Восхождение человечества

Глава 7. Величественная точность

В 1630 году, уже на первых страницах «Диалога о двух главных системах мира», Галилей писал, что итальянская наука и торговля рискуют потерять лидирующие позиции из-за конкуренции со стороны Северной Европы. Эти слова великого итальянца стали пророческими. Например, общее описание гелиоцентрической системы мира, которое выполнил Коперник, в строгую систему, основанную на трех законах и подкрепленную точными математическими расчетами, превратил немецкий математик, астроном, механик и оптик Иоганн Кеплер.

Во-первых, он доказал, что орбиты планет только условно можно называть окружностями. На самом деле небесные тела перемещаются по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Во-вторых, Кеплер рассчитал, что ни одна планета не движется с постоянной скоростью. Приближаясь к Солнцу, небесное тело ускоряется, отдаляясь — замедляется. В-третьих, он установил, что период обращения планеты зависит от среднего расстояния между ней и Солнцем: чем ближе планета к светилу, тем короче период ее обращения.

Таково было положение дел в астрономии, когда на Рождество 1642 года появился на свет Исаак Ньютон. Со дня смерти Кеплера прошло 12 лет, со дня смерти Галилея — несколько месяцев. Не только астрономия, вся наука стояла на рубеже великих открытий, которые позволили ученым перейти от описательности к динамичному и точному объяснению причин каждого конкретного явления.

Итак, в 1650 году центр развития цивилизации переместился из Италии в Северную Европу. Причина этого очевидна: проложенные торговые пути, которые стали востребованными после открытия и освоения Америки. Средиземноморье же утратило свои позиции. Одним словом, весь цивилизованный мир переехал на берега Атлантики, как и предупреждал Галилей. Состоятельные купцы и быстро разбогатевшие конкистадоры сформировали новый класс, а значит, начали формироваться новые политические взгляды. В Италии и Средиземноморье по-прежнему сохранялся имперский уклад жизни.

Источником новых идей и принципов стали протестантские мореходные страны Севера — Англия и Нидерланды. Голландцы научились осушать болота и отвоевывать сушу у Северного моря. Англию обуял дух свободы и независимости. В стране в 1640–1660 годах шла трагическая и кровавая гражданская война и буржуазная революция. К 1650 году Англия стала республикой. К власти пришел протектор Оливер Кромвель, который при поддержке таких генералов, как Генри Айртон, освободил от роялистов Линкольншир и взял на себя ответственность за казнь монарха.

В это самое время, в 1642 году, в небольшой деревне Вулсторп в доме своей матери родился Исаак Ньютон. Его отец умер, не дожив до рождения сына несколько месяцев. Мать через некоторое время повторно вышла замуж, в этом ее браке родились дети, и старшего сына она передала на попечение бабушки. Мальчик не стал беспризорником, но все же недополучил материнской любви и заботы, на которую был вправе рассчитывать. Из-за этого всю жизнь Ньютон оставался нелюдимым угрюмым холостяком. Все открытия он совершил в одиночку: ученый боялся, что их могут похитить, так же как в детстве у него увели мать. Наверное, по этой причине Ньютон не вел дневников, и мы ничего не знаем о том, как он учился в школе и университете.

В 1665 году Ньютон завершил учебу в Кембридже, но к полноценной работе приступить не смог и трудился в родной деревне, потому что в течение 1665–1666 годов в крупных городах Англии свирепствовала великая эпидемия чумы. Незадолго до этого его мать, овдовев, вернулась в Вулсторп. Приезд матери придал ученому сил, и он приступил к работе с утроенной энергией. Его настоящей страстью стала математика. Сегодня, когда изучены конспекты Ньютона, стало очевидным, что он был не слишком усидчивым и прилежным учеником: он не стремился заучивать уже существующие формулы, правила и теоремы, а разрабатывал, придумывал и выстраивал свои. В эти годы он совершил первое свое открытие — изобрел флюксии, которые мы сегодня называем производными. Он применял их как своего рода секретный инструмент, обнародовав только результаты. На публичных выступлениях он пользовался принятыми в его время математическими терминами.

Здесь же, в родной деревне, он начал работу над законом всемирного тяготения, и сразу же проверил его, рассчитав движение Луны вокруг Земли. Ночное светило Ньютон сделал главным объектом своих наблюдений и расчетов. Если Луна движется по своей орбите благодаря притяжению Земли, то она должна лететь подобно очень быстро брошенному мячу или яблоку, скорость должна быть достаточно велика, чтобы при движении Луна падала ровно настолько, чтобы ее изгибающаяся траектория оставалась на одном и том же расстоянии от центра Земли. Но какова должна быть в этом случае величина силы притяжения?

Я вычислил, что планеты на их орбитах удерживают силы тяготения, каждая из которых обратно пропорциональна квадрату ее расстояния от Солнца. Это позволило мне найти отношение силы тяжести на поверхности Земли к силе, с которой она притягивает Луну. Многие расчеты я выполнил с довольно высокой точностью.

Несмотря на то что в своих расчетах Ньютон пользовался довольно грубыми данными, вычисленный им период обращения Луны вокруг Земли довольно точно совпал с реально наблюдаемым — 27 1/4 дня.

Когда что-то получается из простых числовых закономерностей, как у Пифагора, вы понимаете, что у вас в руках оказывается разгадка тайны природы — универсальный закон, который управляет движением небес с точностью часового механизма. Представьте, что вы вставили ключ в замок и повернули его, и природа открылась перед вами в числах, описывающих ее структуру. Но, будучи Ньютоном, вы не публикуете результаты своих трудов.

В 1667 году Ньютон вернулся в Кембридж, чтобы начать работать в Тринити-колледже. Два года спустя учебное заведение покинул профессор, который читал курс математики. Событие вполне рядовое, если бы не одно обстоятельство: на должность этого профессора был принят Исаак Ньютон. На момент назначения ему исполнилось 26 лет.

