Думай, как Эйнштейн

Несмотря на все разочарования, сопровождавшие начало его научной карьеры, Эйнштейн не сдался и не отступил в самом главном для себя сражении – борьбе за ответы на фундаментальные вопросы науки. Игнорируемый величайшими академиями Европы, он исправно ходил на службу в бёрнское патентное, используя каждую свободную минуту для разработки своих необычных идей. И всякий раз, когда вдохновение посещало его, не нуждался ни в признании, ни в поддержке никаких ученых сообществ для того, чтобы совершить очередной великий прорыв в умозрительном постижении мира.

И это было большой удачей, поскольку позже Эйнштейн придет к убеждению, что самые новаторские прозрения и изобретения люди почти всегда совершают, пока они молоды. 1905-й год, когда Эйнштейну исполнилось двадцать шесть, называют его annus mirabilis – «годом чудес». Уже в 1906-м он начал беспокоиться о том, что скоро достигнет «возраста стагнации и стерильности, в котором принято ругать молодежь за бунтарский дух». Разумеется, впереди у него было еще много великих свершений, включая Общую теорию относительности и многолетние исследования по созданию Единой теории поля. Но все же несомненно и то, что самые значительные свои труды Эйнштейн завершил, когда ему не было еще и сорока.

Став фигурой мирового масштаба, он посвящал все больше времени для продвижения своих политических и гуманистических интересов – и фаза жизни, особо плодотворная для инноваций, осталась для него позади. Область его интересов заполнилась новыми исследованиями и научными статьями, во многом – «по мотивам» его собственных работ, и он уже физически не успевал читать все, что писали по всему белу свету его коллеги и оппоненты. Постепенно он утрачивал интуитивное понимание того, откуда могут появляться очередные новые идеи, о чем свидетельствует череда довольно болезненных неудач при создании Единой теории поля. Разрушительное влияние возраста на силу мысли все больше тревожило его, и он чем дальше, тем чаще высказывался о проблеме «деформации интеллекта». Особенно тяжело он перенес свой полувековой юбилей, написав о «все возрастающей сложности адаптации к новым идеям – проблеме, с которой сталкивается любой человек после пятидесяти».

Вероятно, Эйнштейну было горько признавать, что свои самые триумфальные открытия он сделал в молодые годы, ведь стремление к постоянному личностному прогрессу – естественное свойство каждого человека. Но для тех, кто пришел в этот мир позже него, куда большее значение имеют сами достижения, нежели периоды жизни, в которые он их совершал. И сегодня нам с вами остается лишь благодарить судьбу за то, что она предоставила Эйнштейну в молодые годы достаточно сил и средств для воплощения его идей в реальной жизни.

Так что же именно сделало 1905 год для Эйнштейна таким «чудесным»? Если совсем коротко – четыре научные публикации, каждая из которых заставила мировую науку переписать на новый лад свои правила. На заре двадцатого столетия человечество жило во вселенной Ньютона, представления о которой не менялись в течение двух с лишним веков. За этот период времени такое представление приняло форму незыблемой истины. Все объяснялось причиной и следствием. Объекты двигались и вели себя определенным образом потому, что на них влияли те или иные конкретные силы. Как писал Эйнштейн: «В начале (если такое понятие существует) Бог создал ньютоновские законы движения, а одновременно с ними – требуемые для них массы и силы».

Разумеется, после смерти Ньютона в 1727 году наука не останавливалась в своем развитии. Труды того же Майкла Фарадея по электрическим и магнитным полям в середине XIX века заложили основу для изучения Джеймсом Максвеллом электромагнитных волн. Факт открытия этих волн необычайно вдохновлял Эйнштейна, который называл это «важнейшим достижением со времен Ньютона». При этом именно Эйнштейну хватило прозорливости и интеллектуальной смелости, чтобы осуществить очередной научный прорыв.

