Эйнштейн. Теория относительности

ГЛАВА 1 Электромагнитная революция

В конце XIX века весь мир был очарован мощью электричества. И в то же время ученые изо всех сил бились над тем, как вписать связанные с ним открытия в рамки ньютоновской физики. Вопрос, который помог получить необходимые ответы, пришел в голову шестнадцатилетнему Эйнштейну: как будет выглядеть луч света, если его догнать?

Согласно семейному преданию, отец Альберта, Герман Эйнштейн, с детства имел большую склонность к математике, но не смог получить университетское образование из-за бедности. Он занялся коммерцией и жил практически на чемоданах, готовый в любой момент мчаться в другой город, чтобы основать там новую компанию. Увы, несмотря на столь бурную деятельность, бухгалтерский баланс Германа чаще бывал отрицательным. Ничего удивительного: присущие ему созерцательность, привычка скрупулезно анализировать все варианты, неспешность при принятии решений, а также вера в человеческую порядочность были не лучшими активами для того, чтобы достичь успехов на ниве коммерции. Герман некоторое время работал подмастерьем в Штутгарте, потом отправился в Ульм и стал там компаньоном в фирме своего кузена, производившей матрасы. Этот швабский город на берегу Дуная благодаря своему стратегическому расположению имел давние торговые традиции. Именно здесь у Германа и его жены Паулины 14 марта 1879 года родился старший сын, Альберт.

В июне следующего года Герман и его брат Якоб отбыли в Мюнхен, чтобы открыть там небольшую фирму по водо- и газоснабжению. В мае 1885 года был основан электротехнический завод Якоба Эйнштейна и К0 . Герман в компании ведал вопросами торговли, а Якоб отвечал за техническую сферу.

И этот поворот в коммерческой судьбе отца и дяди во многом определил жизненный путь юного Альберта.

О детстве Эйнштейна известно крайне мало – горстка анекдотов, центральным объектом которых выступает голова ученого и ее содержимое. Эти рассказы предвосхитили гораздо более поздний эпизод, когда доктор Томас Харви, патологоанатом Принстонского госпиталя, в нетерпении поспешил извлечь и исследовать мозг гениального физика через несколько часов после его смерти.

Итак, все началось с того, что Паулина, рассматривая новорожденного, пришла в ужас от увиденного: голова младенца была вытянута и приплюснута. Врачи убеждали ее, что через несколько недель она придет в норму (так и случилось), но члены семьи еще долго опасались за умственное здоровье ребенка. Говорить Альберт начал только в два с лишним года и сразу же обеспокоил домашних своей привычкой повторять все сказанные им слова и фразы, за что одна из нянек ласково называла мальчика Господин Зануда.

Каким-то образом появился миф о том, что Эйнштейн плохо учился в школе, но эту легенду можно считать безосновательной. В одном из писем сестре Фанни Паулина с гордостью пишет: «Вчера Альберту вручили табель – он снова лучший ученик в классе, и характеристику ему дали отличную». Альберту в то время было семь лет. Его успехи в учебе, особенно в физике и математике, сохранялись и в последующие годы, во время учебы в Луитпольдовской гимназии в Мюнхене.

Частенько учителя Эйнштейна давали ему отрицательную характеристику, но причиной этому была вовсе не его плохая успеваемость, а абсолютная несовместимость характера с существовавшей образовательной системой. Конфликты юного Альберта с представителями власти – второй центральный мотив рассказов и анекдотов о его детстве и отрочестве. Если собрать воедино все отрицательные отзывы, данные мальчику его учителями, их бы набралось на целую книгу. Однажды отчаявшийся учитель признался, что был бы гораздо счастливее, если бы Альберт больше не показывался на его занятиях. Тот попытался защититься: «Но я же ничего не сделал!» – на что учитель ответил: «Это правда, но ты сидишь там, на задней парте, с такой улыбкой, что исчезает вся почтительная атмосфера, необходимая для того, чтобы вести урок». Неприязнь была взаимной. Будущий великий ученый не хотел выслуживаться перед теми, кто его муштровал: «Мои школьные учителя казались мне сержантами, а институтские преподаватели – лейтенантами». Это противостояние едва не прервало карьеру Эйнштейна прежде, чем она началась.

Родители Альберта – Герман и Паулина Эйнштейны.

Самая ранняя сохранившаяся фотокарточка Альберта Эйнштейна.

Эйнштейну 14 лет, Мюнхен.