Став профессором, Ньютон почти сразу же опубликовал свою первую работу по оптике. Труд задуман во время вынужденных «чумных каникул» 1665 и 1666 годов, оказавшихся самыми продуктивными для ученого. Как только эпидемия чумы пошла на спад, Ньютон тут же вернулся в Тринити-колледж.

Может быть, кому-то покажется странным, что гений, почти все время изучавший строение Вселенной, вдруг задумывается о природе света и цвета. Однако столь резкому на первый взгляд повороту есть по крайней мере два объяснения. Англия — островное государство. Единственный путь в другие страны лежит через море, поэтому лучшие умы страны работали на Адмиралтейство. Однако наивно предполагать, что таких гениев, как Ньютон, удовлетворит работа по усовершенствованию уже изобретенных кем-то машин, приспособлений, приборов и устройств. Они совершают собственные открытия, которые определяют развитие науки и техники на столетия вперед. Телескопы того времени обладали рядом недостатков. Ньютон впервые столкнулся с проблемой разделения белого света на составляющие цвета, изготавливая линзы для своего телескопа.

Физические явления всегда заключаются во взаимодействии энергии с веществом. Мы видим материю благодаря свету, мы можем перекрыть луч света материальным телом. Понимание этой взаимосвязи позволяет ученому проникнуть вглубь явлений, поскольку одно не может существовать без другого.

В 1666 году Ньютон занялся вопросом появления радужных ореолов вокруг изображений, создаваемых линзами. Край линзы можно представить в виде небольшой призмы. Разумеется, тот факт, что призма разлагает белый цвет в радугу, никого не мог удивить, по крайней мере он был так же стар, как Аристотель.

Но, увы, описание Аристотеля не содержало никакого анализа явления. Он просто говорил, что белый свет, проходя через стеклянную призму, слегка темнеет со стороны тонкого края, приобретая красную окраску, затем он чуть более темнеет по мере смещения к середине призмы, приобретая зеленую окраску, и, наконец, у основания призмы становится синим. Чудесно! Все это описание не объясняет ровным счетом ничего, хотя выглядит весьма правдоподобно. Ньютон указал на очевидную вещь, которую не объясняет аристотелевское описание. Пропустив солнечный свет через узкое отверстие, можно на противоположной стене получить круглое изображение солнца. Если на пути луча поставить призму то изображение солнца станет вытянутым и окрашенным. До сих пор все считали, что призма преобразует белый свет в радугу, и не находили этому объяснения. Ньютон же показал, что белый свет на самом деле изначально является смесью всех прочих цветов, а призма лишь разделяет их.

Подобное объяснение стало принципиально новой научной идеей, которую не поняли и не приняли современники. С Ньютоном спорили Роберт Гук и другие физики. Их аргументы были сомнительны, но риторика при этом носила столь агрессивный характер, что Ньютон написал Лейбницу:

Я сто раз пожалел о том, что неосторожно опубликовал теорию света, потому что ее подвергают беспощадной, жесткой критике во время обсуждений, а мне пришлось забыть о благословенной тишине, которая так необходима в моей работе.

Ньютон начал избегать общества и работать в одиночестве, чтобы не тратить время на пустые, по его мнению, споры. Он опубликовал результаты исследований только в 1704 году, после смерти своего главного оппонента Роберта Гука, прежде официально известив о своем решении президента Королевского научного общества Великобритании:

Увидев, сколь болезненную реакцию вызвала моя публикация, в дальнейшем я намерен быть более аккуратным в этом вопросе и надеюсь, что вы не сочтете мое решение ошибочным.

Оставим в покое эти околонаучные споры и прочитаем у Ньютона, чем он был занят в 1666 году:

Я закупил несколько стеклянных треугольных призм, чтобы получить знаменитый эффект разложения белого цвета на радугу. Для этого я выбрал темную комнату с одним окном, затемнил его и сделал небольшую прорезь в затемнении так, чтобы поймать солнечный луч. Одну из стеклянных призм я разместил на его пути, чтобы свет преломлялся и падал на противоположную стену. В первую очередь таким способом я смог насладиться яркими интенсивными цветами. Затем я стал внимательно рассматривать радугу и с удивлением увидел, что изображение представляет собой полосу вместо того чтобы в соответствии с законами преломления света образовать круг.

Внезапно меня осенило… Свет, падающий на один край изображения, преломлялся сильнее, чем падающий на другой. Значит, истинная причина удлинения спектра заключается именно в том, что белый свет состоит из совокупности цветовых лучей, по-разному преломляемых. Эти лучи, невзирая на угол падения, по-разному отображаются на стене в зависимости от показателя преломляемости каждого.

Ньютон объяснил вытянутую форму спектра тем, что белый свет разделяется на составляющие. Каждый из цветов преломляется по-своему и это его абсолютное свойство.

Затем я поставил другую призму… так, чтобы преломленный через первую призму свет… мог пройти через вторую и снова преломиться, прежде чем он проявится радугой на стене. Я поворачивал первую призму разными гранями, даже вращал вокруг вертикальной центральной оси, приближал и удалял ее к источнику света и ко второй призме. Я делал это, чтобы исследовать, как изменится спектр.

Через какие бы поверхности я ни пропускал свет, его отражение на стене сохраняло форму и последовательность цветов.

Итак, традиционное представление было разрушено. Если бы свет изменялся, проходя через призму, то вторая призма дала бы новые цвета. Ньютон доказал, что после того, как цвет выделен посредством преломления, он остается неизменным.

Я преломлял его через призмы, отражал на цветные поверхности, ставил на его пути цветную пленку, зажатую между стеклянными пластинками, пропускал его сквозь цветные среды и сквозь среды, освещенные лучами другого рода. Но ни в одном случае мне не удалось получить новый цвет.

