Глава 2. Е — это энергия

Глава 2. Е — это энергия

Слово «энергия» на удивление молодо, проследить происхождение нынешнего его смысла удается лишь до середины 1800 годов. И дело вовсе не в том, что до той поры никто не осознавал, что вокруг нас существуют самые разные силы — потрескивание статического электричества, буйные ветра, срывающие паруса с мачт. Просто всем казалось, что эти силы никак одна с другой не связаны. Не существовало понятия «энергии», которое охватывало бы их все.

Одним из людей, сыгравших важнейшую роль в изменении этого понятия, был Майкл Фарадей, очень толковый подмастерье переплетчика, которому однако же не хотелось заниматься всю жизнь одним лишь переплетным делом. Впрочем, в Лондоне 1810-х это занятие не только позволяло избежать бедности, но и обладало еще одним редкостным преимуществом: «Там было столько книг, — годы спустя говорил Фарадей другу, — и я их читал». Впрочем, чтение это было, что сознавал и сам Фарадей, фрагментарным — несколько страниц из одной книги, несколько из другой. Но иногда, оставаясь вечерами в одиночестве, он прочитывал при свече или лампе целые тетрадки из шестнадцати, а то и тридцати двух ожидавших переплета страниц.

Он мог так и остаться переплетчиком, однако в георгианской Англии существовала хоть и малая, но все же не нулевая социальная мобильность. Когда Фарадею было двадцать лет, один из посетителей мастерской предложил ему билеты на лекции, читавшиеся в «Королевском институте». Сэр Гемфри Дэви рассказывал там об электричестве, о скрытых силах, которые должны существовать под внешней оболочкой видимого мира. Фарадей отправился на лекции и понял, что ему выпала удача увидеть жизнь намного лучшую, чем та, какую он вел, работая в мастерской. Но как в эту жизнь войти? Ни в Оксфорде, ни в Кембридже он не учился, да и того, что мы именуем теперь средней школой, тоже почти не посещал. Денег у Фарадея было ровно столько, сколько мог дать ему работавший кузнецом отец, — то есть не было никаких, — а в друзьях у него состояли такие же бедняки, как он.

Зато он умел красиво переплетать книги. У Фарадея издавна завелась привычка делать, если выпадала такая возможность, заметки, вот он и принес в мастерскую свои записи лекций Дэви. Там он переписал их заново, присоединив к ним зарисовки демонстрационных приборов, которыми пользовался Дэви. Затем переписал получившуюся рукопись еще раз — все эти черновики хранятся ныне, как святые реликвии, в подвальном архиве лондонского «Королевского института», — взял кожу, шило, гравировальные инструменты и переплел все в роскошную книгу, которую и послал сэру Гемфри Дэви.

Дэви написал Фарадею, что хочет увидеться с ним. Молодой человек понравился ученому, и тот после нескольких приводивших Фарадея в уныния неудачных попыток все же нашел для него место лабораторного ассистента.

На старых товарищей Фарадея по мастерской это могло произвести сильное впечатление, однако новое его положение было вовсе не тем идеалом, к которому он стремился. Временами Дэви обращался с ним как дружелюбный наставник, временами же, — Фарадей писал об этом друзьям, — впадал в раздражение и отталкивал его. И это особенно огорчало Фарадея, ибо в науку он пришел благодаря доброму участию Дэви, его словам о том, что, если человек достаточно искусен и способен видеть то, что было доселе скрыто, он может связать весь наш опыт в единое целое.

Дэви понадобилось несколько лет, чтобы проникнуться к Фарадею окончательной симпатией, и как раз в эту пору молодого ученого попросили разобраться в удивительном открытии, сделанном в Дании. До того времени все знали, что между электричеством и магнетизмом нет и не может быть никакой связи. Электричество было чем-то таким шипящим и потрескивающим, исходящим из батарей. Магнетизм — невидимой силой совсем иного рода, притягивавшей стрелки навигаторских компасов или заставлявшей куски железа липнуть к магнитному железняку. Никакого отношения к батареям и электрическим контурам магнетизм не имел. И тем не менее, некий копенгагенский лектор обнаружил ныне, что если пропустить по проводу электрический ток, стрелка лежащего поверх провода компаса слегка сдвинется в сторону.