Мальчик не смог найти общего языка и с одноклассниками, которые считали его неприязнь к подвижным играм подозрительной, однако дома он всегда находил любовь и защиту. 18 ноября 1881 года родилась единственная сестра Эйнштейна, Мария, которую в семейном кругу стали звать Майей. Вначале Альберт не выказывал сильных эмоций в связи с появлением нового члена семьи (говорят, что первым делом он поинтересовался, нет ли у нее колесиков), но позже именно сестра стала его ближайшим другом. Семьи Германа и Якоба жили вместе в великолепном доме в пригороде Мюнхена, совсем недалеко от фабрики. Перед домом был разбит пышный просторный сад, который дети называли маленьким английским – большой находился в самом Мюнхене. Эйнштейны не слишком тесно общались с соседями и предпочитали устраивать семейные вылазки в горы или к озерам.

В начале пути Эйнштейна в науку находятся два предмета: компас, подаренный Альберту отцом на день рождения в четыре года, и том «Начал» Евклида. Намагниченная стрелка указывала на тайны природы, а аксиомы и постулаты древнего грека – на возможности человеческого разума в разгадке этих тайн. Компас и учебник Евклида предсказали Эйнштейну его научную судьбу: магнетизм можно объяснять как чистый феномен относительности, а саму теорию относительности – как геометрическое видение реальности.

Будучи достаточно скороспелым юношей, я рано понял тщету тех страстей и надежд, которые беспрестанно осаждают большинство людей на протяжении всей их жизни.

Альберт Эйнштейн

Согласно другому мифу, столь утешительному для многих школьников, Эйнштейну не давалась математика. Но на самом деле эта наука стала одним из первых его увлечений. Недаром девиз Ульма, где родился ученый, звучит так: Ulmenses sunt mathematici (лат. «Все уроженцы Ульма – математики»). Эйнштейну нравилось предугадывать содержание каждой новой школьной темы, и он изобретал собственные способы объяснения, которые отличались от изложенных в учебниках. Эта детская привычка переросла в независимость мышления – одну из главных особенностей, характеризовавших взрослого Эйнштейна. Усилиться этой черте помогали и шутливые поддразнивания дяди, который, задавая племяннику сложную задачку, любил посомневаться вслух в способности юного Альберта решить ее.

Несмотря на то что проекты Якоба заводили их общее с Германом предприятие все дальше и дальше в тупик, на племянника Якоб оказал превосходное влияние. Так и видится, как мальчик приходит на фабрику и его неугомонный дядя- изобретатель показывает ему, каким образом работает каждая из его машин. Альберт мог играть с гальванометрами и электрохимическими батареями и ставить вместе с дядей бесконечные опыты и эксперименты. Образ Эйнштейна-теоретика невольно заставляет нас думать о нем как о мечтателе, человеке не от мира сего. Одним из самых больших увлечений этого ученого с детских лет были машины. Еще мальчиком он любил игры-конструкторы, обожал копаться в недрах механизмов, а став взрослым, запатентовал ряд изобретений, спроектировал новую модель холодильника и измеритель электрического напряжения, поддерживал оживленную переписку с другими любителями технических поделок.

Эйнштейну было десять лет, когда он познакомился со вторым своим духовным покровителем – Максом Тэлмеем, польским студентом-медиком, который бывал в гостях у Германа и Паулины. Практически каждый четверг в течение пяти лет он появлялся в доме Эйнштейнов к обеду и участвовал в беседах с членами семейства. Несмотря на разницу в возрасте (Макса и Альберта разделяло 12 лет), они сдружились благодаря общим интересам и взаимной симпатии. Тэлмея глубоко поразил особый ум мальчика, и он решил помочь юному другу найти ответы на волновавшие того вопросы. Макс вручил Альберту «Силу и материю» Людвига Бюхнера, «Космос» Александра фон Гумбольдта и популярную серию трудов по естествознанию авторства Аарона Бернштейна. Альберт проглотил эти книги с той же страстью, с какой другие дети читали Жюля Верна.

Атмосфера того времени способствовала тому, что Эйнштейн беспрепятственно знакомился с последними технологическими достижениями эпохи. Например, в 1861 году Джеймс Клерк Максвелл вывел уравнения электромагнитного поля. А всего в одном квартале от дома Альберта рабочие электротехнического завода Якоба Эйнштейна и К- собирали и заряжали бобины, резисторы и конденсаторы. Казалось, сам воздух был пронизан электричеством.