Больше всего меня поразило свойство дневного света, который мы определяем как белый: ни в одном из опытов он не проявился именно как белый, без примесей других цветов. Этого никогда не случалось, наоборот, состав его почти всегда оставался постоянным: определенное количество первичных цветов, смешанных в должной пропорции. Я часто с восхищением наблюдал, как разноцветный спектр сходился в белый луч и распадался на радугу на стене, чтобы, отразившись от ее поверхности, снова смешаться в свет, целиком и полностью белый.

Следовательно, белизна является обычной окраской дневного света. Этот свет представляет собой слияние совокупности разноцветных лучей, которые хаотично отражаются от разных частей стоящих на их пути тел.

Это выдержка из письма, написанного Ньютоном в 1672 году, вскоре после того, как он был избран членом Королевского научного общества. Он также представил коллегам свои эксперименты и сформулировал теорию света, которая на сей раз устояла под напором критики. Ньютон был очень горд этим достижением:

От натуралиста мало кто ожидает создания математически выверенной системы, и все же я осмелюсь утверждать, что уверен в своей теории света, как и в любой другой части «Оптики».

После публикации этой теории авторитет Ньютона в Лондоне заметно укрепился. Университетские ученые распространили ее по всем мировым научным центрам. Одновременно с этим в европейских столицах появились восточные купцы, которые везли шелка и специи.

Открытием Ньютона и появлением ярких восточных пигментов воспользовались живописцы — их палитры стали богаче, цвета — ярче, потому что за счет оптического смешивания художники обогатили изобретенную Леонардо да Винчи технику сфумато (последовательного втирания в холст тонких слоев краски, которые в конечном итоге за счет подсвечивания воспринимаются глазом как новый оттенок или цвет). Это нашло отражение в литературе: Александр Поуп, которому в те поры было всего 16 лет, несомненно, не такой чувственный поэт, как Шекспир, стал включать в свои тексты эпитеты, основанные на характеристиках цвета. Шекспир использует этот прием в десять раз чаще. Вот, например, как Поуп описывает рыбу, которую вылавливали в Темзе:

Можно ли эти строки не признать упражнением поэта в описании цветов?

Слава Ньютона росла, но то внимание, которое привлекала его персона, неизбежно порождало новые споры вокруг его теории. Особой остроты дискуссии достигли в переписке. Именно в письмах, которыми с 1676 года начали обмениваться Ньютон и Лейбниц, между ними пошел спор о том, чья система исчисления должна стать приоритетной. Ньютон, невзирая на незаурядную математическую одаренность Лейбница, ни в какую не желал признавать, что тот изобрел свою двоичную систему самостоятельно.

В это же время Ньютон задумывается о том, чтобы снова уединиться в своей обители в Тринити. Просторный двор, небольшой сад, отличные жилые и подсобные помещения его родового поместья стали для него лабораторией. Семейство Невилл объявило сбор средств на создание Большой библиотеки имени Кристофера Рена при Кембриджском университете. Ньютон направил в этот фонд 40 фунтов стерлингов. Казалось бы, жизнь ученого входила в нормальное русло, и он мог бы посвятить дальнейшие годы исследованиям, наблюдениям и экспериментам. Однако Ньютон отказался от поездок в Лондон, чтобы участвовать в научных конференциях и появляться на светских раутах, а к нему, в Кембридж, не желал приезжать ни один из чиновников от науки.

По этой причине, несмотря на то что Ньютон открыл закон всемирного тяготения в 1666 году и сумел, благодаря этому открытию, описать движение Луны вокруг Земли, он почти двадцать лет не публиковал результаты своих изысканий. Невероятно! Но таковы факты: только в 1684 году молодой астроном Эдмонд Галлей, отчаянно вступивший в спор с Кристофером Реном и Робертом Гуком, отправился в Кембридж, чтобы познакомиться с Ньютоном и его открытиями.

После первой беседы, которая длилась какое-то время, доктор (Галлей) спросил Ньютона₎ какими будут траектории планет, если сила их притяжения Солнцем будет обратно пропорциональна квадрату расстояния. Исаак немедленно ответил: «Эллиптическими». Восхищенный Галлей спросил Ньютона, откуда ему это известно. Тот сказал, что произвел вычисления. Доктор Галлей попросил дать ему эти расчеты.

Ньютон поискал их в своих бумагах, но не нашел и пообещал выслать затем по почте.

Подготовка ответа заняла у Ньютона три года. Он работал над ним с 1684 по 1687 год и выписал все доказательства.

Ньютону потребовалось три года — с 1684-го по 1687-й — чтобы выписать доказательства в полном объеме.

Все это время Галлей поддерживал Ньютона морально и материально.

Он даже добился от Королевской академии финансирования исследований. А когда Ньютон в ответ на несправедливые упреки Роберта Гука хотел прекратить работу над «Началами», Галлей в письме от 29 июня 1686 года уговаривал его не делать этого: «Сэр, я вынужден снова просить вас не допустить, чтобы обиды заставили вас прекратить работу и лишили бы нас вашей третьей книги. Теперь, когда вы одобрили качество бумаги, я со всей энергией займусь подготовкой тиража».

Труд получился объемным и убедительным. Ученый назвал его «Математические начала натуральной философии». Работу оплатили Галлей и Королевское общество, которое подключилось к финансированию после того, как в 1687 году Галлей привлек внимание президента общества Сэмуэля Пипса к открытиям Ньютона.

Публикация «Начал» стала сенсацией в научном мире. Во-первых, книга содержала великолепное описание строения Вселенной в одном своде законов. Однако в первую очередь работа стала вехой в истории науки как таковой. Мы представляем ее себе как ряд утверждений, сменяющих одно другое, начиная с математики Евклида. Так оно и было, но только до Ньютона, который превратил научный метод в строгий и точный инструмент.