Объяснить это явление никому не удавалось. Как может сила скрытого в металле электричества выскочить наружу и повернуть стрелку магнитного компаса? И вот, когда к Фарадею, которому шел уже третий десяток лет, обратились с просьбой — попробовать выяснить, как это происходит, в письмах его немедленно зазвучали гораздо более веселые нотки.

Он начал ухаживать за девушкой («Вы знаете меня хорошо или даже лучше, чем я сам, — писал он ей. — Знаете мои прежние предубеждения, нынешние мысли — знаете мои слабости, мое тщеславие, весь мой ум»), и девушке его ухаживание понравилось: в середине 1821 года, когда Фарадею уже исполнилось двадцать девять лет, они вступили в брак. Он стал официальным членом церкви, к которой многие годы принадлежали его родные. То была мирная, буквалистская секта, именовавшаяся «зандеманианцами» — по имени Роберта Зандемана, который перевез ее в Англию. И самое главное, у Фарадея появилась возможность произвести впечатление на сэра Гемфри Дэви: отплатить ему за изначальную веру в малообразованного молодого переплетчика и пробиться, наконец, сквозь необъяснимые барьеры, которые Дэви воздвиг между ними.

Как это ни странно, ограниченность формального образования Фарадея сильно сыграла ему на руку. Такое случается не часто, потому что, когда некая научная проблема достигает достаточно высокого уровня разработки, отсутствие образования не позволяет людям со стороны даже подступиться к ней. Двери закрываются, статьи становятся непонятными. Однако в те ранние дни понимания сути энергии все было иначе. Большинству студентов, будущих ученых, втолковывали, что любое сложное движение раскладывается на сочетание толчков и притяжений, которые распространяются по прямым линиям. Поэтому для них были лишь естественными попытки отыскать какие-то направленные по прямой притяжения между магнитами и электричеством. Однако этот подход не показывал, каким образом электрическая сила воздействует, пронизывая пространство, на магнетизм.

А поскольку Фарадею мысли о прямых линиях никто не внушал, он обратился, как к источнику вдохновения, к Библии. Зандеманианцы веровали в совсем иную геометрическую фигуру: в круг. Люди святы, говорили они, и каждый из нас имеет обязательства перед другими, на святости нашей природы и основанные. Я помогу тебе, ты поможешь еще кому-то и так оно будет продолжаться, пока не замкнется круг. И этот круг — понятие вовсе не отвлеченное. Фарадей в течение многих лет проводил значительную часть своего свободного времени либо в церкви, рассуждая об этих круговых отношениях, либо в работе, посвященной благотворительности и взаимопомощи.

К исследованиям взаимосвязи электричества и магнетизма он приступил в конце лета 1821 года — за двадцать лет до того, как родился изобретатель телефона Александер Грэхем Белл; за пятьдесят до рождения Эйнштейна. Фарадей вертикально установил на столе магнит. Вера, в которой он был воспитан, внушала ему мысль о вихре завивающихся вокруг магнита незримых круговых линий. Если он прав, свободно подвешенный проводник будет втянут в эти таинственные круги, как лодчонка в водоворот. Фарадей подключил проводник к батарее.

И сразу же совершил величайшее открытие своего века.

Впоследствии, как уверяет апокрифическая история, — после всех его докладов, после того, как Фарадей стал членом «Королевского общества», — тогдашний премьер-министр спросил у него, какая от его открытия может быть польза, и Фарадей ответил:

— Ну как же, премьер-министр, настанет день и вы сможете облагать его налогом.

