1 РЕАЛЬНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

1

РЕАЛЬНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

глава, в которой Эйнштейн разрушает абсолютное пространство и время Ньютона

Профессору Вильгельму Оствальду, 13 апреля 1901

Лейпцигский университет,

Лейпциг, Германия

Высокочтимый господин Профессор!

Пожалуйста, простите отца, который позволил себе обратиться к Вам, высокочтимый господин Профессор, в интересах своего сына.

Я начну с того, что моему сыну Альберту 22 года, что он учился в Цюрихском политехническом колледже 4 года и сдал этим летом дипломные экзамены по физике и математике на «отлично». С тех пор он безуспешно пытается получить должность ассистента, что позволило бы ему продолжить его образование в области теоретической и экспериментальной физики. Такую возможность, честно говоря, он заслуживает благодаря своим способностям. Смею заверить Вас, что он — необыкновенно трудолюбивый, прилежный и упорный, страстно любит свою науку.

Таким образом, мой сын чувствует себя совершенно несчастным и с каждым днем укрепляется в мысли, что лишен возможности заниматься любимым делом и никому не нужен. К тому же его тяготит мысль, что он обременяет нас, людей скромного достатка.

Поскольку именно Вас, высокочтимый господин Профессор, мой сын, по-видимому, уважает и почитает больше, чем любого другого преподавателя, занимающегося сейчас физикой, именно к Вам я решаюсь обратиться, покорнейше прося прочесть его статью, опубликованную в Annalen f?r Physick, и написать ему, по возможности, несколько слов одобрения, чтобы вдохновить его жить и работать далее.

Если, кроме того, Вы сможете предоставить ему должность ассистента этой или следующей осенью, моя благодарность не будет знать границ.

Я еще раз прошу Вас простить меня за то, что я дерзнул написать Вам, смею только заметить, что мой сын ничего не знает о моем поступке.

Остаюсь искренне Ваш, высокочтимый господин Профессор,

Герман Эйнштейн

Это действительно был для Альберта Эйнштейна период депрессии. Он не имел работы в течение восьми месяцев, с тех пор как окончил Цюрихский политехнический колледж в 21 год, и чувствовал себя неудачником.

В политехническом колледже (обычно называемом «ЕТН», по первым буквам немецкого названия) Эйнштейн обучался у нескольких физиков и математиков, имевших мировую известность, но не слишком ладил с ними. На рубеже веков научный мир состоял в основном из Профессоров (с большой буквы), требовавших и предполагавших почтения к себе, чему Эйнштейн не особенно следовал. Он с детства восставал против авторитетов, постоянно задавая неудобные вопросы и ничего не принимая на веру без самостоятельной проверки. «Бездумное поклонение авторитетам есть злейший враг истины», — утверждал он. Наиболее известный из двух его профессоров в ЕТН Генрих Вебер жаловался с раздражением: «Ты умный мальчик, Эйнштейн, очень умный мальчик, но у тебя один большой недостаток: ты не даешь возможности ничего тебе рассказать». Другой его преподаватель, профессор физики Жан Перне, даже спрашивал Альберта, не лучше ли ему вместо физики заняться изучением медицины, права или филологии. «Ты можешь поступать, как хочешь, — говорил Перне. — Я лишь предупреждаю тебя в твоих же собственных интересах».

Ситуацию усугубляло не слишком серьезное отношение Эйнштейна к лекциям. «Они просто должны запихать все это в наши головы перед экзаменами, хотим мы того или нет», — говорил он позднее. Его профессор математики, Герман Минковский, о котором мы много будем говорить в главе 2, был настолько недоволен отношением Эйнштейна к занятиям, что называл его лентяем.

Но лентяем Эйнштейн не был. Он просто подходил к лекциям избирательно: некоторые курсы посещал полностью, другие игнорировал, предпочитая заниматься самостоятельно, выбирая предметы по своему усмотрению и размышляя. Размышления увлекали его, приносили радость и удовлетворение; он сам учил себя «новой» физике, той физике, о которой Герман Вебер вообще не упоминал в своих лекциях.

Абсолютное пространство и время Ньютона и эфир

«Старая» физика — та, о которой Эйнштейн мог узнать от Вебера, представляла собой большую совокупность знаний, которую я буду называть ньютоновской физикой, не потому, что вся она принадлежала Исааку Ньютону (это, конечно, не так), а потому, что именно Ньютон заложил в XVII столетии ее фундамент.

В конце XIX века все разнообразие явлений физической Вселенной прекрасно объяснялось простым набором ньютоновских физических законов. Например, все явления, связанные с гравитацией, можно было объяснить с помощью ньютоновских законов движения и тяготения:

• Любое тело движется равномерно и прямолинейно, если на него не действуют силы.

• Если на тело действует сила, его скорость меняется с ускорением, пропорциональным этой силе и обратно пропорциональным массе тела.

• Между любыми двумя телами во Вселенной действует гравитационная сила, которая пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Применяя математические выкладки[49] к этим трем законам, физики XIX столетия могли объяснить орбиты планет вокруг Солнца, орбиты спутников вокруг планет, максимумы и минимумы океанских приливов, падение камней. Они даже могли определить массу Солнца и Земли. Аналогично, используя набор законов электромагнетизма, физики могли объяснить молнию, магниты, радиоволны, а также распространение, преломление и отражение света.