Удивление четырехлетнего Эйнштейна при виде компаса было сродни чувству, которое человек с незапамятных времен испытывал при виде электростатических явлений. Само слово «электричество» происходит от греческого elektron – «янтарь»; точная этимология слова «магнетизм» неизвестна, возможно, оно происходит от названия фессалийской области Магнесия. У нас нет точных данных о том, когда именно человек обратил внимание на то, что его волосы становятся дыбом, если потереть о них кусочком ископаемой смолы. Сам компас изобрели китайцы, скорее всего в эпоху династии Хань, около 200 года до н. э., однако объяснение этот феномен получил только в XVI веке: связь прибора с магнитным полем Земли расшифровал придворный врач Елизаветы I, Уильям Гильберт.

Интерес к явлениям электромагнетизма пережил заметный взлет в эпоху Просвещения, но только в XIX веке началось исследование его внутренних законов. Сделанные открытия запустили промышленность, которая, в свою очередь, повлекла за собой реформу английской системы патентования, рационализацию агрикультуры и изобретение парового двигателя. Технологический переворот XX века в огромной степени обязан своей основной движущей силе – электричеству.

Теоретизировать на сей счет первым начал французский ученый Шарль Огюстен Кулон (1736-1806), сформулировавший закон электростатической силы: сила притяжения или отталкивания электрических зарядов прямо пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В этой формулировке нельзя не заметить присутствие идей Ньютона. А если опустить эффект отталкивания и заменить заряды на массы, то мы увидим практически закон всемирного тяготения.

В 1800 году, пытаясь воспроизвести способ получения электричества, который используют некоторые рыбы (например, скат), Алессандро Вольта изобрел химическую батарею. Изобретение стало настоящим подарком исследователям: имея под рукой источник постоянного тока, можно было конструировать цепи, а это открывало огромное поле для экспериментов. Приведем лишь один пример: без химической батареи был бы невозможен электролиз – один из главных производственных процессов, во время которого с помощью электрического тока вещества расщепляются на составные части.

Благодаря этому изобретению ученые открыли, что электричество и магнетизм, до тех пор шедшие разными дорогами, имеют тайную связь. В 1820 году датчанин Ганс Кристиан Эрстед (1777-1851) продемонстрировал своим студентам – которые, впрочем, выказывали не слишком много энтузиазма к учению, – что электрический ток заставляет отклоняться стрелку компаса. Ранее считалось, что таким эффектом обладают только постоянные магниты. В отличие от студентов Эрстеда, ученое сообщество бурно отреагировало на его открытие: с первого момента существования мира сила магнетизма проявляла себя исключительно во взаимодействии между массами, заряженными телами и магнитами.

Поскольку вещество, соединяющее между собой атомы, имеет электрическую природу, прохождение сквозь него тока может оказать противоположный эффект и разделить компоненты. На протяжении XVIII и XIX веков были чрезвычайно популярны различные методы разложения материи и попытки идентифицировать ее основные элементы, и электролиз стал мощнейшим из них. Он впервые позволил расщепить вещество до таких элементов, которые до того противились любому чисто химическому воздействию. Процесс заключается в помещении полярных электродов в емкость с веществом, которое необходимо расщепить. Для создания токопроводящей среды вещество растворяется в воде либо расплавляется. Рассмотрим электролиз обыкновенной соли (NaCI). При комнатной температуре отрицательные ионы хлора (CI-) и положительные ионы натрия (Na+) образуют структуру твердого вещества. Сначала необходимо нагреть соль примерно до 800 °С, чтобы она расплавилась, а связи между ионами ослабли. Затем, при наличии достаточного напряжения, отрицательные ионы хлора благодаря притяжению элекронов начнут двигаться к положительному электроду. Здесь они превратятся в нейтральные молекулы ядовитого газа – хлора. Положительные ионы натрия соберутся у отрицательного электрода, где получат недостающие электроны, чтобы превратиться в простой натрий (2Na), который всплывет на поверхность. Английский химик Хамфри Дэви (1778-1829) подверг электролизу карбонат калия, карбонат натрия и оксид кальция (негашеную известь), в первый раз выделив в чистом виде натрий, калий (щелочные металлы) и кальций (щелочноземельный металл). Фарадей вывел формулы законов, описывающих процесс электролиза и позволяющих вычислить количество вещества, получаемого или высвобождаемого на каждом из электродов.