То, что открыл в своей подвальной лаборатории Фарадей, стало основой электрического двигателя. Вращающийся по кругу свободно свисающий проводник особо на этот двигатель не похож. Однако у Фарадея имелся всего лишь маленький магнит да и энергия в провод подавалась очень малая. Увеличьте ее и проводник будет все с тем же усердием описывать все те же круги, которые Фарадей навоображал в пустом на взгляд воздухе. В конце концов, вы сможете прицепить к такому проводу какой-нибудь тяжелый предмет и провод потащит его за собой — вот, собственно, так электродвигатель и устроен. И не важно, вращает ли он весящий не больше пера компьютерный диск или накачивает в реактивный двигатель тонны топлива.

Шурин Фарадея, Джордж Барнард, запомнил, каким тот был в миг открытия: «Когда провод начал вращаться, он вдруг вскричал: «Ты видишь, Джордж, видишь, видишь?…» Я никогда не забуду восторга на его лице и блеска в глазах!».

Глаза Фарадея блестели потому, что ему было лишь двадцать с небольшим лет, а он уже совершил великое открытие, которое, казалось, подтверждало истинность глубочайших идей его веры. Потрескивание электричества и безмолвная сила магнитного поля, — а теперь еще и быстрое кружение медного провода, — все они были связаны. С ростом количества электричества, наличный магнетизм убывает. Незримые вихри Фарадея представляли собой туннель, канал, по которому магнетизм может перетекать в электричество и наоборот. Полная концепция «энергии» пока еще сформулирована не была, однако открытие Фарадея, связавшее два разных вида энергии, приблизило ее создание.

То был наивысший взлет его жизни, — и именно тогда сэр Гемфри Дэви обвинил Фарадея в том, что идею тот украл у него.

Дэви начал рассказывать о том, как он лично обсуждал сей предмет с разными учеными, которые занимались исследованиями этого явления, — с людьми, получившими настоящее образование, — а Фарадей, надо полагать, просто подслушал их разговоры.

Россказни эти были лживыми, Фарадей пытался протестовать, просил — именем прежней дружбы — позволить ему объясниться, однако Дэви был непреклонен. Последовали намеки еще более грубые, пусть и высказывались они уже другими людьми, не самим Дэви: чего же еще и ожидать от столь молодого, лишенного основательного образования человека, низкого, к тому же, происхождения, как не попыток обманным путем выбиться из подмастерьев в люди? Прошло несколько месяцев и Дэви отступился, однако извинений он так и не принес и клевета осталась висеть в воздухе.

В своих заметках и личном дневнике Дэви часто писал о том, сколь важно помогать молодым людям. Беда состояла в том, что сам он попросту не мог подвигнуть себя на это. Вся эта история сводится к обычному противостоянию людей молодых и старых. Дэви был старше Фарадея всего-то лет на десять с небольшим. Однако Дэви нравилось, когда его изображали главой британской науки, а время, которое он проводил вне лаборатории, упиваясь вместе с своей весьма чувствительной к положению в свете женой хвалами лондонского высшего общества, лишь делало эти хвалы более лживыми. Он отнюдь не возглавлял новейшие исследования. Переписываясь с континентальными мыслителями, он сознавал, что получение письма от столь видного члена «Королевского института» должно производить на них внушительное впечатление, однако от предложения каких-либо свежих идей воздерживался.

Этого не замечал почти никто, но Фарадей замечал. Он походил на Дэви больше, чем кто-либо другой. Обоим пришлось начинать свой путь в науку со ступени, находившейся на уровень ниже, чем у их ученых современников. Фарадей не считал нужным просить за это прощения, а вот Дэви изо всех сил старался скрыть свое прошлое. И тихое присутствие рядом Фарадея, служило постоянным напоминанием о том, что пришлось пережить им обоим.

Фарадей никогда не сказал о Дэви ни одного дурного слова. Однако в течение нескольких лет после того, как были произнесены обвинения в плагиате, отзвуки которых долго еще носились в воздухе, он осмотрительно воздерживался от исследований, относившихся к переднему краю науки. И вернулся к работе лишь после смерти Дэви, последовавшей в 1829 году.

Фарадей дожил до преклонных лет, став со временем очень видным членом «Королевского института». Его восхождение было типичным для перехода науки из рук джентльменов в руки профессионалов. Клевета Дэви была давно забыта. Фарадей совершил еще несколько открытий, приобрел огромную славу, к нему часто обращались с письменными просьбами, подобными вот такой, например:

28 мая 1850

Дорогой сэр!

