратился к гипотезе Фицджеральда.

В изящной, но чрезвычайно искусственной гипотезе Фицджеральда Лорентц увидел подтверждение существования эфира. Ведь это был первый случай, когда эфир действовал на осязаемые тела. Правда, действие это приводило к тому, что обнаружить движение тела сквозь эфир было невозможно. Но что из этого! Эфир действовал на все тела и действовал одинаково, независимо от их индивидуальных свойств; действовал универсальным образом, как и надлежало столь всепроникающей, необычайной субстанции.

Внимательно анализируя гипотезу Фицджеральда, Лорентц воплотил ее в строгие математические формулы, из которых оказывалось, что в движущихся телах необходимо наряду с сокращением размеров ввести особое время, зависящее от их скорости.

Этот результат был столь необычным и неожиданным, что Лорентц счел его просто математическим приемом, ничуть не посягающим на абсолютное время, введенное в науку Ньютоном вместе с понятием абсолютного пространства.

Так, находясь в плену старых традиций, Лорентц не понял открывшихся перед ним возможностей, выявленных его формулами, и истолковал их в духе классических представлений Ньютона и мирового эфира.

Лорентц не оказался способным на революцию. Но он был честным человеком. Несмотря на то, что он был близок к чуду, к откровению, которое озарило впоследствии Эйнштейна, он никогда не претендовал на пальму первенства в этом вопросе. Он всегда признавал, что не понял того, что понял Эйнштейн, и горячо пропагандировал его теорию.

Рассказывают, что один молодой человек, мечтавший заниматься теоретической физикой, поведал о своей мечте Томсону. И тот отговаривал молодого физика, потому что теоретическая физика, по существу, закончена, что в ней нечего делать. Правда, есть два облачка, добавил он, это неясность с постоянной Планка и с опытом Майкельсона.

Это был канун переворота в физике, канун революции.

Революция в физике

Революцию эту произвел гений Эйнштейна.

Глубоко проанализировав всю сумму опытных данных, накопленных физиками более чем за двадцать веков, скромный двадцатипятилетний чиновник патентного бюро в Берне — Эйнштейн, опубликовавший, правда, статью о теории броуновского движения и не понятую никем гипотезу световых квантов, принял в качестве основного закона, что скорость света неизменна при всех условиях.

При таком предположении отрицательный результат опыта Майкельсона был неизбежным: ведь это предположение само было следствием отрицательного результата опыта.

Эйнштейн понял также, что любые явления и процессы происходят совершенно одинаково во всех телах, движущихся по инерции. Этим он распространил на всю физику принцип относительности Галилея, имевший до этого силу только для механики; принцип, который заставляет пассажира, сидящего в вагоне, думать, что его поезд пошел, хотя двинулся только состав, до этого стоявший на соседнем пути.

Сделав два предположения — о постоянстве скорости света и об универсальности принципа относительности, — Эйнштейн не только объяснил загадку опыта Майкельсона, но и открыл новую эру в физике. Из этих предположений родилась теория относительности, вначале ее простейшая часть — специальная теория относительности, объяснявшая опыты, проводимые в лабораториях, движущихся по инерции, а затем и общая, охватывающая также ускоренные движения и силы тяготения.

Но эта теория привела к выводам, показавшимся современникам безумными, — размеры тел, их масса, само течение времени потеряли свой абсолютный характер.

Еще Галилей понял, что никакими механическими приборами невозможно обнаружить движение кареты, если она движется по инерции, а окна закрыты и трение, тормозящее карету, мало. По мысли Эйнштейна, это невозможно установить не только механическими приборами, но никакими другими опытами, в том числе и оптическими. Это значило, что во всех телах, движущихся по инерции при одинаковых условиях, все процессы происходят совершенно одинаково. Таким образом, совершенно исключается возможность оценивать при помощи этих процессов движение по инерции само по себе. По мнению Эйнштейна, для такой оценки всегда необходимо второе тело, относительно которого движется первое.