Результат этого опыта пробудил любопытство в Андре Мари Ампере (1775-1836), который выяснил, что электрические токи также могут взаимодействовать, притягиваться и отталкиваться благодаря силам магнетической природы. Как и Кулон, к своим открытиям Ампер пришел с помощью математических уравнений, в которых связывал величины, доступные для наблюдения в любой лаборатории.

На первый взгляд эти законы не предполагали никаких особо сложных теоретических построений. Ученые-физики, исследуя окружающий их универсум, со временем собрали небольшое количество принципов и идей, которых, казалось, было вполне достаточно для того, чтобы представить полную, точную и логичную картину мира. С одной стороны, существовали точечные частицы, которые взаимодействовали между собой при помощи центральных сил, то есть сил, направленных вдоль прямой линии, соединяющей точечные массы. Такое взаимодействие происходило мгновенно и на расстоянии. С другой стороны, существовали волны, которые распространялись в материальной среде, состоящей из частиц, взаимодействующих между собой.

Как мы видим, ученые, анализируя реальность, опирались на образы, взятые из повседневной жизни: камень, брошенный в пруд (частица), и круги, появляющиеся от него на поверхности (волны). Однако, как бы ни были знакомы человеческому воображению эти волны и частицы, сама идея мгновенного действия на расстоянии была довольно странной. «Вне физики,- говорил Эйнштейн, – наш разум не знает никаких сил, которые оказывали бы действие на расстоянии». Похожую критику уже вызывала ньютоновская формулировка закона тяготения, которая описывала с математической точностью все эффекты, но умалчивала об их причине. Ответ самого Ньютона на подобные упреки известен: «Hypotheses non jingo» – «Я не выдумываю гипотез».

Восхищение, которого заслуживал труд Ньютона, не могло заслонить собой некоторую неловкость перед вытекающими из него выводами. Следуя логике рассуждений ученого, оказывается, что мы могли бы отправлять мгновенные послания на другой конец планеты, придав движение некой массе: ее движение изменило бы расстояние между ней и нами, а вместе с этим и силу, действующую на любое тело на Земле. Аппарат с достаточной чувствительностью должен был бы уловить это воздействие, а разные изменения силы можно было бы организовать по принципу языка Морзе.

Теория центральных сил начала давать трещины, когда опыты показали, что электромагнитные взаимодействия зависят не только от расстояния, но также от скорости и ускорения. Если заряды находились в состоянии покоя, классическая схема работала отлично, но как только они начинали двигаться, величины в уравнениях умножались, а вектора силы отклонялись от прямой, соединяющей частицы (см. рисунок).

Вектора сил между двумя зарядами, в статическом положении (слева) и в динамике (справа). В первом случае вектор силы по отношению к каждому из зарядов совпадает с вектором соединяющей их прямой (Felect). Когда заряды приобретают скорость (v4 и v2 ), появляется магнитная сила (Fmag), перпендикулярная вектору скорости. Равнодействующая сила (Ftotal), действующая на каждый из зарядов, то есть сумма электрической и магнитной сил, не совпадает по своему вектору с прямой линией, соединяющей оба заряда.

Постепенно стало ясно, что существующая система понятий терпит фиаско и не способна описать только что открытые законы. Было необходимо найти новые инструменты. Английский ученый Майкл Фарадей (1791-1867) первым сумел увидеть невероятную экспериментальную картину, созданную Кулоном, Ампером и Эрстедом, с подходящего угла зрения.

Фарадей был выдающимся человеком во многих смыслах. Он вырос в такой бедности, которая не позволяет мечтать ни о каких научных достижениях. Тем не менее, работая переплетчиком, юноша выучился химии и физике – он просто читал все те книги, которые попадали ему в руки.

Сегодня более 99% электроэнергии в мире производится на атомных, тепловых, водных, ветровых, приливных и других электростанциях. Все они работают на базе генераторов тока, в основе которых лежит электромагнитная индукция – явление, открытое и описанное Фарадеем. 17 октября 1831 года он сделал в своем дневнике запись о том, что если рядом с проводом поместить магнит, то в проводе появится электрический ток. Это открытие замыкало круг, начатый Эрстедом: когда-то в Дании электрический ток заставил двигаться намагниченную стрелку компаса, а теперь в подвале Королевского института Великобритании, где ставил свои опыты Фарадей, движение магнита порождало электрический ток.

