В погоне за светом

Несмотря на то что Шрёдингеру так и не удалось посотрудничать с Больцманом, он изучал его работы и осознавал их важность и масштабность. Шрёдингер, несомненно, был блестящим студентом. Студенческая жизнь Эйнштейна, напротив, принесла ему разочарование: он был лишен возможности изучать действительно интересные ему глубокие теоретические вопросы. Поэтому Эйнштейн не относился ко многим учебным предметам, в особенности к математике, с должной серьезностью, так как не считал их значимыми для своих научных устремлений. Но личные связи, которые он завел в университете, оказались кардинально важными для его интеллектуального развития.

В отличие от Шрёдингера путь Эйнштейна от школы к университету и от университета к академической карьере был более извилистым. В 1893 году его отец не смог продлить контракт на электрификацию Мюнхена, а в следующем году он ликвидировал компанию и в поисках работы переехал со всей семьей в Милан. Эйнштейн, еще не завершивший свое обучение в Луитпольдовской гимназии, вынужден был остаться в Мюнхене один. Спустя несколько месяцев Эйнштейн решил, что настало время и ему покинуть Германию. Его заявка на выпуск экстерном была одобрена, и ему разрешили подать документы и сдать экзамены в университет досрочно. Поступать он решил в Швейцарскую высшую техническую школу в Цюрихе (ЕТН).

Примерно в это же время, в возрасте 16 лет, Эйнштейну приснился необычный сон — он видел, как бежит за световой волной и пытается ее догнать. Он задумался: а если бы он мог двигаться со скоростью света, то выглядела бы волна для него просто колеблющейся на месте? В конце концов, ведь если бежать рядом с велосипедом, то он будет казаться неподвижным. Как отмечал еще Ньютон, и покоящийся, и равномерно и прямолинейно движущийся наблюдатель находится в инерциальных системах отсчета, все законы движения в которых должны быть одинаковыми. То есть если два объекта движутся в одном направлении с одинаковой скоростью, то относительно одного из них второй будет покоиться, и наоборот. Однако в уравнениях Максвелла для электромагнитного поля ничего не говорится о том, движется наблюдатель или нет. Согласно этим уравнениям, свет в пространстве всегда движется с одной и той же скоростью. Эйнштейн понял, что предположения Ньютона и Максвелла явно противоречат друг другу. Прав мог быть только один из них — но кто?

Когда Эйнштейна занимал этот вопрос, сама мысль о том, что свет имеет постоянную скорость в вакууме — или что свет вообще может распространяться в пустоте — еще не получила широкого признания. Множество физиков того времени считало, что свет движется сквозь невидимую субстанцию, названную «светоносным эфиром» или просто эфиром. Если это действительно так, то должна существовать возможность обнаружить движение Земли относительно эфира. Однако известный эксперимент 1887 года, проведенный двумя американскими физиками — Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли, такого движения не обнаружил. Ирландский физик Эдвард Фитцджеральд и голландский физик Хендрик Лоренц в попытке объяснить поведение света с помощью законов механики Ньютона независимо друг от друга предположили, что объекты, движущиеся с большой скоростью, сжимаются в направлении движения. Этот эффект, названный сокращением Лоренца — Фитцджеральда, позволил интерпретировать результаты эксперимента как сжатие инструмента в направлении его движения, приводящее к тому, что измеряемая скорость света остается постоянной. Эйнштейн, тогда еще не знакомый с экспериментом Майкельсона — Морли, пытался разрешить этот парадокс, не прибегая к идее эфира. Еще до того, как он прочитал труды Маха, он каким-то образом догадался, что физика Ньютона устарела и нуждается в серьезном пересмотре.

Удивительно, но Эйнштейн, который в наше время считается настоящим гением, с первой попытки провалил экзамены в ЕТН.

Возможно, это и послужило поводом для известного мифа о том, что у Эйнштейна в школе была двойка по математике. В действительности самым слабым его местом оказалось сочинение на французском языке. Чтобы подготовиться получше, он год отучился в выпускном классе школы города Арау в Швейцарии. Он отважно отказался от немецкого гражданства, возможно, пытаясь оборвать все связи с прошлым. Живя без родителей и какое-то время без гражданства, он был очень необычным подростком. К счастью, со второй попытки он все же сдал экзамены и поступил в ЕТН в беспрецедентно юном семнадцатилетнем возрасте.

Во время учебы Эйнштейн понял, что физика в ЕТН преподается старомодно, с упором на традиционные разделы вроде механики, теплопередачи и оптики. О маховской критике Ньютона в этих почтенных аудиториях никто даже не слышал, и мало кто понимал теорию электромагнетизма Максвелла. Эйнштейн все еще размышлял о своей проблеме скорости света, но не мог найти ее решение на лекциях этого университета.

Университетские годы Эйнштейна совпали со временем поразительных открытий в физике. Пока в Вене Мах и Больцман вели горячие дебаты об атомизме, кембриджский физик Джозеф Джон Томсон в 1897 году представил экспериментальное доказательство существования частицы, значительно меньшей атома. Коллеги вначале с подозрением отнеслись к возможности существования чего-либо меньшего, чем якобы неделимое. Томсон назвал отрицательно заряженную частицу «корпускулой», но Фитцджеральд, следуя совету своего дяди, ирландского ученого Джорджа Стони, предложил назвать эту частицу «электроном». Именно этот термин и стал общепринятым. В Париже Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, изучая свойства радиоактивного урана вместе со своими аспирантами Марией Кюри и ее мужем Пьером Кюри. В 1898 году супруги Кюри открыли радий, еще один радиоактивный элемент. Все эти находки указывали на сложное устройство атомов — предмет исследований, которым позже займутся Эйнштейн, Шрёдингер и множество других физиков того времени. Но в ЕТН студентам предлагали придерживаться проверенной временем экспериментальной физики. Это явно шло вразрез со стремлением Эйнштейна найти новые объяснения явлениям окружающего мира.