Движение по инерции не имеет абсолютного характера, оно по своей сути относительно. В этой мысли нет ничего парадоксального. Она естественно вытекает из многовекового опыта человечества. Мы никогда не ощущаем равномерных движений — движений с постоянной скоростью, а ощущаем только толчки — ускорения.

Сочетание принципа относительности движения с фактом постоянства скорости света повлекло за собой много неожиданного. Оказалось, что законы физики, верные и несомненные при малых скоростях, оказываются неверными, приближенными при скоростях, близких к скорости света. Не останавливаясь подробно на эффектах теории относительности и не объясняя их, приведем лишь некоторые из них, чтобы оттенить их внешнюю парадоксальность.

Например, если две ракеты летят навстречу одна другой и приборы в них показывают, что они сближаются со скоростью 240 тысяч километров в секунду, то приборы на Земле покажут иное. Они определят, что каждая из них имеет скорость 150 тысяч километров в секунду, а не 120 тысяч, как это кажется с первого взгляда и получилось бы из принципа относительности Галилея без учета постоянства скорости света. Простой закон сложения скоростей теряет силу и заменяется более сложным. Даже если каждая из ракет летит навстречу другой со скоростью большей чем 150 километров в секунду (по измерениям с Земли), их относительная скорость будет меньше суммы этих скоростей — меньше скорости света, которая является предельной скоростью, недостижимой для материальных тел. Никакие реальные процессы, даже простая передача сигналов по радио, не могут распространяться быстрее.

Но этим дело не кончится.

Земные приборы покажут, что метровые линейки на обеих ракетах укоротились и содержат только 85 земных сантиметров. В то же время приборы на обеих ракетах будут показывать, что укоротился метр на Земле и в нем тоже только 85 «ракетных» сантиметров. Более того, приборы на каждой ракете зафиксируют, что метр на другой ракете укоротился сильнее, чем земной, и что он содержит только 60 сантиметров той ракеты, где ведется измерение.

То же самое произойдет с часами. Земные часы покажут, что часы на обеих ракетах отстают и проходят только 51 минуту за земной час. А часы на ракетах столь же бесспорно покажут, что отстают земные часы, которые проходят только 51 минуту за «ракетный» час. Но часы чужой ракеты будут отставать еще больше и проходить лишь 36 минут за этот же час.

События, кажущиеся одновременными при наблюдении с Земли, будут неодновременными для пассажиров ракет.

Эти выводы кажутся парадоксальными, но они неизбежно следуют из того факта, что, находясь в состоянии невесомости внутри закрытой ракеты, летящей к звездам, космонавт не чувствует ее движения и не сможет обнаружить этого движения никаким опытом. Но, открыв иллюминаторы и наблюдая внешние явления, космонавт увидит бесконечное многообразие мира, причем то, что он будет видеть и что измерят его приборы, окажется зависимым от скорости его ракеты относительно внешних тел.

Это означает, что пассажирам двух космических ракет, движущихся с разными скоростями, окружающий их мир будет видеться различным. Звезды будут казаться и по цвету и по форме иными и совершенно не такими, какими они видны с Земли. События в различных точках пространства, которые космонавтам одной ракеты кажутся одновременными, другим будут казаться происходящими в разное время.

Из работ Эйнштейна следует, что в ракете, летящей со скоростью, близкой к скорости света, время заметно замедляет свой бег. Что за год, проведенный космонавтом в такой ракете, на Земле могут пройти сотни лет.

Конечно, возникает естественный вопрос, почему время замедляется на ракете, а не на Земле? Ведь их движения относительны, и с точки зрения теории они равноправны.

Но так кажется только с первого взгляда. В действительности ракета и Земля равноправны только в то время, когда ракетные двигатели выключены и ракета движется по инерции. Но парадокс возникает только тогда, когда ракета вновь приземлится и можно будет сверить часы, поместив их рядом. А для этого нужно включить двигатели, чтобы повернуть ракету на обратный курс и посадить на Землю. Но во время работы двигателей с ускорением движется именно ракета, а не Земля. В это время они не равноправны и бег времени в ракете изменяется.