Основная часть трудов, опубликованных Эйнштейном в «чудесном» 1905 году, была написана на волне высочайшего вдохновения с марта по июнь. Тогда же он написал своему другу и соучредителю «Академии Олимпия» Конраду Габихту длинное письмо, в котором извинился за то, что тревожит установившийся между ними «торжественный дух тишины» описаниями «всякой малосущественной ерунды», и затем в краткой форме изложил суть всех четырех работ, которые вскоре перевернули мировую науку.

Публикации 1905 года

Первая работа, которую сам Эйнштейн назвал «очень революционной», касалась свойств излучения и энергии пучка света. Именно этому труду обязана своим развитием квантовая теория. Базируясь на работах Максвелла, Густава Кирхгофа и Макса Планка, Эйнштейн пришел к выводу, что свет существует в виде микроскопических частиц, которые теперь называют фотонами. Позже это открытие, в свою очередь, позволило квантовой механике прийти к заключению, что свет может существовать двояко – и как частица, и как волна.

Устройство квантового мира, предложенное Планком, не давало Эйнштейну покоя. Как он написал много лет спустя, «это было так, точно из-под ног ушла земля и нигде не было видно твердой почвы, на которой можно было бы строить». Тем не менее в своей первой работе 1905 года он взял абстрактную теорию Планка и поместил ее в физическую реальность. В результате получилось нечто настолько замысловато-грандиозное, что сам Эйнштейн был потрясен масштабом собственных идей. Во введении к своей работе он назвал ее «эвристической точкой зрения» – иными словами, гипотезой, которая указывает путь к решению, но доказанным тезисом не является. В частности, он писал:

Согласно его биографу Уолтеру Айзексону, это было «самое революционное предложение из всех, которые Эйнштейн когда-либо написал». Но даже после такого блестящего прорыва к истине некоторые детали его новой физической реальности оставались неясны. Незадолго до смерти Эйнштейн откровенно признал, что после пятидесяти лет работы над этой темой он так и не приблизился к пониманию того, что же эти «световые кванты» из себя представляют.

За свою вторую работу – о «вычислении истинных размеров атома» – Эйнштейн наконец-то удостоился докторской степени. Но все-таки она была написана с явной академической целью и, в сравнении с другими работами этой серии, казалась относительно неброской. Третья же работа посвящалась изучению броуновского движения частиц на основе статистического анализа и подтверждала, что атомы и молекулы действительно существуют. До появления этого труда об их существовании подозревали многие, но убедительных, поддающихся наблюдению доказательств не предлагал никто.

И, наконец, в четвертой работе «чудесного» 1905 года Эйнштейн формулировал свою Специальную теорию относительности. В письме Габихту он описывает ее как «всего лишь грубые наброски на определенную тему», в которых он рассматривает электродинамику движущихся тел и «предлагает модифицировать теорию пространства-времени». Трудно представить более хладнокровный и сдержанный способ заявить о том, что ты готов фундаментально изменить представление человечества об устройстве Вселенной.

В процессе написания этой работы он и поставил несколько умозрительных экспериментов, о которых мы уже упоминали выше. Пытаясь в воображении догнать луч света, Эйнштейн осознал, что как только он достигнет одной с лучом скорости, свет для него остановится – точно так же, как поезд, несущийся в одном направлении и на одной скорости с поездом, в котором едем мы сами, при взгляде из окна покажется нам неподвижным. Теория Максвелла, однако же, таких выводов делать не позволяла, и Эйнштейн решил, что этому явлению должно быть иное, альтернативное объяснение. Точно так же, рассматривая ситуацию с поездом, в который ударила двойная молния, он пришел к выводу о том, что одно и то же событие может выглядеть по-разному в зависимости от позиции наблюдающего.