Из книги становится ясно, что удерживало Ньютона от ее публикации. Например, я убежден, что без включения Луны в сферу научных интересов он не мог найти ответ на вопрос, поставленный в разделе 12: «Как сфера притягивает частицу?» В Вулсторпе Ньютон, наблюдая за Землей и Луной, занялся серьезными фундаментальными расчетами. В первом приближении Ньютон представил Землю и Луну точечными частицами. Но ведь на самом деле они представляют собой гигантские шары. Корректно ли считать, что эти шары притягиваются друг у друга так, как если бы вся их масса была сосредоточена в их центрах? Да, но только в том случае, если сила взаимного притяжения будет изменяться обратно пропорционально квадрату расстояния между телами. Теперь вы можете представить, какие математические трудности пришлось ему преодолеть на пути к изданию книги!

Ньютону несправедливо бросали в лицо множество упреков. «Вы так и не объяснили, почему гравитация существует». «Вы не объяснили, как она может действовать на столь огромном расстоянии». «Вы так и не сказали, почему лучи света ведут себя таким странным образом». Ученый всегда отвечал одинаково: «Я не измышляю гипотез». За этой короткой фразой следовало столь же короткое разъяснение: «Я не занимаюсь метафизическими изысканиями и спекуляциями. Я устанавливаю закон и вывожу из него природу каждого конкретного явления». Именно таким способом действовал Ньютон в работах по оптике, и именно благодаря этой логике современники назвали его основателем новой фундаментальной оптической теории.

Конечно, очень просто сказать, что Ньютон был скучным и прозаичным человеком. Это многое бы объясняло. Однако я должен заявить, что подобная характеристика к нему не имеет никакого отношения. Ученый обладал сильным и незаурядным характером. Представьте себе, Ньютон втайне от всех практиковал алхимию: проводил опыты и писал огромные фолианты о Книге Откровения Иоанна Богослова, которую мы чаще называем Апокалипсисом. Параллельно с этим он искал в трудах Пифагора закон обратных квадратов. Ньютон нисколько не сомневался, что древний грек уже вычислил и доказал его. Как можно назвать такого человека, который, с одной стороны, часть жизни посвящает метафизическим мистификациям, с другой — публично заявляет, что не тратит время на выдумывание гипотез и умозрительных построений? Уильям Вордсворт в своей поэме «Прелюдия» описал темперамент Ньютона и то, как:

Ньютон за своей призмой и тихим лицом скрывал истинные чувства и страсти.

Ради карьерного продвижения в университете и чтобы привлечь внимание к своим трудам Ньютону приходилось на публике держать лицо, потому что он, будучи унитарием, не мог принять учение о Троице в ущерб свободе духа. По этой причине ученый не принял сан и стал магистром Кембриджского университета.

В 1696 году Ньютон отправился в Лондон на Королевский монетный двор. Со временем ученый стал его смотрителем. В 1703 году, после смерти Гука, Ньютон вернулся в науку и принял предложение стать председателем Королевского научного общества. В 1705 году королева Анна посвятила его в рыцари. С тех пор и до смерти в 1727 году Ньютон оставался крупнейшей фигурой в английской науке. Неплохая карьера для деревенского паренька!

Печально то, что он не всегда мог следовать собственным принципам. Ньютону пришлось пойти на компромисс, смирившись с устоями XVIII века. Еще горше, что не все его идеи были приняты обществом, аристократией и двором, а значит, вклад Ньютона в науку и философию надолго остался неоцененным.

Конечно, разве может быть привлекательной фигура интеллектуального диктатора, даже если он имеет весьма скромное происхождение? Тем не менее Ньютон в письмах и дневниках предстает куда менее высокомерным, чем его обычно изображали современники:

Разгадать загадку природы — дело слишком сложное не только для одного человека, но и для целого поколения. Гораздо лучше в полной мере усвоить хотя бы часть этих знаний, а остальное оставить потомкам, которые придут после вас. Невозможно постичь непостижимое.

В другой записи, более известной широкой аудитории, он говорит о том же, но с меньшим пафосом:

Не знаю, за кого меня принимают другие. Но самому себе я напоминаю мальчика, который играет на морском берегу, забавляясь тем, что иногда попадается камешек, более красивый, чем остальные. А тем временем великий океан непознанных истин лежит передо мной неоткрытым.

Семидесятилетний Ньютон жил в Лондоне, в Королевском научном обществе не хватало реальной работы. Англия времен Георга I была озабочена деньгами, политикой и скандалами. В британской истории период конца XVII — начала XVIII века получил название «Мыльный пузырь» Южных морей. В любом пабе собирались деловые люди, которые прямо за столиками совершали фиктивные открытия и изобретения. Писатели, руководствуясь политическими мотивами, высмеивали ученых, поэтому Ньютона они представляли воротилой, сидящим в правительственном учреждении.

Зимой 1713 года несколько недовольных авторов из тори объединились в литературное общество. Вплоть до смерти королевы Анны, последовавшей летом 1714 года, они собирались во дворце Сент-Джеймс у придворного врача Джона Арбетнота. Общество называлось Клубом Мартина Скриблеруса. Участники сообщества намеревались высмеивать современные им научные объединения. Эти дискуссии наглядно представлены в описании научно-методического сообщества в третьей части «Путешествий Гулливера». Эта же группа литераторов тори помогла Джону Грею высмеять правительство в «Опере нищих», а в 1717 году написать пьесу «Через три часа после свадьбы». Объектом сатиры в ней стал стареющий ученый, которого зовут доктор Фоссил (его имя можно перевести как «Ископаемое»). Вот типичный диалог между ним и молодым авантюристом Плотвеллом (его имя можно перевести как «Неплохая интрига»), который водит шашни с хозяйкой дома:

Фоссил: Я обещал леди Лонгфорд на время ее беременности мой орлиный камень, но не дал. Теперь бедняжка сама выглядит, как ее выкидыш, и это хорошо. Ха! Кто здесь! Я не люблю этого паренька. Но я не буду строгим.