Удача и слава сопутствовали тем, кто сумел использовать законы ньютоновской физики в технике. Манипулируя законами термодинамики, Джеймс Ватт показал, как простейший паровой двигатель, изобретенный ранее, превратить в практичное устройство, получившее его имя. Внимательно изучая работы Джозефа Генри о законах электричества и магнетизма, Сэмюель Морзе создал коммерческую версию телеграфа.

Изобретатели и физики вместе гордились полнотой своего понимания. Казалось, все на Земле и в небесах подчиняется ньютоновским физическим законам, а власть этих законов давала людям власть над окружающим их миром и, возможно, однажды должна была дать им власть над всей Вселенной.

* * *

Все старые, хорошо изученные ньютоновские законы и их применение в технике Эйнштейн мог изучить на лекциях Генриха Вебера, и изучить хорошо. Действительно, в течение нескольких первых лет в ЕТН Эйнштейн был в восторге от Вебера. Единственной женщине на его курсе в ЕТН, Милеве Марич (в которую он был влюблен), он писал в феврале 1898 г.: «Вебер читает мастерски. Я с нетерпением предвкушаю каждую новую лекцию».

Но на четвертом курсе Эйнштейн почувствовал растущее неудовлетворение. Вебер преподавал только старую физику. Он полностью игнорировал некоторые из наиболее важных достижений последних десятилетий, включая открытие Джеймсом Кларком Максвеллом нового изящного набора уравнений электромагнетизма, из которого можно было вывести все электромагнитные явления: поведение магнитов, электрических разрядов, электрических цепей, радиоволны и свет. Эйнштейн вынужден был сам изучать единую теорию электромагнетизма Максвелла, читая новейшие книги, написанные физиками в других университетах, и можно предположить, что он не замедлил сообщить об этом Веберу. Его отношения с Вебером испортились.

В ретроспективе ясно, что из того, что Вебер игнорировал в своих лекциях, наиболее важным были появившиеся свидетельства трещин в фундаменте ньютоновской физики, фундаменте, кирпичами и цементом которого были концепции абсолютного пространства и абсолютного времени.

Абсолютное пространство Ньютона было тем самым пространством, с которым мы имеем дело в повседневной жизни, пространством, имеющим три измерения: восток-запад, север-юг, верх-низ. Из повседневного опыта, очевидно, что существует одно и только одно такое пространство. Это пространство, в котором находятся все люди, Солнце, все планеты и звезды. Все мы движемся через это пространство по различным путям и с разными скоростями, но, независимо от нашего движения, пространство одинаково для всех нас. Это пространство дает нам ощущение длины, ширины и высоты, и, независимо от нашего движения, все мы должны получать одинаковые результаты при измерении длины, ширины и высоты одного и того же объекта, если только все мы измеряем их достаточно точно.

Абсолютное время Ньютона — это наше обычное время, время, которое неумолимо движется вперед, вызывая наше старение, время, которое можно измерять высококачественными часами или вращением Земли и движением планет. Это время, течение которого одинаково для всего человечества, для Солнца, для планет и звезд. Согласно Ньютону, период обращения планеты или продолжительность речи политика должны быть одинаковы для любого из нас, независимо от нашего движения, если только все мы пользуемся для измерения достаточно точными часами.

Если бы ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени вдруг оказалась разрушена, рухнула бы и вся система физических законов Ньютона. К счастью, год за годом, десятилетие за десятилетием, век за веком основные концепции Ньютона оставались незыблемыми, и на их основе один триумф следовал за другим во всех областях науки, от астрономии до электричества и термодинамики. До 1881 г., когда Альберт Майкельсон начал измерять скорость распространения света, не было даже намека на малейшую трещину в этом фундаменте.

Казалось очевидным, и законы Ньютона требовали этого, что если кто-то измеряет скорость света (или чего-то еще), то результат должен зависеть от того, как он сам движется. Если наблюдатель покоится в абсолютном пространстве, то он должен увидеть, что свет движется с одинаковой скоростью во всех направлениях. И наоборот, если наблюдатель сам движется сквозь абсолютное пространство, скажем, на запад, то должен увидеть, что свет, распространяющийся с востока на запад, замедляется, а свет, распространяющийся с запада на восток, ускоряется, так же как пассажир поезда, идущего на запад, видит, что птицы, летящие на запад, летят медленнее, а птицы, летящие на восток, — быстрее.

Для птиц скорость их движения устанавливает воздух. Отталкиваясь крыльями от воздуха, птицы одного вида движутся с одинаковой максимальной скоростью сквозь воздух, независимо от направления полета. Аналогично и для света, согласно ньютоновской физике, должна существовать субстанция, называемая эфиром, которая устанавливает его скорость распространения. Отталкиваясь электрическим и магнитным полем от эфира, свет должен распространяться всегда с одной и той же универсальной скоростью через эфир, независимо от направления. И поскольку эфир (согласно концепции Ньютона) покоится в абсолютном пространстве, покоящийся наблюдатель получит одинаковую скорость света для всех направлений, в то время как движущийся наблюдатель получит различные скорости света.

Учтем теперь, что Земля движется через абсолютное пространство, хотя бы потому, что она вращается вокруг Солнца. Она движется в одном направлении в январе и в противоположном шесть месяцев спустя, в июне. Соответственно, мы на Земле можем измерить разницу в скорости света в различных направлениях, и эта разница должна изменяться в течение года, хотя изменение это и очень невелико (примерно на 0,01 %), поскольку по сравнению со светом Земля движется очень медленно.