Мне пришла в голову мысль, что очень многим людям было бы весьма полезно иметь на столах, за которыми они завтракают, некий отчет о Ваших последних лекциях… Я был бы чрезвычайно рад возможности… отпечатать его в моем новом предприятии…

С великим уважением и почтительностью остаюсь, дорогой сэр, Вашим верным слугой

Чарльзом Диккенсом.

Впрочем, в последнее десятилетие своей жизни Фарадей, подобно Дэви, лишился возможности следить за новейшими результатами исследований. Однако концепция энергии уже вела собственную жизнь. Все на первый взгляд раздельные мировые силы медленно и величаво соединялись, дабы создать шедевр Века Виктории: огромное, единое царство Энергии. С тех пор, как Фарадей показал, что связаны даже электричество и магнетизм — два элемента, считавшиеся совершенно различными, — сообщество ученых проникалось все большей уверенностью в том, что и для всех прочих форм энергии может быть подобным же образом установлено существование глубоких связей. Существовала энергия химическая, выделявшаяся при взрыве пороха, существовала тепловая энергия трения, которая высвобождается, когда шаркаешь подошвой по земле, — и между ними тоже имелась связь. Когда порох взрывается, высвобождаемая при этом энергия, которая порождает взрывную волну и заставляет камни лететь по воздуху, должна быть в точности той, какая покоилась в химическом обличии внутри заряда.

Совсем не трудно проглядеть всю необычность концепции энергии, которую помогли создать труды Фарадея. Все выглядело так, точно Бог, творя вселенную, сказал: я собираюсь разместить в моей вселенной количество энергии, равное Х. Я позволю звездам расти и взрываться, планетам кружить по их орбитам, пусть люди строят огромные города, пусть сражаются и эти города разрушают, и пусть затем уцелевшие создают новые цивилизации. Пусть будут пожары, и кони, и волы, тянущие за собой телеги; пусть будет уголь и паровые машины, и фабрики, и даже мощные локомотивы. И все же, во всей этой последовательности событий, даже при том, что типы энергии, наблюдаемые людьми, будут меняться, даже при том, что энергия будет иногда выглядеть как тепло, согревающее мышцу человека или животного, а иногда, как сила водопада или извержение вулкана: несмотря на все это разнообразие, полное количество энергии останется тем же, что и в начале. То количество, которое я сотворил изначально, не изменится. Оно не станет меньшим и на одну миллионную долю.

В таком изложении все это выглядит чистой воды тарабарщиной — религиозными представлениями Фарадея о единой вселенной, в которой распространяется лишь одна единственная сила. Чем-то вроде слов Оби-Ван Кеноби из «Звездных войн»: «Сила это энергетическое поле, создаваемое всем живым; она связует галактику воедино».

И все же это правда! Когда вы в тишине ночного дома захлопываете дверцу буфета, энергия проявляется в скользящем движении дверцы, но точно такое же количество энергии уходит из ваших мышц. А когда дверца, наконец, закрывается, энергия ее движения не исчезает, она просто переходит в подрагивание буфета, возникающее после удара дверцы, в тепло, порождаемое трением ее скрипучих петель. И если вам приходится слегка упереться ногами в пол, чтобы не поскользнуться, захлопывая дверцу, Земля чуть сходит с орбиты, подпрыгивая вверх ровно настолько, насколько это необходимо, чтобы уравновесить ваше движение.

Равновесие во всем. Измерьте химическую энергию, скрытую в груде угля, потом спалите его в паровозной топке и измерьте энергию ревущего пламени и летящего вперед паровоза. Ясно, что форма энергии изменяется, разные системы и выглядят очень по-разному. Однако полное ее количество остается в точности тем же самым.