Плотвелл (обращается к собеседнику на латыни): Светлейший господин, с прибытием!

Фоссил: Светлейший господин? Не слышал раньше от тебя латыни. Если не можете общаться по-английски, давайте пробуем поговорить на этом языке.

Плотвелл: Я мочь говорить по-английски, но совсем чуть-чуть. Я слышать много хороших слов о великом просветителе, знатоке всех искусств и наук, выдающемся докторе Фоссиле. Я хотеть бы установить коммутэйшн (как вы называете это), чтобы обменивать звон моих колокольчиков на ваши динь-доны.

Сначала разговор идет, конечно, об алхимии. Беседа ведется на специфическом языке:

Фоссил: Скажите, сэр, из какого вы университета?

Плотвелл: Из знаменитого Краковского…

Фоссил:…И какого аркана вы магистр?

Плотвелл: Коробочки для табака.

Фоссил: Табакерки.

Плотвелл: Да, табакерки. Это есть самое истинное золото.

Фоссил: Что из этого следует?

Плотвелл: Я делать золото из свинца под руководством Великой церкви Кракова.

Фоссил: Какими операциями?

Плотвелл: Обжигом, переплавкой, очисткой, возгонкой, амальгамированием, атмосферными осадками, испаряемостью.

Фоссил: Осторожнее! Что вы говорите? Испаряемости золота еще пока никто не видел.

Плотвелл: Не мне учить прославленного доктора Фоссилу — именно так получать неспелое золото.

Фоссил: Сказано истинно философом. Как наш язык отличается от юридического! Возьмем, например, определенные документы парламента, которыми установлены два значения слова вырубка: углубление в шахту и вырубка молодого леса.

Далее имитация научной речи становится еще более гротескной, и в духе довольно злой сатиры поднимаются темы определения географической долготы у мореходов, изобретения производной и дифференциалов:

Фоссил: Я сейчас не склонен к экспериментам.

Плотвелл: …Вы что-нибудь понимаете в долготе?

Фоссил: Я не имею дела с тем, что существует только в фантазиях. Меня больше увлекает создание эликсира.

Плотвелл: А как часто ваша думать о производной?

Фоссил: Я не признаю ничего, кроме ртути.

Плотвелл: Ха-ха! Я имею в виду количественные характеристики.

Фоссил: Самое большое количество вещества, с которым я имел дело, — три кварты за один день.

Плотвелл: Не будет вас труд объяснить, в чем секрет гидрологии, геологии, минералогии, гидравлики, акустики, пневматики и логарифмирования?

Фоссил: Это всё — вне сферы моих интересов.

Сегодня нам кажется странным, что современники столь непочтительно высмеивали Ньютона и подвергали жесткой критике его работы. Но всякая новая теория прямо или косвенно бросает вызов существующим доктринам, угрожая рано или поздно занять их место в мировоззренческой структуре общества. Теория Ньютона не стала исключением. Это было ее силой и ее слабостью. Второе уязвимое место своей системы ученый называет сам — абсолютное пространство, которое он считал плоским и имеющим одни и те же свойства в любой точке Вселенной. Именно эти два постулата теории Ньютона жестко критиковал Лейбниц, и в общем-то справедливо, потому что они противоречат даже нашему повседневному опыту: земная поверхность воспринимается нами плоской, в то время как во времена Ньютона уже любой моряк знал, что это не так.

Земля имеет форму шара, поэтому каждый из двух наблюдателей, расположенных в противоположных точках экватора, может заявить: «В какую бы сторону я ни повернулся, я буду стоять лицом к другому наблюдателю!»

К такому выводу не может прийти обитатель плоской Земли или, по крайней мере, считающий Землю плоской на том основании, что на небольших расстояниях он не способен отличить поверхность огромной сферы от плоскости. Подобной близорукостью грешит теория Ньютона. Иначе говоря, ученый в теории ведет себя так: выплывая в космос с целью его изучения, он в одной руке держит футшток,[6] в другой — карманные часы. Затем он предполагает, что весь мир устроен так же, как то пространство, которое он видит перед собой. А это ниоткуда не следует.

Более того, даже если пространство не плоское, оно не обязательно сферическое, иначе говоря, оно не обязано везде иметь положительную кривизну. Пространство может менять свою кривизну, содержать седловые точки,[7] из-за чего движение тел в таком пространстве может быть более предпочтительным в одних направлениях, нежели в других. Мы по-прежнему будем видеть, как планеты движутся по орбитам, но причиной их движения будет не гравитационное поле, а геометрия пространства.

На рисунке показаны последовательные этапы превращения сферы, имеющей положительную кривизну, сначала в цилиндр с нулевой кривизной, а затем в гиперболоид вращения с отрицательной кривизной поверхности.

Во времена Ньютона требовать большего от любого, самого одаренного ученого, было невозможно — математика пока была не в силах постичь реальный мир. О его свойствах догадывались лишь наиболее просвещенные и вдумчивые философы. Они предлагали рассматривать пространство как абсолютную систему координат, сетку. Ньютон упростил представления о мире в ущерб реальности. Лейбниц, не согласившись с ним, произнес пророческие слова: «Я принимаю термин „пространство“ но при этом он будет означать нечто относительное, такое же, как и время».

У Ньютона время тоже было абсолютом. Оно имело решающее значение при астрономических расчетах: мы не знаем, как далеко от нас расположены звезды, и можем лишь фиксировать моменты их прохождения через меридиан. По этой причине мореходы призывали к совершенствованию двух главных навигационных приборов — телескопа и часов.