Проверка этого предсказания была отличной задачей для физи-ков-экспериментаторов. Двадцативосьмилетний американец Альберт Майкельсон попытался решить ее в 1881 г., используя созданный им прибор (называемый теперь «интерферометр Майкельсона»[50]), обладающий рекордной точностью. Но несмотря на все усилия, Майкельсон не смог обнаружить никаких признаков того, что скорость света меняется с направлением. Скорость света оказалась одинаковой всегда и во всех направлениях, как в его первой серии экспериментов, которые он провел в Потсдаме (Германия) в 1881 г., так и в последующей серии, которую Майкельсон провел в Кливленде (США, штат Огайо) вместе с химиком Эдвардом Морли в 1887 г. и которая отличалась гораздо большей точностью. Реакция самого Майкельсона на этот результат была сочетанием эйфории от сделанного открытия и беспокойства по поводу возможных следствий. Генрих Вебер, как и большинство физиков того времени, вообще отнесся к его результатам скептически.

Это было объяснимо. Интересные эксперименты обычно невероятно сложны — настолько сложны, что независимо от того, насколько тщательно они проводятся, ошибочный результат все равно возможен. Незначительное отклонение в работе установки, ничтожное неучтенное изменение ее температуры или колебание пола под ней может повлиять на конечный результат. Поэтому неудивительно, что и сейчас, так же как в конце XIX века, физики сталкиваются с тем, что результаты чрезвычайно сложных экспериментов порою противоречат друг другу или устоявшимся представлениям об устройстве Вселенной и ее физических законах. Свежим примером могут служить опыты, в которых, якобы, была обнаружена «пятая сила» (взаимодействие, которое не описывает современная, чрезвычайно успешная физическая теория), и другие опыты, показавшие, что такой силы нет. Проводились также эксперименты, в которых, как было заявлено, наблюдался «холодный термоядерный синтез» (явление, запрещенное обычными законами, если только физики правильно понимают эти законы), хотя другие эксперименты показывали, что этого не происходит. Почти всегда результаты, противоречащие устоявшимся представлениям, ошибочны. Тем не менее, иногда они все же оказываются верными и тогда становятся началом переворота в нашем понимании природы.

Одной из отличительных черт выдающегося физика является способность чувствовать, каким результатам можно доверять, а каким — нет, и на какие именно эксперименты следует обратить внимание. Техника будет совершенствоваться, любые эксперименты будут повторяться снова и снова, и истина неизбежно выяснится. Однако тот, кто хочет внести свой вклад в развитие науки и связать свое имя с великими открытиями, должен как можно раньше распознавать, какие результаты заслуживают доверия.

Несколько выдающихся физиков конца XIX века проверяли работы Майкельсона и пришли к выводу, что и конструкция установки, и сами измерения были сделаны чрезвычайно тщательно. Чутье говорило им, что это эксперимент высочайшего класса. Может быть, решили они, что-то действительно неверно в самой основе ньютоновской физики. В отличие от них, Генрих Вебер и большинство остальных физиков были уверенны в том, что со временем дальнейшие исследования поставят все на свои места, и ньютоновская физика восторжествует, как это уже много раз случалось. Раз так, не стоит даже упоминать эти опыты в университетских лекциях и морочить студентам головы.

Ирландский физик Джордж Ф. Фицджеральд был первым, кто по достоинству оценил результаты Майкельсона — Морли и стал анализировать их следствия. Сравнивая их с результатами других экспериментов, он пришел к неожиданному выводу, что ошибочным является понимание физиками того, что такое «длина» и, соответственно, что-то может быть неверным в ньютоновской концепции абсолютного пространства. В короткой статье, опубликованной в американском журнале Science в 1889 г., он, в частности, писал:

Я с огромным интересом прочитал о прекрасных, высокоточных измерениях Майкельсона и Морли… Их результат кажется противоречащим результатам других экспериментов… Я полагаю, практически единственным предположением, которое способно снять это противоречие, является то, что длина материальных тел меняется в зависимости от того, как они движутся через эфир [через абсолютное пространство], на величину, зависящую от квадрата отношения скорости их движения к скорости света.

Ничтожное (на пять миллиардных долей) уменьшение размера в направлении движения Земли действительно могло объяснить нулевой результат опытов Майкельсона — Морли. Но признать наличие такого эффекта означало отказаться от существовавшего у физиков понимания поведения материи: среди известных сил не было такой, которая могла бы вызвать сжатие предметов в направлении их движения, даже на такую маленькую величину. Согласно существовавшему представлению о свойствах пространства и молекулярных сил внутри твердых тел, равномерно движущееся твердое тело всегда должно сохранять свою форму и размеры по отношению к абсолютному пространству, не зависимо от того, как быстро оно движется.

Хендрик Лоренц в Амстердаме тоже поверил результатам опытов Майкельсона — Морли. Кроме того, он принял всерьез предположение Фицджеральда о том, что движущиеся предметы сокращаются. Фицджеральд, узнав об этом, написал Лоренцу письмо с выражением благодарности, поскольку, как он писал, «я сам слегка посмеивался над своими взглядами». В поисках лучшего понимания Лоренц и, независимо, Анри Пуанкаре в Париже (Франция), а также Джозеф Лармор в Кембридже (Англия) заметили одну особенность в законах электромагнетизма, которая замечательно согласовывалась с идеей Фицджеральда о сокращении движущихся тел.