Стоит отметить, Эйнштейн вовсе не был первым, кто поднял вопросы, рассмотренные в его Специальной теории относительности. Несколько других ученых уже подошли очень близко к нескольким из выводов, которые сделал он. Однако именно Эйнштейн поверил относительностью нежелание расстаться с догмами, которые когда-то считались неоспоримой истиной. Так, например, он развил идеи Анри Пуанкаре, ставившего еще в 1880-е годы вопрос о существовании квазимистического эфира, сквозь который, как считалось, и путешествует свет. Пуанкаре, в свою очередь, основывался на трудах голландского физика Генриха Лоренца, применявшего сложные математические вычисления для объяснения результатов знаменитого эксперимента Майкельсона – Морли (1887) над скоростью света. Однако именно Эйнштейн совершил тот поистине революционный прорыв в воображении, который не удавался никому до него.

Так появилась Специальная теория относительности, в которой Эйнштейн заявил, что законы физики должны быть одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скоростей и что скорость света в вакууме постоянна. А это означало: хотя Ньютон считал пространство и время абсолютными величинами, Эйнштейн доказал, что это не так. И уже из этого утверждения многие сделали единственный доступный для себя вывод: еще одна «определенность» в окружающей нас жизни развенчана. В первой декаде XX столетия мир еще с трудом привыкал к постулатам теории Дарвина и продирался к современной эпохе на фоне радикальных культурных новшеств, разрушения общественных и моральных устоев. И тут появился ученый, который утверждает, что даже часы на вашей каминной полке могут тикать не так и находиться не там, где вам кажется.

И все-таки репутация Эйнштейна как «низвергателя непреложных истин» в большой степени зависит от позиции наблюдающего. «Все относительно», – повторяем мы то и дело. Да, он был автором теории относительности, и сам термин «относительность» предполагает сомнение и неопределенность. Известно, однако, что сначала он собирался назвать свой труд «теорией неизменности» – ведь, помимо всего, в ней доказывалась неизменность фундаментальных законов физики. Назови он свою теорию так – его имя неизбежно стало бы ассоциироваться не с сомнением, а с определенностью. И это, возможно, точнее бы отражало истинный дух Эйнштейна, чей raison d’être[6] заключался в поиске правил и законов, объясняющих, почему наш мир и Вселенная именно такие, какие есть. Но хотя влиять на обстановку мировых потрясений начала XX века Эйнштейну было не интересно, сама эта история лишний раз подтверждает чуть ли не самую фундаментальную истину: «Название решает всё».

Никогда не успокаивающийся на достигнутом, Эйнштейн нашел время в том же году и на пятую работу, которая явилась органическим продолжением его Специальной теории. Статья эта была опубликована журналом «Анналы физики» в сентябре 1905 года под названием «Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» и состояла всего из трех страниц. Однако от выводов, сделанных в ней, захватывало дух. Эйнштейн обнаружил, что масса любого тела есть мера пропорциональности содержащейся в ней энергии. Другими словами, масса и энергия – это разные формы выражения одного и того же объекта. Суть же его открытия сводится к самой знаменитой формуле в истории: E=mc² (энергия равна массе тела, помноженной на скорость света в квадрате). Для дилетанта это в первую очередь означает, что даже нечто очень маленькое может обладать колоссальным зарядом энергии. И хотя Эйнштейн даже представить не мог, чем обернется его идея, своим открытием он распахнул двери в Ядерный Век.

Дополнительная курьезность этой истории в том, что знаменитая формула все-таки не появилась в той журнальной статье 1905 года. На самом деле Эйнштейн писал так: «Если тело отдает энергию L в виде излучения, то его масса уменьшается на L/V²». Буква L в данном случае была символом, который он использовал для обозначения энергии в течении еще нескольких лет, а V означала у него скорость света. И если бы мы продолжали пользоваться его сокращениями до сих пор, эта формула выглядела бы так: L = mV².

Если бы уровень производительности мозга Эйнштейна в 1905 году оставался таким же на протяжении всей его полувековой научной карьеры – последствия этого были бы просто ошеломляющими. Но даже тот факт, что он смог усилием мысли собрать воедино столь разрозненные явления за столь короткий промежуток времени, а затем еще и спроецировать их на реальную жизнь, по-прежнему не поддается нашему пониманию.