Эйнштейну посчастливилось обрести друзей, которые поддерживали друг друга в исследованиях и обменивались идеями. Одним из главных его наперсников, с которым он познакомился не в университете, а на почве общей любви к музыке, был блестящий инженер шведско-итальянского происхождения Мишель Бессо. Бессо существенно повлиял на убеждения Эйнштейна, познакомив его с работами Маха. Эйнштейн и Бессо оставались друзьями всю жизнь.

Другим близким его другом был талантливый математик Марсель Гроссман. Эйнштейн пользовался его прекрасными конспектами по математике, когда решал прогулять лекцию, а это бывало довольно часто. Позже Гроссман стал профессором математики в ЕТН и помог Эйнштейну разработать математический аппарат общей теории относительности.

Учитывая престиж преподавателей в ЕТН, Эйнштейну следовало уделять математике больше внимания. Одним из его профессоров был Герман Минковский, который несколько лет спустя помог переформулировать специальную теорию относительности Эйнштейна более изящным и удобным образом. Минковский родился в Литве и получил образование в престижном Кёнигсбергском университете. Он был одним из немногих профессоров ЕТН, умевших включить в теоретическую физику жизненно важный аппарат высшей математики. Учитывая их дальнейшее сотрудничество, довольно забавно, что в то время Минковский не был высокого мнения о своем нерадивом студенте. Замечая, как часто Эйнштейн пропускает его лекции, Минковский называл его лентяем.

Эйнштейн, оправдывая позже свое пренебрежение математикой, говорил: «Мне, молодому студенту, было неясно, что более глубокое понимание физики зависит от знания сложнейших математических методов. Постепенное понимание этого пришло ко мне много позже, после долгих лет самостоятельной научной работы»^{19}. Конечно, Эйнштейну следовало бы больше внимания уделить приобретению навыков, необходимых для работы в области теоретической физики. Но у него была веская причина манкировать учебой. На втором курсе он влюбился в единственную в группе девушку Мнлеву Марич родом из Сербии. Их пламенная страсть нашла отражение в любовных письмах и стихах, опубликованных много лет спустя, после смерти Эйнштейна. Их отношения были чужды условностям, так как Эйнштейн искал взаимоотношений, основанных на равенстве, свободной любви и абсолютной поддержке идей и целей друг друга. Мать Эйнштейна не одобряла эту связь, надеясь, что сын выберет женщину из семьи такого же социального класса, придерживающейся таких же ценностей и имеющей такое же происхождение. Тем не менее их связь становилась крепче, а трения с семьей превращали их чувства друг к другу в пламенную революционную борьбу.

На третьем курсе ЕТН Эйнштейн прослушал несколько курсов физики, но произвести хорошее впечатление он не смог. Профессор Жан Перне, преподаватель курса «Физические задачи для начинающих», постоянно ругал Эйнштейна за частые прогулы и поставил ему самую низкую оценку. Преподаватель термодинамики профессор Генрих Фридрих Вебер не уделял достаточно внимания открытиям, сделанным Больцманом и другими физиками, и поэтому Эйнштейн решил изучать подход Больцмана самостоятельно. Самым важным в этом году для него стала возможность поработать в электротехнической лаборатории Вебера, оборудованной по последнему слову техники. Несмотря на все старания Эйнштейна, произвести впечатление на Вебера ему не удалось. Профессор-практик не терпел его неухоженного вида и юношеского идеализма.

Эйнштейн безуспешно пытался заинтересовать Вебера возможностью разрешения проблемы скорости света. Он попросил предоставить ему лабораторию, чтобы зарегистрировать движение Земли сквозь эфир, не зная, что несколькими годами ранее Микельсон и Морли уже провели подобный эксперимент. Учитывая отсутствие у Вебера интереса к электромагнитной теории Максвелла и другим недавним открытиям, неудивительно, что тот скептически отнесся к просьбе студента и не поддержал идею эксперимента. Репутацию Эйнштейна ухудшило и то, что, проигнорировав инструкции, он повредил руку, устроив взрыв в лаборатории Перне. Учеба в ЕТН подходила к концу, и преподавательский состав не возлагал особых надежд на Эйнштейна. Сдав выпускные экзамены и получив диплом преподавателя математики и физики, он безуспешно попытался получить в ЕТН должность научного сотрудника. К его большому удивлению и смятению, ни один профессор — ни физик, ни математик — не хотел брать его в ассистенты. Эйнштейн с грустью вспоминал: «Внезапно все меня бросили. Я пребывал в растерянности на пороге жизни»^{20}.

Усугубило ситуацию и то, что практически все его друзья, включая Гроссмана, поступили в аспирантуру в ЕТН. Милева тоже была исключением: плохо сдав выпускные экзамены, она не получила степень. Без поддержки профессорского состава податься Эйнштейну было некуда. Только чудо могло спасти его карьеру.