Если записать уравнения Максвелла для электрических и магнитных полей, измеренных наблюдателем, покоящимся в абсолютном пространстве, они принимают особенно простой и красивый вид. В частности, из одного из уравнений следует, что магнитные силовые линии не имеют начала и конца, т. е. всегда являются замкнутыми (см. рис. 1.1 а, б). С другой стороны, если записать те же уравнения, но для полей, измеряемых движущимся наблюдателем, они становятся гораздо более сложными и невыразительными. Например, получалось, что большинство магнитных силовых линий должны оставаться замкнутыми, но некоторые из них, вследствие этого движения, обрываются. Хуже того, если, например, экспериментатор начнет трясти магнит, то его силовые линии должны обрываться, затем срастаться, потом снова обрываться и так далее (см. рис. 1.1 в).

Математическая теория, предложенная Лоренцом, Пуанкаре и Лармором, позволяла сделать уравнения электромагнетизма в системе движущегося наблюдателя красивыми, такими же, как и для наблюдателя, покоящегося в абсолютном пространстве. Магнитные силовые линии оставались замкнутыми при любых обстоятельствах. И для того чтобы придать уравнениям Максвелла простой и красивый вид, нужно было, вопреки принципам Ньютона, считать, что все движущиеся тела сокращаются в направлении своего движения на величину, в точности совпадающую с той, которая была нужна Фицджеральду для объяснения результатов Майкельсона — Морли!

Если бы фицджеральдовское сокращение было единственной «новой физикой», необходимой для того, чтобы сделать простоту и красоту законов электромагнетизма универсальной, Лоренц, Пуанкаре и Лармор с их интуитивной верой в то, что законы физики должны быть красивыми, возможно, отказались бы от принципов Ньютона и твердо поверили бы в существование такого сокращения. Но его было недостаточно. Чтобы сделать уравнения красивыми, надо было считать, что время для движущегося через пространство наблюдателя течет медленнее, чем для того, который находится в покое. Выходило, что движение «замедляет» время.

1.1. Следствия одного из уравнений Максвелла, описывающих электромагнетизм, с точки зрения физики XIX века (ньютоновской физики), (а) Концепция магнитных силовых линий. Если положить стержневой магнит под лист бумаги, на котором рассыпаны металлические опилки, можно увидеть изображение силовых линий магнитного поля. Каждая линия выходит из северного полюса магнита, огибает его, входит в южный полюс и, проходя через магнит, замыкается. Таким образом, силовые линии — это замкнутые кривые, у которых нет начала и конца. С точки зрения математики утверждение о том, что магнитные силовые линии не имеют начал и концов — это одно из уравнений Максвелла в его простейшей и наиболее красивой форме, (б) Согласно ньютоновской физике, уравнение в такой форме справедливо вне зависимости от того, что наблюдатель делает с магнитом (например, даже если он трясет его изо всех сил) до тех пор, пока сам наблюдатель покоится относительно абсолютного пространства. Ни одна силовая линия не имеет начала или конца с точки зрения того, кто неподвижен, (в) С точки зрения наблюдателя на поверхности Земли, которая движется через абсолютное пространство, все выглядит гораздо сложнее. Даже если его магнит спокойно лежит на столе, некоторые силовые линии (примерно одна на сто миллионов) будут разорваны. Если наблюдатель будет трясти магнит, другая часть силовых линий (примерно одна из триллиона) будет разрываться и вновь замыкаться в процессе тряски. Хотя обрыв одной из ста миллионов и, тем более, из триллиона силовых линий — это слишком мало, чтобы такой эффект мог быть обнаружен в экспериментах XIX века, сам факт, что уравнения Максвелла предсказывают его, казался противоестественным Лоренцу, Пуанкаре и Лармору.

Здесь законы ньютоновской физики были недвусмысленны. Время должно быть абсолютно. Оно течет равномерно и неумолимо, с одинаковой скоростью для всех наблюдателей, независимо от их движения. Если ньютоновские законы верны, то движение не может вызвать замедление времени, так же как оно не может вызвать сокращение длины. К сожалению, точность часов, существовавших в конце XIX века, была совершенно недостаточна для проверки. Перед лицом научного и технического триумфа ньютоновской физики, триумфа, который был основан на абсолютности пространства, Лоренц, Пуанкаре и Лармор отступили.

Эйнштейн, будучи студентом в Цюрихе, был еще не готов взяться за решение столь сложных проблем, но он уже начинал размышлять о них. Своей подруге Милеве Марич (роман с которой становился у него все серьезнее) он писал в августе 1899 г.: «Я все более и более убеждаюсь, что электродинамика движущихся тел в ее сегодняшнем виде неверна». В течение последующих шести лет, становясь все более зрелым физиком, он будет исследовать эту проблему и идти к пониманию реальности сокращения длины и замедления времени.

В отличие от Эйнштейна Вебер не интересовался столь сомнительными исследованиями. Он продолжал читать лекции о ньютоновской физике так, как будто все шло своим чередом и не существовало даже намека на трещины в ее фундаменте.

* * *

В конце своего обучения в ЕТН Эйнштейн наивно предполагал, что, поскольку он умен и не так уж плохо сдавал экзамены (средний балл 4,91 из 6,00), ему будет предложена должность ассистента-физика в ЕТН под руководством Вебера и что он, как это обычно случалось, сможет использовать эту должность как ступень лестницы в научный мир. Будучи ассистентом он мог бы начать самостоятельные научные исследования и через несколько лет получить степень доктора философии.

Но этого не случилось. Из четырех студентов, сдавших выпускной экзамен по объединенной физико-математической специальности в августе 1900 г., трое получили должности ассистентов-математиков в ЕТН, а четвертый — Эйнштейн не получил ничего. Вместо него Вебер взял в ассистенты двух студентов с инженерного факультета.

