Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и време - Каку Митио
Больше всего, похоже, физиков раздражало то, что все попытки объединить ньютонову механику с теорией Максвелла терпели неудачу. Теория Максвелла подтвердила тот факт, что свет представляет собой волну, однако открытым оставался вопрос: что, собственно, колеблется? Ученые знали, что свет может путешествовать в вакууме (более того, проходит миллионы световых лет от далеких звезд сквозь вакуум открытого космоса), но поскольку вакуум – это, по определению, пустота, «ничто», то получалось, как ни парадоксально, что колеблется именно это самое ничто!
Для ответа на этот вопрос последователи Ньютона пытались постулировать, что свет состоит из волн, колеблющих невидимый эфир – неподвижный газ, целиком заполняющий Вселенную. Предполагалось, что эфир служит абсолютной системой отсчета, по которой можно измерять любые скорости. Скептик мог бы сказать, что поскольку Земля обращается вокруг Солнца, а Солнце – вокруг центра Галактики, то невозможно сказать, что из них движется на самом деле. Последователи Ньютона в ответ утверждали, что Солнечная система перемещается по отношению к неподвижному эфиру, так что можно точно определить, что здесь на самом деле движется.
Однако чем дальше, тем больше эфир обретал волшебные и странные свойства. Физикам известно, что волны в плотной среде перемещаются быстрее. Так, звук в воде распространяется быстрее, чем в воздухе. Однако из того, что свет движется с фантастической скоростью (300 000 км/с), следует, что эфир должен быть невероятно плотным, чтобы передавать свет. Но как такое может быть – ведь считается, что эфир легче воздуха? Со временем эфир превратился чуть ли не в волшебную субстанцию: он был абсолютно неподвижен, невесом, невидим, обладал нулевой вязкостью, но при этом был прочнее стали; кроме того, его невозможно было обнаружить ни одним инструментом.
К 1900 г. объяснять недостатки ньютоновой механики становилось все труднее и труднее. Мир науки был готов к революции, но кто должен был ее возглавить? Физики, хотя и видели прорехи в теории эфира, тем не менее смиренно пытались залатать их в рамках теории Ньютона. Эйнштейн, которому нечего было терять, сумел нанести удар в самое сердце проблемы: а что если силы Ньютона и поля Максвелла несовместимы? Один из столпов физики должен был пасть. Когда этот столп наконец рухнул, ему суждено было обрушить все здание физической науки, построенное за два столетия, и кардинально изменить наш взгляд на Вселенную и реальность. Эйнштейн низверг ньютонову физику при помощи картинки, понятной даже ребенку.
Глава 2
Ранние годы
Человек, которому суждено было навсегда изменить наши представления о Вселенной, родился 14 марта 1879 г. в небольшом городке Ульм в Германии. Эйнштейны – Герман и Паулина (урожденная Кох) – очень расстроились, увидев деформированную головку новорожденного сына, и молились, чтобы он не оказался умственно неполноценным.
Родители Эйнштейна были в меру религиозными евреями среднего класса, изо всех сил старавшиеся обеспечить свое растущее семейство. Паулина была дочерью относительно богатого человека: ее отец Юлиус Дерцбахер (изменивший свою фамилию на Кох) заработал состояние, оставив ремесло пекаря и занявшись торговлей зерном. В семье Эйнштейнов именно Паулина заботилась о культурном воспитании детей. Она настаивала, чтобы дети занимались музыкой, и с ее подачи юный Альберт на всю жизнь влюбился в скрипку. Деловая карьера Германа Эйнштейна, в противоположность карьере его тестя, оказалась далеко не блестящей. Первоначально он занимался перинами, но затем брат Якоб убедил обратить внимание на нарождающуюся электрохимическую промышленность. Изобретения Фарадея, Максвелла и Томаса Эдисона, которым удалось обуздать мощь электричества, уже освещали города по всему миру, и Герман решил, что производство динамо-машин и устройство электрического освещения – очень перспективный бизнес. Однако бизнес оказался не только перспективным, но и рискованным, поскольку сопровождался периодическими финансовыми кризисами и банкротствами; только за годы детства Эйнштейна семье пришлось несколько раз переезжать, в том числе в Мюнхен через год после рождения Альберта.