Работа Фарадея была частью самой успешной исследовательской программы, какую знал девятнадцатый век. Каждое количественное преобразование энергии, обнаруженное Фарадеем и другими учеными, теперь можно было просчитать и промерить. И когда это делалось, результаты всякий раз подтверждали, что полное количество энергии осталось не измененным — оно «сохранилось». Что и получило название Закона сохранения энергии.

Все было связанным, все опрятно уравновешенным. В последнее десятилетие жизни Фарадея Дарвину, похоже, удалось доказать, что Богу вовсе не требовалось создавать живые виды, населяющие нашу планету. Представления же Фарадея о неизменности энергии часто воспринималась как удовлетворительная альтернатива: доказательство того, что длань Господня действительно коснулась нашего мира и все еще остается в нем действующей силой.

Вот эта концепция сохранения энергии и преподавалась в кантональной школе города Аарау, что в северной Швейцарии, когда в 1895 году, через двадцать лет после смерти Фарадея, Эйнштейн поступил в нее, чтобы подготовиться к университетским экзаменам. Эйнштейн оказался в ней не по собственному почину, — он уже бросил в Германии вполне достойную среднюю школу и торжественно заявил себе, что школьной учебы с него хватит, — просто он провалился на вступительных экзаменах в Федеральную высшую техническую школу Цюриха, единственного университета, в который принимали людей без свидетельства о среднем образовании. Один из тамошних дружелюбных преподавателей счел Эйнштейна обладающим кое-какими достоинствами, и ректор, вместо того, чтобы сразу указать ему на дверь, посоветовал Эйнштейну поучиться в этой тихой северной школе, — обучение там велось неформально и индивидуально.

Когда Эйнштейн, наконец, поступил в Высшую техническую, — после первого упоительного романа с восемнадцатилетней дочерью его домохозяина в Аарау, — лекции по физике все еще читались там, как викторианское евангелие, главным в котором была всеохватывающая энергия. Однако Эйнштейну казалось, что его учителя не понимают сути того, о чем говорят. Энергия не была для них живой темой, требующей попыток понять, что она означает, прочувствовать те основные религиозные идеи, которыми руководствовались Фарадей и другие. Нет, для большинства их энергия и ее сохранение были просто формализмом, установленным набором правил. В то время б?льшая часть Западной Европы купалась в самодовольстве. Европейские армии были самыми мощными в мире; европейские идеи «явственно» превосходили идеи всех прочих цивилизаций. И если европейские мыслители объявили сохранение энергии истиной, так нечего было и лезть к ним с вопросами.

Эйнштейн же при всей покладистости, какую он проявлял во множестве иных отношений, самодовольства не переносил. Он перестал посещать многие университетские курсы — учителя, так относившиеся к делу, ничему его научить не могли. Ему требовалось нечто более глубокое и обширное. Тот же Фарадей и иные викторианцы, смогли ведь расширить концепцию энергии настолько, что она охватила, как им тогда казалось, все возможные силы.

Другое дело, что тут-то они и ошиблись.

В то время Эйнштейн этого еще не сознавал, однако он уже вышел на правильный путь. В Цюрихе было множество кофеен, и он проводил в них послеполуденные часы, попивая кофе со льдом, читая газеты, валяя дурака с друзьями. Однако потом наступали тихие минуты, в которые Эйнштейн, размышляя о физике, энергии и многом ином, начинал улавливать намеки на то, чем не ладны воззрения, которые ему преподают. Все те типы энергии, которые различили установившие их взаимную связь викторианцы, — химическая, энергия огня, электрических искр и пороховых зарядов, — это лишь крошечная часть того, что, возможно, существует на самом деле. В девятнадцатом столетии царство энергии считалось огромным, однако пройдет лишь несколько лет, и Эйнштейн обнаружит источник энергии, в сравнении с которым даже самые лучшие, самые востребованные источники, открытые викторианскими учеными, покажутся карликами.

Он обнаружит место, в котором кроется гигантская энергия и в которое никто до него даже не думал заглядывать. И прежние уравнения для поддержания мира в равновесии уже не понадобятся. Количество энергии, которое Бог дал нашей вселенной, окажется не зафиксированным раз и навсегда. Энергии может быть и побольше.