Эйнштейн продолжал свои попытки получить должность. В сентябре он пытался получить освободившееся место ассистента-математика в ЕТН, но ему отказали. Зимой он писал Вильгельму Оствальду в Лейпциг (Германия), Генриху Камерлинг-Оннесу в Лейден (Голландия). От них он вообще не удостоился ответа, хотя сейчас его письмо Камерлинг-Оннесу выставлено в музее Лейдена, а именно Оствальд десятью годами позже был первым, кто выдвинул Эйнштейна кандидатом на Нобелевскую премию. Даже письмо его отца, адресованное Оствальду, по-видимому, осталось без ответа.

Энергичной и волевой Милеве Марич, отношения с которой быстро развивались, Эйнштейн писал 27 марта 1901 г.: «Я совершенно уверен, что во всем виноват Вебер. Бессмысленно писать кому-то еще из профессоров, поскольку они, конечно же, в какой-то момент обратятся к Веберу за информацией обо мне, и он даст очередную плохую рекомендацию». Своему близкому другу Марселю Гроссману он писал 14 апреля 1901 г.: «Я давно бы нашел должность ассистента, если бы не коварство Вебера. Но я не собираюсь опускать руки и терять чувство юмора. Бог создал осла и наделил его толстой шкурой».

Ослиная шкура очень пригодилась бы Эйнштейну в это время. Мало того, что он безрезультатно пытался найти работу, его родители были твердо настроены против его брака с Милевой, а выяснение отношений проходило очень бурно. Его мать писала о Милеве: «Из-за этой мисс Марич я пережила самые горькие часы в моей жизни. Если бы это было в моих силах, я сделала бы все, чтобы она исчезла с нашего горизонта. Я терпеть ее не могу». Милева о матери Эйнштейна писала следующее: «Эта леди, по-видимому, сделала целью своей жизни отравить существование не только мне, но и своему сыну. Я и не думала, что есть такие бессердечные и злые люди!»

Эйнштейн отчаянно стремился вырваться из финансовой зависимости от своих родителей, обрести душевный покой и возможность отдавать львиную долю своих сил физике. Возможно, следовало поискать что-то иное, кроме должности ассистента в университете. Полученное в ЕТН образование позволяло ему преподавать в гимназии (в старших классах), чем он и стал заниматься: в середине мая ему удалось получить временную работу в высшей технической школе в Винтертуре (Швейцария), где он замещал преподавателя математики, призванного на службу в армию.

Эйнштейн писал Альфреду Штерну, своему бывшему профессору истории в ЕТН: «Я вне себя от радости, поскольку сегодня я получил сообщение, что решение [о том, что меня принимают на работу преподавателем] принято. Я не имею ни малейшего представления, кто тот добродетель, который рекомендовал меня туда, поскольку, как мне говорили, меня нет в списке хороших учеников ни у кого из моих бывших учителей».

Работа в Винтертуре, за которой осенью 1901 г. последовала другая временная должность — преподавателя в высшей школе в Шаффхаузене (Швейцария) и, наконец, место «технического эксперта третьего класса» в Швейцарском патентном бюро в Берне, обеспечили ему независимость и стабильность.

Слева: Эйнштейн за своим столом в патентном бюро в Берне, Швейцария, около 1905 г. Справа: Эйнштейн с женой Милевой и сыном Гансом Альбертом, около 1904 г. [Фото слева любезно предоставлено Архивом Альберта Эйнштейна Еврейского университета Иерусалима; правое — Швейцарским литературным архивом / Архивом Общества Эйнштейна]

Несмотря на продолжающиеся проблемы в его личной жизни (длительный разрыв с Милевой; рождение у них внебрачного ребенка в 1902 г., которого, судя по всему, они отдали на усыновление, возможно, для того, чтобы спасти карьеру Эйнштейна в пуританской Швейцарии; его женитьба на Милеве год спустя, вопреки воле его родителей), Эйнштейн сохранил бодрость духа и ясный ум. Он продолжал серьезно заниматься физикой. В 1901–1904 годах он продемонстрировал свои способности физика-теоретика исследованиями межмолекулярных сил в жидкостях, таких, как вода, и в металлах, а также работами, посвященными природе теплоты. Его новое понимание этих явлений, оказавшееся чрезвычайно важным, нашло отражение в серии из пяти статей, опубликованных в самом престижном журнале начала XX века Annalen der Physik.

Работа в патентном бюро в Берне хорошо подходила Эйнштейну. В его обязанности входило определять, может ли заявленное изобретение найти применение. Это было приятное занятие, обострявшее его чутье. В то же время эта работа оставляла свободными половину каждого рабочего дня и все выходные. Большую часть этого времени он проводил в изучении физики и размышлениях о ней, как правило, прямо посреди семейной суеты.

Его способность к сосредоточению вопреки любым отвлекающим факторам была описана студентом, который побывал у него дома через несколько лет после его брака с Милевой: «Он сидел в кабинете перед горой бумаг, покрытых математическими формулами. Продолжая вести записи правой рукой и держа своего младшего сына в левой, он отвечал на вопросы своего старшего сына Альберта, который играл рядом в кубики. Со словами «подождите минутку, я почти закончил», он на какое-то время оставил детей на мое попечение, а сам погрузился в работу».