Юный Эйнштейн поздно научился говорить – так поздно, что родители уже опасались, что мальчик растет умственно отсталым. Тем не менее он заговорил, причем сразу полными предложениями, хотя и в 9 лет все еще говорил не слишком хорошо. Кроме Альберта в семье был еще один ребенок – его сестра Майя, на два года младше. (Поначалу маленький Альберт очень удивился появлению в доме нового живого существа. Одной из первых сказанных им фраз было: «А где же колесики?») Быть младшей сестрой Альберта было непросто, поскольку у мальчика появилась вредная привычка швырять в голову сестренки чем попало. Позже она жаловалась: «Чтобы быть сестрой мыслителя, нужно иметь крепкий череп».
Вопреки распространенному мифу, в школе Эйнштейн учился хорошо, но только по тем предметам, которые его интересовали, – математике и физике. Немецкая школьная система в те времена поощряла учеников, дававших короткие ответы на основе вызубренного материала – в противном случае грозило наказание в виде болезненных ударов по пальцам. Альберт же говорил медленно, неуверенно, тщательно подбирая слова. Будучи далеко не идеальным учеником, он страдал под тяжким гнетом авторитарной системы, которая подавляла воображение и творческие порывы, заменяя все отупляющей зубрежкой. Когда Эйнштейн-старший спросил у директора школы, какую профессию он посоветовал бы выбрать Альберту, тот ответил: «Не важно; он ни в чем не достигнет успеха».
Характер Эйнштейна определился рано. Он был мечтательным юношей, часто погружался в свои мысли или в чтение. Школьники часто дразнили его, называя «бидермейером», что примерно означает «не от мира сего». Один из друзей Альберта позже вспоминал: «Одноклассники считали Альберта чудаком, потому что он не проявлял никакого интереса к спорту. Учителя считали его туповатым из-за неумения заучивать наизусть и из-за странного поведения». В 10 лет Альберт поступил в гимназию Луитпольда в Мюнхене, где самым страшным испытанием для него стало изучение древнегреческого языка. На уроках греческого он обычно сидел на своем стуле и безмятежно улыбался, чтобы скрыть скуку. В какой-то момент учитель греческого Йозеф Дегенхарт откровенно сказал семикласснику Эйнштейну, что лучше бы его просто не было на уроке. Когда же Альберт возразил, что он не делает ничего дурного, учитель резко ответил: «Да, это правда. Но вы сидите там на последнем ряду и улыбаетесь, и это разрушает то чувство почтения, которое нужно учителю от класса».
Даже несколько десятилетий спустя Эйнштейн не мог без горечи вспоминать те времена; не давали покоя рубцы на душе, оставленные авторитарной системой: «Почти чудо, что современные методы обучения окончательно не удушили святую любознательность поиска; ибо это нежное растеньице требует наряду с поощрением прежде всего свободы».
Интерес к физике проснулся у Эйнштейна рано и начался со встречи с магнетизмом, который он называл своим «первым чудом». Отец подарил ему компас, и мальчик был бесконечно очарован тем, что какие-то невидимые силы могут заставить стрелку поворачиваться. Он вспоминал с большой теплотой: «Чудо подобной природы я пережил ребенком лет четырех или пяти, когда папа показал мне стрелку компаса… я до сих пор помню… насколько глубокое впечатление произвел на меня этот опыт. За этими вещами должно было стоять что-то глубоко скрытое».
Когда Альберту было лет примерно одиннадцать, он проявил себя с неожиданной стороны – стал истово религиозен. Какой-то дальний родственник приходил в дом Эйнштейнов, чтобы наставить Альберта в иудейской вере, и тот неожиданно включился в процесс с большим энтузиазмом, чуть ли не с фанатизмом. Он отказывался есть свинину и даже сложил несколько гимнов в честь Господа, которые распевал по дороге в школу. Однако период религиозного рвения долго не продлился. Чем глубже мальчик проникал в суть иудейского учения, тем лучше понимал, что миры науки и религии конфликтуют между собой, а многие чудеса, описанные в религиозных текстах, нарушают законы природы. «Читая популярные книги, я скоро пришел к убеждению, что многие истории Священного Писания не могут быть правдивыми», – делает он вывод.