Тот же Фарадей подобрал ключ к закрытому замку современной теоретической физики – им стало понятие поля. Его можно ясно себе представить, если посмотреть на рисунок, который образуют железные стружки вокруг полюсов магнита или вблизи электрического тока. Однако этот простой эксперимент влечет целую вереницу вопросов. Какой силе подчиняются металлические стружки? На что ориентированы так называемые силовые линии, по формулировке Фарадея – завихрения вокруг зарядов и полюсов магнита?

Эти нечеткие фигуры навсегда изгнали из научного обихода ньютоновское понятие центральных сил. Эйнштейн пытался восстановить ход мысли Фарадея:

[…] должно быть, благодаря верному инстинкту, он почувствовал, что все объяснения электромагнитных явлений с помощью взаимодействий электрических частиц на расстоянии идут по ложному, искусственному пути. Каким образом разбросанные по листу бумаги железные стружки, каждая из них, узнали о существовании отдельных электрических частиц, блуждающих в находящемся рядом проводнике? Все, казалось, наводило на мысль о том, что совокупность этих частиц и создавала в окружающем пространстве некое состояние, которое, в свою очередь, влияло на порядок расположения стружек. Если понять геометрическую структуру этих пространственных рисунков, которые сегодня называют полями, и законы их взаимного влияния, можно найти ключ к секрету таинственных электромагнитных взаимодействий.

Для того чтобы создать модель поля, нужно определить каждую из точек пространства с помощью математического значения. Если это будут некоторые числовые параметры, то мы будем иметь дело со скалярным полем. К примеру, такое поле описывает распределение температур в твердом теле или карту атмосферного давления. Если, помимо числа, к каждой точке пространства добавить еще и вектор, мы получим векторное поле. Классическими примерами такого поля являются схема распределения скоростей в жидкости или, снова говоря о метеорологии, карта ветров в определенном регионе.

В основе всех этих явлений лежит материальная, механическая структура. Давление, температура, движение жидкости и ветер – макроскопические проявления молекулярных перемещений. Ученые заключили, что в случае с электромагнетизмом должно происходить то же самое. Электрические и магнитные поля обладают характеристиками величины и вектора, указывающего, что произойдет с зарядом, если поместить его в какую-либо точку поля, с какой силой он будет перемещен и куда. Что же это за микроскопическая структура, организующая рисунок силовых линий?

Судя по всему, речь шла о чем-то нематериальном, что пронизывало бы любую среду, было бы невидимым и в чем вплоть до этого момента никто не чувствовал бы необходимости. Исходя из самого определения, звучавшего в высшей степени эфемерно, субстанцию назвали эфиром.

Эта невидимая среда удерживала в себе заряды, которые постоянно воздействовали на нее и изменяли ее эластическую структуру самим своим присутствием и движениями. Конфигурация поля в конкретной области предопределяла участь конкретной частицы, но при этом каждая из частиц определяла участь поля, а значит, свою собственную и других частиц. Максвелл вывел точные закономерности этого непрекращающегося диалога между полями и зарядами.

Джеймс Клерк Максвелл родился в Эдинбурге в 1831 году – именно тогда Фарадей пришел к идее силовых линий. Для многих Фарадей, сын кузнеца и крестьянки, был не более чем чудо-ремесленником. Возможно, из-за этого снобизма его теоретические рассуждения никто не принимал всерьез.

Пример скалярного поля: карта распределения температур в атмосфере (слева). Интенсивность цвета в каждой точке определяется числовым значением температуры. Пример векторного поля: распределение ветра над территорией Италии (справа).

Максвелл же отвечал всем общественным требованиям. В его родословной можно было найти представителей аристократии, а сам он учился в университетах Эдинбурга и Кембриджа. В последнем он даже вступил в элитное полутайное общество «Кембриджских апостолов». Впоследствии Максвелл преподавал естественную философию в лондонском Королевском колледже и возглавлял Кавендишскую лабораторию.