В Берне Эйнштейн был изолирован от других физиков (хотя у него было несколько друзей, не занимающихся физикой, с которыми он обсуждал науку и философию). Для большинства физиков такая изоляция была бы губительной. Но отличие его интеллекта состояло в том, что он работал более плодотворно в одиночестве, чем в атмосфере научного сообщества.

Иногда все же общение помогало Эйнштейну — но не потому, что оно предполагало новые точки зрения или ценную информацию, а потому, что он сам, объясняя проблемы и парадоксы, лучше понимал их. Особенно помогал ему Микеланджело Бессо — итальянский инженер, который был сокурсником Эйнштейна в ЕТН и который работал вместе с ним в патентном бюро. Эйнштейн говорил о Бессо: «Лучшего слушателя я не смог бы найти во всей Европе».

Относительные пространство и время Эйнштейна и абсолютная скорость света

Особенно помог Микеланджело Бессо в мае 1905 г., когда Эйнштейн после нескольких лет, посвященных другим физическим проблемам, вернулся к электродинамике, уравнениям Максвелла и заманчивой гипотезе о сокращении длины и замедлении времени. В поисках смысла, заключенного в этой гипотезе, он натыкался на барьер в сознании, преодолеть который ему помогло общение с Бессо. Позднее он вспоминал: «Это был замечательный день, когда я пришел к Бессо и сказал ему: “У меня есть одна проблема, в которой я никак не могу разобраться. Сегодня я пришел, чтобы вместе решить ее”. Мы долго беседовали, и внезапно я понял, в чем тут дело. На следующий день я снова пришел к Бессо и вместо приветствия сказал ему: “Спасибо! Я нашел правильное решение”».

Решение Эйнштейна состояло в следующем: Нет ни абсолютного пространства, ни абсолютного времени. Ньютоновский фундамент, на котором была построена вся физика, треснул. А что касается эфира, то его просто не существует.

Отрицая абсолютное пространство, Эйнштейн сделал совершенно бессмысленным само представление о «состоянии покоя в абсолютном пространстве». Невозможно обнаружить движение Земли через абсолютное пространство, заявил он, и именно поэтому результаты опытов Майкельсона — Морли таковы, каковы они есть. Скорость движения Земли можно измерить только относительно других тел, таких как Солнце или Луна, точно так же, как скорость поезда может быть измерена лишь относительно каких-то материальных объектов, например, земли или воздуха. Ни к Земле, ни к поезду, ни к чему-то другому не может быть применено понятие абсолютного движения; движение всегда относительно.

Отрицая абсолютное пространство, Эйнштейн также отверг утверждение, что все наблюдатели, независимо от своего движения, должны получать одинаковые результаты при измерении длины, ширины и высоты одного и того же стола, поезда и любого другого объекта. Наоборот, утверждал он, длина, ширина и высота — это относительные понятия. Их величины зависят от относительного движения измеряемого объекта и того, кто производит измерения.

Отрицая абсолютное пространство, Эйнштейн отрицал и то, что течение времени одинаково для всех, вне зависимости от того, кто как движется. Время относительно, заявил он. Для людей и предметов, движение которых отличается, оно также течет по-разному.

От таких утверждений появляется ощущение, что почва уходит из-под ног. Действительно, они не только подрывали основы всей ньютоновской физики, но и противоречили повседневному опыту, привычным представлениям о пространстве и времени.

Но Эйнштейн оказался не только разрушителем, но и созидателем. Взамен старого фундамента физики он построил новый, не менее прочный, который, как оказалось, гораздо точнее соответствует реальному устройству мира. Этот фундамент состоял из двух основных принципов.

• Принцип абсолютности скорости света: Независимо от своей природы пространство и время должны быть таковы, чтобы скорость света была абсолютно одинакова во всех направлениях и совершенно не зависела от движения тех, кто ее измеряет.

Этот принцип означал, что результат экспериментов Майкельсона — Морли верен и, независимо от того, насколько точнее станет техника измерения скорости света в будущем, он останется прежним: скорость света постоянна.

• Принцип относительности: Законы физики любой природы должны быть одинаковы для любой системы и независимы от ее движения (в физике принято говорить: «в любой системе отсчета»).

Этот принцип исключал возможность существования абсолютного пространства, поскольку, если бы законы физики были различны в различных системах отсчета (например, относительно Земли и относительно Солнца), физики могли бы выбрать «предпочтительную систему» (скажем, связанную с Солнцем) и определить относительно нее состояние «абсолютного покоя». Таким образом, понятие абсолютного пространства снова вкрадывалось бы в физику. Далее мы еще вернемся к этой проблеме.

Исходя их абсолютности скорости света, Эйнштейн вывел изящное. заключение, иллюстрация которого приведена на Врезке 1.1, и суть его в том, что, если мы с Вами движемся друг относительно друга, то то, что я называю пространством, оказывается смесью вашего пространства и вашего времени, а то, что вы считаете пространством, есть смесь моего пространства и моего времени.

Это «перемешивание пространства и времени» аналогично перемешиванию направлений на Земле. Природа дает два способа определения направлений: один связан с осью вращения Земли, а другой — с ее магнитным полем.

В Пасадене (Калифорния) направление на магнитный северный полюс, определенное по стрелке магнитного компаса, сдвинуто к востоку от направления на географический северный полюс (направления вдоль оси вращения Земли) примерно на 20 градусов (см. рис. 1.2). Это означает, что для того чтобы плыть к магнитному северному полюсу, надо частично (на 80 процентов) плыть на север и частично (на 20 процентов) — на восток. В этом смысле магнитный север есть смесь географического севера и географического востока, аналогичным образом, географический север можно считать смесью магнитного севера и магнитного запада.