В первую очередь требовалось улучшить телескоп — этим занялись в новой Королевской обсерватории в Гринвиче. Инициировал работу вездесущий Роберт Гук, который вместе с Кристофером Реном проводил реконструкцию Лондона после великого пожара 1666 года. Мореплаватели теперь могли определять свое местоположение, пользуясь новой точкой отсчета — Гринвичским меридианом, проходящим через центральную обсерваторию. Этот меридиан определял два ключевых репера: нулевую долготу и гринвичское время.

Вторым новшеством стало усовершенствование часового механизма. Часы превратились в символ эпохи, потому что благодаря теории Ньютона они нашли практическое применение в открытом море. Хронометр, показывающий время по Гринвичу, помогал морякам ориентироваться в океане. Принцип расчетов предельно прост: Земля совершает полный оборот вокруг своей оси по отношению к Солнцу за 24 часа, следовательно, на каждый из 360 градусов она поворачивается за четыре минуты. Матрос, который видит Солнце в кульминации (в самой высокой точке над горизонтом), смотрит на хронометр и понимает по разнице во времени, на какой он находится долготе.

Правительство пообещало вручить приз в размере 20 000 фунтов стерлингов тому, кто сумеет разработать часы, по которым можно было бы ориентироваться с точностью до половины градуса во время шестинедельного похода. Лондонские производители часов (в их числе Джон Харрисон) создали совершенно гениальный механизм, маятник которого исправно работал независимо от крена судна.

Эти технические задачи спровоцировали в конце XVII века изобретательский бум. Справедливости ради стоит отметить, что проблема учета точного времени и сегодня вдохновляет ученых и инженеров на оригинальные и остроумные придумки. Действительно, морской поход корабля сродни звездным путешествиям. Как звезда перемещается в пространстве и как мы определяем, сколько времени занимает ее путь? Стартовой точкой подобных расчетов стали навигационные карты мореходов, потому что они заставили задуматься об относительности времени.

Часовые мастера XVII–XVIII веков были аристократией среди ремесленников подобно мастерам-каменщикам в Средние века, что говорит о важности этих приборов в жизни людей. Часовщики стремились к тому, чтобы хронометры не только показывали точное время, но и воспроизводили движение планет по небу.

Господство идей Ньютона длилось без малого два столетия. Если бы его призрак пришел в Швейцарию в конце XIX века, то все часы в унисон должны были пропеть ему: «Аллилуйя»! Однако, по иронии судьбы, в начале 1900-х именно в Берне, в двухстах ярдах от старинной часовой башни, начиналась научная карьера человека, который снова перевернул наши представления о мире с ног на голову. Его звали Альберт Эйнштейн.

Как раз в это время были обнаружены странности с поведением света. В 1881 году Альберт Майкельсон в ходе экспериментов, которые ученый провел с применением изобретенного им прибора и повторил через шесть лет совместно с Эдвардом Морли, установил, что скорость света всегда остается постоянной и не зависит ни от скорости источника света, ни от скорости наблюдателя. Открытие американских физиков противоречило законам Ньютона, что взволновало мировое научное сообщество и породило множество вопросов.

Вряд ли молодой Эйнштейн был в курсе этих споров. Он не входил в число наиболее прилежных студентов университета.

Однако к моменту переезда в Швейцарию он уже задавался вопросами, как выглядел бы наш мир с точки зрения путешественника, движущегося вместе со световым лучом.

Поиск ответа на вопрос, что такое свет, был достаточно трудным, потому что путь к истине полон парадоксов. И все же, как в любой творческой деятельности, самое важное здесь — правильно сформулировать вопрос. Гениальность таких людей, как Ньютон и Эйнштейн, заключается в том, что они умеют ставить прозрачные, почти детские вопросы, ответы на которые имеют фундаментальное значение.

Поэт Уильям Купер за это качество называл Ньютона «мудрецом, похожим на дитя», и такое описание вполне применимо и к Эйнштейну, чьего лица, казалось, никогда не покидало удивленное выражение. О чем бы ни писал гениальный ученый — о попытке догнать световой луч или о падении сквозь пространство, — его тексты всегда были полны простых, красивых и наглядных аналогий. Я приведу один подобный фрагмент его работы, в которой он описывает принцип относительности. Эйнштейн делает это на примере того, как он, работая клерком, каждый день ездил на трамвае на службу. Исходный пункт — дом со старинными часами, конечный — Швейцарское патентное бюро.

Отправной точкой рассуждений становится почти детский вопрос: «Как бы выглядел окружающий мир, если бы я путешествовал на световом луче?» Если трамвай будет удаляться от часов со скоростью света, то, с точки зрения пассажира, эти часы остановятся.

Позвольте мне разъяснить, почему так происходит. Предположим, что часы расположены у меня за спиной. Они показывают полдень. Это момент отправления. Но допустим, что я удаляюсь от них на световом луче на 300 000 километров. Такое расстояние я преодолею за одну секунду. Но часы будут по-прежнему показывать полдень, потому что отраженному от них свету требуется та же секунда, чтобы добраться до меня. Таким образом, до тех пор, пока я путешествую на трамвае со скоростью света, я буду наблюдать, как часы на башне будут показывать одно и то же время.

Это удивительный парадокс! Я не стану вдаваться в его последствия и проблемы, которыми был озабочен Эйнштейн. Только констатирую факт, что если я путешествую на луче света, то окружающее время для меня останавливается. Это означает, что, достигнув скорости света, я останусь один в своем собственном пространстве и времени, которое все более и более будет расходиться со временем остального мира.