Высокое происхождение ученого не помешало ему воспринять идеи Фарадея всерьез. При помощи математически точного рейсфедера Максвелл начертил те линии поля, которые физик-самоучка почувствовал в узорах железных стружек. Прибегнув к помощи частных производных, он вывел законы, управлявшие структурой и эволюцией полей при любом возможном сочетании зарядов, токов и магнитов. Максвелл объяснил все макроскопические электромагнитные явления, объединив в одну систему открытия Ампера, Кулона, Фарадея и Эрстеда. Однако даже самые революционные манифесты пишутся на унаследованном от прошлого языке. Так и Максвелл для того, чтобы вывести уравнения, описывающие поведение электрических и магнитных полей, опирался на «леса» из механических моделей. Приведем слова английского физика Фримена Дайсона:

«Ученые той эпохи, включая Максвелла, пытались представить себе поля в виде механических структур, составленных из огромного количества круговоротов и завихрений, которые распространялись в пространстве. Предполагалось, что эти структуры изображали механическое напряжение, передающееся по электрическому или магнитному полю между зарядами и токами. Для того чтобы поля соответствовали уравнениям Максвелла, система круговоротов и завихрений должна была быть в высшей степени замысловатой».

Оставив в стороне круговороты, завихрения и прочие формальности, необходимо сказать, что уравнения Максвелла содержали удивительное пророчество. Если привести в движение заряд, появится переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление переменного магнитного поля, приводящего к возникновению переменного электрического поля… Открытия Эрстеда и Фарадея связаны между собой: одно неизбежно влечет за собой другое.

Работая с уравнениями, Максвелл пришел к выводу, что распространяющееся движение подчиняется математической модели движения звука или любой другой волны. Ученый смог с точностью вычислить скорость этого движения; она соответствовала частному электромагнитной и электростатической величин заряда и примерно равнялась 300000000 м/сек.

Представьте себе, что он почувствовал, когда сформулированные им дифференциальные уравнения показали, что электромагнитные поля распространяются в форме волн и со скоростью света! Мало кому в этом мире повезло испытать подобное.

Эйнштейн об эмоциях Максвелла, вызванных открытием

Эта величина была не просто цифрой. В 1849 году француз Ипполит Физо (1819-1896) поймал луч света в ловушку зеркального лабиринта и, вооружившись тонким измерительным механизмом, установил скорость света в воздухе. Согласно его данным, она равнялась 314858000 м/сек, но соотечественник Физо, Леон Фуко (1819-1868), уточнил число: 298000000 м/сек. Обычно великие ученые делают свои заявления с большой осторожностью, но, видя совпадение подобного масштаба, Максвелл не мог промолчать: «Скорость поля так близка к скорости света, что, мне кажется, есть серьезные причины сделать вывод: сам свет (включая тепловое излучение и другие виды радиации) обладает электромагнитной природой и распространяется в электромагнитном поле в форме волн, подчиняясь законам электромагнетизма».

Это открытие пробило в научном объяснении мира брешь, сравнимую по размерам с эффектом от появления дарвиновского «Происхождения видов». Наконец все обретало смысл. Действие на расстоянии уступало место полям, в чьих пределах любое изменение распространяется с конечной скоростью в форме волн. Уравнения Максвелла стали одной из первых попыток унифицировать физическую науку: к электричеству и магнетизму, соединенным благодаря Эрстеду, теперь добавлялся и свет. Сближение было неожиданным: свет считался явлением, далеким от вопросов функционирования батарей, проводов и магнитов.

Если понимать свет как волну, то скорость его распространения в вакууме не поддается изменениям, в отличие от самой волны, которую можно растянуть или сжать. Таким образом, мы будем менять размер повторяющегося шаблона, который называется длиной волны, X.

Чем больше X при постоянной скорости распространения, тем ниже частота v, с которой повторяется шаблон. Поэтому X и v – величины обратно зависимые; их отношение выражено в формуле с = X • v, где X измеряется в единицах расстояния, a v – в обратных единицах времени. Если говорить о видимом излучении, то изменение длины волны глаз отмечает как изменение цвета. Если взять фиолетовую волну и начать ее растягивать, то получится синяя, потом зеленая, желтая, оранжевая, красная… и так пока она совсем не исчезнет. То же произойдет и при сжатии. Диапазон волн превышает возможности наших органов зрения и образует два невидимых для нас сектора – инфракрасный и ультрафиолетовый.

Прочтя работу Максвелла, немецкий физик Генрих Герц решил начать охоту на ускользающие электромагнитные волны. Герц доказал, что они действительно были светом – но невидимым: человеческое зрение не может воспринять волны этой длины.