Для того чтобы понять, что такое перемешивание пространства и времени {то, что я называю пространством, оказывается смесью вашего пространства и вашего времени, а то, что вы считаете пространством, есть смесь моего пространства и моего времени), представьте себе, что у вас есть спортивный автомобиль. Вы мчитесь посреди ночи по бульвару Колорадо в Пасадене (Калифорния) с огромной скоростью, а я, полицейский, в это время дежурю на обочине. Вы установили на крышу машины конструкцию, на которой закреплены петарды, так что первая из них оказалась над капотом, а последняя — над багажником (см. рис. 1.3а). Вы подвели к петардам электрическое зажигание и хотите взорвать их одновременно в тот момент, когда будете проезжать мимо моего полицейского поста.

1.2. Магнитный север можно считать смесью географического севера и географического востока, а географический север — смесью магнитного севера и магнитного запада.

На рис. 1.3б приведена диаграмма, которая иллюстрирует ситуацию с вашей точки зрения. По вертикали откладывается время, измеряемое вами («ваше время»), а по горизонтали — расстояние, измеряемое вами вдоль вашей машины («ваше пространство»). Поскольку все петарды неподвижны в вашем пространстве (закреплены на вашей машине), следовательно, течение вашего времени оставляет в вашем пространстве их на одних и тех же расстояниях. Этому соответствуют штриховые линии на диаграмме, по одной для каждой петарды. Они тянутся вертикально, снизу вверх, не отклоняясь ни вправо, ни влево, и обрываются на одной высоте, которая соответствует моменту взрыва. Каждое такое событие (взрыв петарды) изображено звездочкой.

Такой рисунок, на котором горизонтальное направление изображает пространство, а вертикальное — время, называется пространственно-временной диаграммой. Штриховые линии на нем называются мировыми линиями, потому что они показывают, как петарды «путешествуют по миру» в процессе течения времени. Далее в этой книге мы будем часто пользоваться пространственно-временными диаграммами и мировыми линиями.

1.3. (а) Ваша спортивная машина несется по бульвару Колорадо с закрепленными на крыше петардами. (6) Пространственно-временная диаграмма движения и взрывов петард с вашей точки зрения (движущейся вместе с машиной). (в) Пространственно-временная диаграмма, показывающая то же движение и взрывы петард с моей точки зрения (покоящейся на полицейском посту).

Движение по горизонтали на этой диаграмме соответствует движению через пространство в фиксированный момент вашего времени. Поэтому можно считать, что любая горизонтальная линия изображает пространство, как его видите вы («ваше пространство») в некоторый момент времени. Например, пунктирная линия на рисунке — это ваше пространство в момент взрыва петард. Движение по вертикали на диаграмме соответствует движению по времени в фиксированной точке вашего пространства. Соответственно, удобно считать, что каждая вертикальная линия на пространственно-временной диаграмме (например, мировая линия петард) — это изображение течения вашего времени в некоторой точке вашего пространства.

Я, стоя на посту у обочины бульвара Колорадо, тоже рисую пространственно-временную диаграмму (рис. 1.3в) вашей машины, ваших петард и их взрывов, но эта диаграмма будет отличаться от вашей. Я буду откладывать время, измеренное мной, по вертикали, а расстояние вдоль бульвара Колорадо — по горизонтали. С течением времени каждая петарда перемещается вдоль бульвара Колорадо вместе с вашей машиной с большой скоростью, соответственно, мировая линия каждой петарды на диаграмме будет наклонена вправо: к моменту своего взрыва петарда оказывается дальше от начала бульвара, чем в предыдущие моменты времени.

Далее, неожиданным следствием вывода об абсолютности скорости света, сделанного Эйнштейном, является то, что петарды взрываются в разные моменты времени с моей точки зрения, несмотря на то, что для вас это происходит одновременно. Для меня петарда над багажником вашей машины взрывается первой, а петарда над капотом — последней. Соответственно, пунктирная линия, которую мы назвали «вашим пространством в момент взрыва», оказалась наклоненной на моей пространственно-временной диаграмме (рис. 1.3в).

Из рис. 1.3в ясно, что для того чтобы перемещаться по вашему пространству, в ваш момент взрыва (вдоль пунктирной линии), я должен двигаться одновременно и по своему пространству, и по своему времени. В этом смысле ваше пространство есть смесь моего пространства и моего времени. Это полностью аналогично утверждению о том, что магнитный север — это смесь географического севера и географического востока (ср. рис. 1.3в и 1.2).

Вы можете заявить, что «смесь пространства и времени» есть ни что иное, как сложный, запутанный способ объяснения того, что одновременность или неодновременность событий зависит от того, как движется наблюдатель. Это верно, но физики, развивая теорию Эйнштейна, пришли к выводу, что такой способ описания является очень продуктивным. Он помог им разобраться в теории Эйнштейна (его новых законах физики) и, более того, вывести из нее такие потрясающие вещи, как черные дыры, червоточины, сингулярности, временные складки и машины времени.

Из абсолютности скорости света и принципа относительности Эйнштейн вывел другие примечательные свойства пространства и времени. Используя наш пример с гоночным автомобилем, можно сказать, что:

• Эйнштейн показал, что, если вы мчитесь на восток по бульвару Колорадо, я увижу, что ваше пространство и все, что в нем покоится (машина, петарды и вы сами), сжимается в направлении восток-запад, но не изменяется в направлениях север-юг и верх-низ. Это и есть сокращение длины, о котором догадался Фицджеральд, только теперь оно получило свое объяснение: это сокращение вызвано свойствами пространства и времени, а не какими-либо физическими силами, действующими на движущуюся материю.