Подобные парадоксы помогают понять две вещи. Первая очевидна: универсального времени не существует. Вторая сложнее: путешественник и домосед воспринимают один и тот же опыт по-разному, как и каждый из нас. Например, если я еду на трамвае, то законы, связывающие скорость, время и расстояние, для меня точно такие же, как и для человека, стоящего на тротуаре под часами. Однако фактические значения, которые получим я и стоящий на мостовой человек, не совпадут.

В этом — суть принципа относительности. Однако встает очевидный вопрос: «Что объединяет разные точки зрения?» Прежде всего — свет, который является носителем информации, связывающей нас. Именно поэтому с 1881 года физиков озадачивает факт: когда мы обмениваемся сигналами, информация между нами всегда движется с одной и той же скоростью. Иначе говоря, скорость света — постоянная величина. При этом время, пространство и масса — характеристики, индивидуальные для каждого наблюдателя, но на всех нас действуют одинаковые законы, потому что и трамвай, и человека, стоящего на тротуаре, связывает скорость света, которая при любых условиях остается неизменной.

Свет и другие излучения являются сигналами, которые распространяются по Вселенной, словно рябь по воде, и не существует способа заставить их двигаться быстрее, чем они это делают. Свет, радиоволны или рентгеновское излучение передают новости и сообщения, формируя базовую сеть информации, которая связывает воедино материальную Вселенную. Даже если сообщение, которое необходимо послать из одной точки в другую, представляет собой сигнал точного времени, все равно мы не сможем получить его быстрее, чем его доставит свет или радиоволна. Для Вселенной не существует универсального времени, не существует сигнала от Гринвичской обсерватории, по которому мы могли бы настроить наши часы, не учитывая скорость света.

Тут необходимы пояснения. Человек, включающий фонарик, видит движение луча света или пули иначе, чем случайный прохожий. Последнему траектория света покажется длиннее, а поскольку скорость света для них одна и та же, то время, прошедшее между двумя событиями — включением фонарика и появлением светового пятна на противоположной стене, — будет для разных наблюдателей разным.

Неужели это реально? Да. Мы уже достаточно знаем о космических и атомных процессах, чтобы убедиться: при высоких скоростях все так и есть. Если бы я передвигался со скоростью, равной половине скорости света, то потраченные мной три с небольшим минуты с точки зрения пешехода на тротуаре длились бы на полминуты дольше.

Теперь разгоним трамвай до скорости света и посмотрим, как будет выглядеть пространство во время этого путешествия. Согласно теории относительности, предметы вокруг меня деформируются. Возникнут также цветовые искажения, но вызванные уже другими причинами. Шпили и островерхие крыши зданий будут словно кланяться путешественнику, остальные дома как будто поспешат столпиться вокруг него. Я двигаюсь по горизонтальной оси, поэтому горизонтальные расстояния покажутся мне короче, но высота объектов останется прежней. Формы автомобилей и силуэты людей сузятся. Все описанное верно и для того, на кого я смотрю, и, наоборот, для тех, кто смотрит на меня. Этот кэрролловский зазеркальный мир относительности симметричен, и мой трамвай для наблюдателя тоже как будто сплющится по длине.

Очевидно, что картина мира Эйнштейна отличается от модели Ньютона. Для последнего время и пространство были абсолютами, в рамках которых материальные события развивались единообразно. Подобный взгляд — это взгляд всевидящего ока, созерцающего картину, единую для всех. Эйнштейн смотрел на мир взглядом человека, при котором то, что вижу я, и то, что видите вы, зависит от каждого из нас, от нашего положения и скорости. И эту относительность нельзя устранить. Мы не можем знать, каков мир сам по себе, мы можем только сопоставлять свои наблюдения, общаясь между собой.

Я в своем трамвае и вы в кресле с книгой можем передать друг другу только наши личные впечатления. К тому же сообщения не передаются мгновенно, неизбежное запаздывание сигнала всегда связано с конечной скоростью распространения света.

В реальности трамвай не движется со скоростью света. Эйнштейн ездил на нем до Швейцарского патентного бюро. По вечерам ученый частенько заходил в кафе «Больверк». Работа с патентами была не слишком обременительной. Честно говоря, большинство заявок (например, предложение по усовершенствованию старого ружья или некоего устройства для управления переменным током) выглядели довольно глупо. На подобных бланках Эйнштейн частенько писал: «Ошибочно, неточно, не ясно».

По вечерам за столиком кафе «Больверк» он встречался со своими коллегами — и тут начиналась настоящая жизнь, потому что они говорили о физике. Эйнштейн, как правило, молчал. Он курил сигары, пил кофе и очень много думал. В его голове роились вопросы, так далекие от обычных физических проблем. Как происходит обмен информацией между людьми? Что это за процесс? Какие сигналы мы посылаем друг другу? Как мы расшифровываем эти послания?

Поиск ответа на подобные вопросы стал сутью всех его работ. Шаг за шагом он приближался к истине.

Результатом раздумий стала статья, опубликованная в 1905 году, под названием «К электродинамике движущихся тел». В этом объемном труде заложены основы той стройной формулы, которая будет опубликована чуть позже: Е=mс². Для нас особенно важно, что первые строки Эйнштейна, касающиеся теории относительности, закладывали основу для создания в будущем атомной физики. Для Эйнштейна это был шаг к созданию единой картины мира — так воспринимали свои открытия и другие мыслители от науки, включая Ньютона. Теория относительности родилась из глубокого понимания процессов, происходящих в природе и в общении между людьми. Физика — это не события, а наблюдения. Предложенный Эйнштейном метод основан на представлении о мире, в основе которого лежат не события, а отношения.