Физики и инженеры быстро освоили уравнения Максвелла, и их практическому применению не мешала предполагаемая уравнениями сложнейшая система круговоротов и вихрей. В конце концов эта система отошла в небытие сама по себе, подобно уже не нужным лесам, разобранным по окончании строительства. Эйнштейн, со свойственным ему лаконизмом, объяснил произошедшее так:

«В течение десятилетий большинство ученых-физиков считали, что должна найтись механическая структура, которая сделала бы теорию Максвелла наглядной. Но провал всех усилий привел к тому, что новое понятие поля было признано неразлагаемым. Другими словами, ученые решили смириться с отсутствием механического основания теории полей».

Понятие поля не только отвечало на вопрос, как может одно тело оказывать воздействие на другое: оно просто было удобным и потому широко использовалось. Однако оно вызвало к жизни новую задачу: можно ли переформулировать теорию тяготения, которая до сих пор опиралась на закон мгновенного действия? И чтобы решить эту задачу, Эйнштейну пришлось изобрести теорию нового образца – общую теорию относительности.

Теоретический авангард науки подготовил почву для позднейших технологических внедрений. За Кулоном, Эрстедом, Ампером, Фарадеем и Максвеллом пришли Маркони, Грэхем Белл, Морзе, Тесла и Эдисон, а также целая толпа коммерсантов, желавших сколотить состояние на научных открытиях. Якоб и Герман Эйнштейны также подошли к электромагнитным полям за своей долей прибыли.

Когда братья открыли в Мюнхене первое дело, все предвещало великолепное будущее. В 1885 году они подписали контракт на обеспечение Октоберфеста (первый раз в истории!) электрическим освещением, в 1891 году приняли участие в международной электротехнической выставке во Франкфурте.

Электротехническая промышленность переживала головокружительный подъем. В десятилетие между 1880 и 1890 годами спрос на новые коммуникации был так велик, что на солидную прибыль могли рассчитывать даже скромные предприниматели. Однако большие немецкие компании постепенно оттеснили семейные предприятия на периферию рынка, а позже изгнали их и оттуда. В 1894 году электротехнический завод Якоба Эйнштейна и К- впервые стал банкротом. Итальянский представитель фирмы, Лоренцо Гарроне, предложил перенести дело в Павию. Пока Герман взвешивал за и против в таком важном решении, горящий энтузиазмом Якоб уже взял билеты на поезд, следующий в Италию.

Семьям братьев-предпринимателей не оставалось ничего другого, как последовать за ними. Герману и Паулине пришлось оставить идиллический дом, утопающий среди деревьев, своих друзей, родственников, музыку родного языка – и сына.

Родители считали, что семейные финансовые трудности не должны помешать учебе Альберта, поэтому оставили его в Мюнхене на попечение дальнего родственника. Юноша получал из Милана полные энтузиазма письма, но отвечал на них телеграфически кратко. Его немногословные послания умалчивали о том, что теперь, без отдушины семейного круга, школьная атмосфера стала невыносимой. А вместе с мрачной перспективой военной службы этого было достаточно, чтобы Альберт чувствовал себя на грани отчаяния и с каждым днем унывал все сильнее.

Репродукция первого электромагнитного генератора, изобретенного Фарадеем. Медный диск вращается между полюсами подковообразного магнита, и вращение вызывает появление в диске электрического тока; так механическая энергия превращается в электрическую.

Рисунки Фарадея, иллюстрирующие поведение железных стружек вблизи одного магнита или нескольких.

Юный Эйнштейн, который в Германии чувствовал себя, как в тюрьме, решил любым путем сбежать из страны. Он раздобыл медицинское свидетельство, подписанное семейным врачом, о том, что ему рекомендуется немедленно воссоединиться с родителями во избежание нервного расстройства. Справка сработала, и директор гимназии освободил Эйнштейна, не входившего в число его любимцев, от учебных обязанностей. Самое трудное было позади: 29 декабря 1894 года Альберта отделяли от Милана только 350 км, которые он решил преодолеть на свой страх и риск. Юноша не собирался возвращаться после новогодних праздников: своим родителям он ясно написал, что больше не сядет за парту Луитпольдовской гимназии.

Это решение поставило под вопрос все будущее Эйнштейна. С одной стороны, с незаконченным средним образованием он не мог рассчитывать на поступление ни в один немецкий вуз. Угроза военной службы делала ситуацию еще более неоднозначной. Любой гражданин Германии, достигший 17 лет и пребывающий вне страны вместо того, чтобы служить на благо отечества, автоматически считался дезертиром.