• Аналогично, Эйнштейн показал, что, если вы мчитесь на восток, то для вас мое пространство и все, что покоится в нем (бульвар Колорадо, его обочина и я), сжимается в направлении восток-запад, но не изменяется в направлениях север-юг и верх-низ. То, что вы видите, что сжимаюсь я, а я вижу, что сжимаетесь вы, может показаться несколько странным, но на самом деле иначе и быть не может: принцип относительности требует, чтобы ваше движение относительно меня и мое относительно вас были полностью равноправны.

• Эйнштейн показал также, что, когда вы будете проезжать мимо меня, я увижу, что ваше время замедляется. Часы на панели вашего автомобиля будут тикать реже, чем на моей руке! Вы будете говорить медленнее, чем обычно, ваши волосы будут расти медленнее, вы будете стареть медленнее меня.

В соответствии с принципом относительности, проезжая мимо меня, вы заметите, что замедлилось течение моего времени. Вы увидите, что часы на моей руке тикают реже, чем те, что на панели вашего автомобиля. Для вас я буду говорить медленнее обычного, мои волосы будут медленнее расти, и стареть я буду медленнее вас.

Как могу я увидеть замедление вашего времени, когда вы видите замедление моего? Нет ли здесь логического противоречия? И почему вы видите, что сокращается мое пространство, а я вижу, что сокращается ваше? Разгадка кроется в том, что относительна одновременность. События, которые одновременны с вашей точки зрения, не будут одновременными для меня, и именно это расхождение приведет к тому, что различное течение времени и сокращение пространства в вашей и в моей системе отсчета будут находиться в полном логическом соответствии. Тем не менее, наглядная демонстрация этого соответствия потребовала бы еще несколько страниц, которые я собираюсь пропустить, отослав вас к Главе 3 книги Тейлора и Уилера (1992).

Почему же мы в своей повседневной жизни никогда не замечаем столь странного поведения пространства и времени? Причина этого в нашей медлительности. Скорости, с которыми мы движемся друг относительно друга, всегда намного меньше скорости света (299792 километров в секунду). Даже если ваша машина будет нестись по бульвару Колорадо со скоростью 150 километров в час, я увижу, что ваше время замедлилось (а пространство сжалось) лишь примерно на одну стотриллионную часть (1х10^-14), слишком мало, чтобы мы действительно могли это заметить. С другой стороны, если бы ваша машина могла двигаться со скоростью в 87 % от скорости света, то я (используя, конечно, специальные, быстродействующие инструменты) обнаружил бы, что ваше время стало вдвое медленнее моего, а вы наблюдали бы, что мое время течет в два раза медленнее вашего. Я видел бы, что ваша машина стала вдвое короче, а вы увидели бы, что вдвое короче стали предметы вокруг вашей машины. То, что пространство и время ведут себя именно таким образом, было многократно подтверждено различными экспериментами в конце XX века.

Врезка 1.1

Перемешивание пространства и времени: доказательство Эйнштейна

Принцип абсолютности скорости света, предложенный Эйнштейном, приводит к перемешиванию пространства и времени, или, другими словами, он приводит к тому, что одновременность становится относительной. Если вы мчитесь по бульвару Колорадо на спортивной машине, то события, которые одновременны с вашей точки зрения (которые в вашем пространстве происходят в один и тот же момент времени), не будут одновременными для меня, стоящего на обочине. Я буду доказывать это, используя подписи на пространственно-временных диаграммах, расположенных ниже. Это доказательство по сути такое же, как то, которое было придумано Эйнштейном в 1905 г.

Поставьте точно посередине на крышу вашей машины мигалку и включите ее. Будем считать, что она вспыхнула один раз, и свет от ее вспышки излучился вперед и назад. Поскольку свет в обоих направлениях был излучен одновременно, распространялся с одинаковой скоростью (скорость света абсолютна), а измеренное вами расстояние от мигалки до переднего и заднего краев машины одинаково, то с вашей точки зрения свет достигнет их одновременно (верхняя диаграмма). Таким образом, два события: приход света к переднему и заднему краю машины (назовем их А и Б соответственно) одновременны с вашей точки зрения и произошли в тот же момент, когда вами был зафиксирован взрыв петард (см. рис. 1.3).

Теперь давайте рассмотрим распространение света и события А и Б с моей точки зрения. Взгляните на нижнюю диаграмму. С моей точки зрения задний край вашей машины двигался вперед, навстречу свету от мигалки, и для меня они встретились раньше, чем для вас. Аналогично, передний край машины «убегал» от света, и с моей точки зрения свет достиг его позже, чем это увидели вы. Здесь принципиально то, что и для вас и для меня свет двигался с одной и той же скоростью, и эта скорость была одинакова во всех направлениях, т. е. важна абсолютность скорости света. Таким образом, я буду считать, что событие Б произошло раньше, чем А, и соответственно, увижу, что петарды над багажником вашей машины взрываются раньше, чем над капотом.

Обратите внимание, что положение взрывов на диаграмме (ваше пространство в один и тот же момент времени) такое же, как и на диаграмме на рис. 1.3. Это подтверждает факт перемешивания пространства и времени, о котором мы говорили.

Как удалось Эйнштейну прийти к столь неожиданному описанию пространства и времени?