Впоследствии Эйнштейн вспоминал то время с удовольствием и даже сказал своему другу Силарду: «Это были самые счастливые годы моей жизни. Никто не ожидал, что я способен нести золотые яйца». Конечно, как иначе можно назвать открытия Эйнштейна — квантовые эффекты, общую теорию относительности и теорию поля? Последователи сумели доказать многие теоретические выводы и гипотезы ученого. Например, в 1915 году он в рамках общей теории относительности предположил, что гравитационное поле вблизи Солнца может заставить луч изгибаться благодаря искривлению пространства. Королевское научное общество отправило две экспедиции в Бразилию и на Западное побережье Африки для наблюдения за поведением солнечных лучей во время солнечного затмения. 29 мая 1919 года руководитель экспедиции Артур Эддингтон сделал уникальные фотографии звезд во время затмения. Ученый считал это величайшим моментом в своей жизни. Он поспешил телеграммой сообщить новость математику Джону Идензору Литлвуду а тот немедленно написал о результатах экспедиции Бертрану Расселу:

Дорогой Рассел:

Теория Эйнштейна полностью подтвердилась. Прогноз отклонения — 1 мин. 72 сек., реально наблюдаемый угол — 1 мин. 75 сек. ± 06.

С уважением, Дж. И. Л.

Таким образом, теория относительности из умозрительных заключений стала реальностью. Формула Е = mс² со временем была экспериментально и практически подтверждена. Даже идея о том, что движущиеся часы идут иначе, чем неподвижные, подтвердилась полностью и теперь считается неоспоримой. А тогда, в 1905 году, Эйнштейн в шутку описал эксперимент, который мог бы подтвердить эту его теорию:

Попробуйте синхронизировать два часовых механизма. Один из них закрепите в точке А, второй запустите с постоянной скоростью по замкнутой кривой из точки А в точку А. Пусть все время путешествия составляет по показаниям неподвижных часов t секунд. При этом движущиеся часы отстанут на величину 1/2t(v/c)². Следовательно, часы, зафиксированные на экваторе Земли, будут идти немного медленнее, чем такой же хронометр, закрепленный на одном из полюсов Земли.

Эйнштейн умер в 1955 году — через пятьдесят лет после великой статьи 1905 года. Однако тогда невозможно было измерить время с точностью до одной миллиардной доли секунды, так что предложение сравнить скорость течения времени на экваторе и на полюсе казалось очень странным. Сегодня это получилось — еще как получилось!

Эксперимент был проведен в Харуэлле, оксфордском центре научно-исследовательских работ по атомной энергетике, молодым ученым по имени X. Дж. Хей. Он сделал модель Земли, поместив на плоскую тарелку полюс (в центре) и экватор (по ободу). В центр установил неподвижный хронометр, а на обод — очень точные часы и заставил их описывать окружность. Эти часы измеряют время путем статистических подсчетов количества распадающихся радиоактивных атомов. Разумеется, у Хея часы, движущиеся по ободу, шли медленнее тех, что были закреплены в центре. Этот эффект можно наблюдать на любом вращающемся диске, например на пластинке, которая крутится на граммофоне.

Эйнштейн был создателем скорее философской, чем математической, системы. Его гениальность проявлялась в его философских идеях, которые позволяли совершенно по-новому взглянуть на практический опыт.

Он не смотрел на природу как на Бога, он изучал ее как следопыт, то есть, находясь внутри хаоса, он пытался увидеть его свежим взглядом и найти закономерности. Он описывал Вселенную такой, какой ее наблюдал:

Мы забыли, какие свойства мира ощущений заставили нас выработать те или иные донаучные концепции, поэтому нам трудно перестать смотреть на этот мир через призму устаревших представлений. Существует и другая трудность: наш язык состоит из слов, которые неразрывно связаны с этими примитивными понятиями. Вот те препятствия, что стоят перед нами, когда мы пытаемся описать сущность донаучной концепции пространства.

Эйнштейн связал свет со временем, а время — с пространством. Энергию он поставил в зависимость от материи, материю поместил в пространстве, а пространство подчинил гравитации. До последних дней жизни ученый продолжал искать связь между гравитацией, силами электричества и магнетизма. Я помню лекции Эйнштейна, которые он читал в Доме сената Кембриджского университета. Ученый был одет в старый свитер и теплые домашние тапочки на босу ногу.

Свитер, домашние тапочки, нелюбовь к подтяжкам и носкам для Эйнштейна — не эпатаж. Эйнштейн, скорее всего, стал выразителем постулата Уильяма Блейка, воскликнувшего в одной из своих статей: «Чертовы путы! Благословенна свобода!» Эйнштейн совершенно не заботился о карьерном успехе, респектабельности или приличиях. Большую часть времени он понятия не имел о том, что ожидают от людей его положения. Он ненавидел войну, жестокость, лицемерие, а главное — он ненавидел догму. Но, пожалуй, ненависть не совсем правильное слово, ближе к сути — чувство печального отвращения. Эйнштейн считал, что ненависть — это тоже своего рода догма. Он отказался стать президентом государства Израиль, потому что (как он сам объяснил) его голова не подходила для решения гуманистических проблем. Надо сказать, что очень редко люди отказываются от президентского кресла из таких соображений. Если бы все руководствовались ими, институт президентства бы не выжил.

Конечно, с моей стороны дерзость говорить о Восхождении человека в присутствии двух гениев — Ньютона и Эйнштейна, которые приближались к богам. Из них Ньютон — бог Ветхого Завета, Эйнштейн — фигура Нового Завета. Он был полон человеколюбия, сочувствия и вызывал огромную симпатию. В природе он видел нечто божественное и часто говорил о ней. Он любил рассуждать о Боге: «Бог не играет в кости» или: «Бог не злонамерен». Это порядком раздражало его современников, даже Нильс Бор однажды резко одернул Эйнштейна: «Прекратите указывать Богу, что ему делать». Не совсем справедливо, конечно. Эйнштейн обладал талантом формулировать простые вопросы. Как показали его жизнь и работа, он сумел найти ясные ответы на многие из них. И читая их, понимайте, что вы слышите голос бога мышления.