Проезжая на велосипеде по живописной дороге в Геную и рассматривая Альпы на горизонте, Эйнштейн решил отказаться от немецкого гражданства и начать хлопотать о швейцарском. Отринув идею об участии в семейном предприятии, Альберт собрался поступать в цюрихский Политехникум (Высшее политехническое училище). Этот вариант имел ряд преимуществ: Цюрих не принадлежал Германии, но находился в немецкоязычной зоне Швейцарии, а также славился своим высшим образованием в области физики и математики. Там преподавали такие научные светила эпохи, как Генрих Вебер, Адольф Гурвиц и Герман Минковский.

Большую часть 1895 года Эйнштейн провел между Миланом и Павией, готовясь к вступительным экзаменам в Политехникум. Переживая приступы синдрома Стендаля и все больше влюбляясь в Италию, он появлялся и на фабрике, чтобы помочь отцу и дяде. Якоб поражался тому, как юноша за четверть часа разрешал проблемы, над которым техники бились целыми днями. Бурные события этого года пробудили в Эйнштейне первый проблеск научного озарения. 50 лет спустя в своих «Автобиографических заметках» он вспоминал об этом так:

«Уже в шестнадцать лет я столкнулся с парадоксом, из которого потом выросла вся теория: если бы я стал двигаться вслед за лучом света со скоростью с (с – скорость света в пустоте), то я должен был бы воспринимать такой луч света как покоящееся, переменное в пространстве электромагнитное поле. Но ничего подобного не существует; это видно как на основании опыта, так и из уравнений Максвелла».

Этот парадокс преследовал Альберта в течение десяти лет, пока решение не было найдено. Сам того не подозревая, юноша посеял в своем воображении зерно специальной теории относительности. В летние месяцы Эйнштейн написал первую научную статью под названием «К рассмотрению состояния эфира в магнитном поле», которую потом отослал одному из своих дядюшек, Цезарю Коху.

В октябре Паулина и Альберт отправились на поезде в Цюрих. Неизвестно, дрожала ли рука будущего ученого, когда тот подписывал экзаменационные листки, ведь на кону стояло его будущее. Первая попытка поступления провалилась, но результаты проб по физике и математике впечатлили профессора университета Генриха Вебера, и тот пригласил Альберта на свои занятия в качестве вольнослушателя. Тогда директор Политехникума посоветовал юноше завершить среднее образование в школе города Арау, расположенного в живописной долине между Цюрихом и Базелем. На следующий год, после получения диплома, он мог снова подавать заявление в университет.

Вдали от давящей атмосферы Германской империи характер Эйнштейна изменился. Еще в Италии из характеристик, даваемых ему людьми, начали исчезать слова «замкнутый», «нелюдимый», «необщительный», а вместо них возникает образ обаятельного юноши с отчасти богемными привычками, который не прочь пофлиртовать с девушками.

В Арау студент остановился в доме Йоста Винтелера, блестящего филолога, орнитолога-любителя и поклонника естественных наук. Среди членов его семейства Альберт нашел заботу и поддержку. Винтелеры были людьми веселыми, придерживались либеральных взглядов, они без конца спорили о книгах и о политике и по малейшему поводу устраивали праздник. Йоста Винтелера Альберт звал «папой», а его жену, Паулину, которая делила с его настоящей матерью не только имя, но и любовь к игре на пианино, – «мамой». Что касается детей Винтелеров, то чувства молодого Эйнштейна к ним нельзя назвать братскими: по крайней мере если говорить о Мари Винтелер, в которую Альберт весьма скоро влюбился.

Окончив школу в Арау, Эйнштейн собирался начать новый этап своей жизни в качестве студента одного из самых престижных университетов Швейцарии.

Однажды, разговаривая с Альбертом, Мари полушутя сказала, что боится, как бы физика не разлучила их. И действительно, среди 11 товарищей Эйнштейна по курсу оказалась и Милева Марич, умная и независимая девушка, способная разделить с Альбертом увлечение кинетической теорией газов и этим резко отличавшаяся от остальных представительниц прекрасного пола, которых он знал. Милева стала студенческой любовью Эйнштейна и его первой женой.

Словно в оперной увертюре, в 17 лет будущий ученый уже начертил лейтмотив своей жизни – он написал первую научную статью, вступил в конфликт с представителями власти, успел влюбиться и разлюбить и поставил вопрос, способный вызвать научную революцию: что случится, если погнаться за лучом света и догнать его?