Альберт Эйнштейн

Это явление, называемое релятивистским замедлением времени, приводит к так называемому парадоксу близнецов. Если юноша стоит на платформе, а его сестра-близнец отправляется в дальнее странствие на космическом корабле, летящем почти со скоростью света, она, когда вернется, окажется моложе своего брата. Но, поскольку движение относительно, здесь, очевидно, возникает парадокс. Сестра, летящая в корабле, считает, что это не она, а ее брат быстро движется, и, когда они вновь встретятся, она будет ожидать, что именно он состарится меньше.

Может ли каждый из них оказаться моложе другого? Конечно, нет. Явление не симметрично по отношению к обоим близнецам. Так как космический корабль движется не с постоянной скоростью, а, напротив, он должен развернуться, именно сестра в космическом корабле, а не брат на Земле будет стареть медленнее.

Явление замедления времени было экспериментально подтверждено, для этого даже использовались тесты с часами на коммерческих самолетах. Но в нашей обычной жизни это явление не особенно важно, поскольку скорость нашего движения относительно любого другого наблюдателя никогда по порядку величины не приближается к скорости света. Действительно, если вы проведете почти всю свою жизнь в самолете, к тому времени как вы опуститесь на Землю, вы состаритесь примерно на 0,00005 с меньше, чем ваш близнец на Земле, что с лихвой компенсируется вашим ускоренным старением из-за того, что в течение всей жизни вы будете есть самолетную пищу[352].

У специальной теории относительности есть еще много других странных проявлений. Представьте себе опять световые часы в поезде. Что случится, если поезд мчится мимо наблюдателя на платформе со скоростью, приближающейся к скорости света? Понадобится почти бесконечное время, чтобы луч света в поезде дошел от пола к движущемуся потолку и обратно к движущемуся полу. Таким образом, время в поезде, с точки зрения наблюдателя на платформе, почти остановится.

Когда скорость объекта приближается к скорости света, его кажущаяся масса тоже увеличивается. Закон Ньютона, утверждающий, что сила равна массе, умноженной на ускорение, все еще справедлив, но, поскольку кажущаяся масса возрастает, все большая и большая сила приводит к все меньшему и меньшему ускорению. Приложить настолько большую силу, чтобы даже легкий шарик стал двигаться быстрее скорости света, не удастся. Согласно теории Эйнштейна, скорость света – предельная скорость во Вселенной, и ни частица, ни информация не могут двигаться быстрее.

После всех этих разговоров про то, что расстояния и длительности зависят от движения наблюдателя, у некоторых может появиться искушение задать вопросы: “И какой наблюдатель «правильный»? Чьи часы показывают «действительное» время? Какова длина стержня «в действительности»? Чья точка зрения об одновременности «правильная»?”

Согласно специальной теории относительности, все инерциальные системы отсчета равноправны. Неважно, действительно ли стержень сжимается или время замедляется, мы знаем только, что наблюдатели в разных состояниях движения получат при измерениях разные величины. И теперь мы можем обойтись без эфира как некоей “избыточной” сущности, и значит, не существует никакой заданной “покоящейся” системы отсчета, которая имела бы преимущества перед другими системами.

Одно из самых прозрачных объяснений того, что Эйнштейн придумал, содержится в его письме коллеге по “Академии Олимпия” Соловину:

“Теория относительности может быть изложена в нескольких словах. Вопреки тому что с древних времен было известно, что движение воспринимается только как относительное движение, физика основывалась на понятии абсолютного движения. При изучении световых волн делалось предположение, что одно состояние движения – движение светоносного эфира – отличается от всех других. Было предположено, что все движения тел происходят относительно этого светоносного эфира, который считался воплощением абсолютного покоя. Но после того, как все попытки обнаружить выделенное состояние движения этого гипотетического эфира в экспериментах провалились, стало казаться, что проблему нужно переформулировать, что и сделано в теории относительности. В ней предположено, что нет привилегированных физических состояний движения, и ставился вопрос о том, какие из этого могут вытекать следствия”.

Революционная идея Эйнштейна, как он объяснил ее Соловину, состояла в том, что нужно убрать концепции, “которые не подтверждены экспериментом”, такие как “абсолютная одновременность” и “абсолютная скорость”[353].

Все же очень важно отметить, что теория относительности вовсе не предполагает, что “все относительно” или что все субъективно.

А предполагает она, что измерения времени, включая длительность и одновременность, могут зависеть от движения наблюдателя. То же самое касается измерений пространственных характеристик, таких как расстояние и длина.

Но есть комбинация этих двух переменных, которую мы называем “пространственно-временной интервал”, который остается инвариантным во всех инерциальных системах. Кроме того, есть и другие инварианты – например, скорость света.

В действительности Эйнштейн предложил называть свое детище “теорией инвариантов”, но название не прижилось. Макс Планк в 1906 году использовал термин “относительная теория” (Relativtheorie), а к 1907 году Эйнштейн в письме к своему другу Паулю Эренфесту уже называл ее Relativitätstheorie – теорией относительности.

Один из способов убедиться в том, что Эйнштейн говорил не об относительности всего, а об инвариантности, состоит в том, чтобы рассчитать, на какое расстояние распространится свет за заданный период времени. Это расстояние будет равно скорости света, умноженной на отрезок времени, в течение которого распространяется свет. Если мы стоим на платформе и наблюдаем за этим процессом, происходящим в проносящемся мимо поезде, протекшее там время нам будет казаться короче (в движущемся поезде время кажется замедленным) и расстояние меньше (линейка в движущемся поезде кажется укоротившейся). Но между двумя этими величинами – между измеренными расстоянием и временем – существует соотношение, остающееся неизменным независимо от того, в какой системе координат проводятся измерения[354].

Более сложный способ понять это предложил Герман Минковский – бывший преподаватель математики Эйнштейна в Цюрихском политехникуме. Прочитав работу Эйнштейна, Минковский выразил изумление (и такой отзыв был бы не прочь услышать когда-нибудь каждый нерадивый студент от снисходительного учителя). “Для меня это оказалось огромным сюрпризом, поскольку во время учебы Эйнштейн был жутким лентяем, – сказал Минковский физику Максу Борну, – он вообще никогда не интересовался математикой”[355].

Минковский решил привнести в теорию формальную математическую структуру. Его подход был тем же самым, который был предложен путешественником во времени на первой странице знаменитого романа Герберта Уэллса “Машина времени”, опубликованного в 1895 году: “На самом деле существует четыре измерения, три из них мы называем пространственными, а четвертое – временным”. Минковский как раз и рассматривал все события в виде точек в четырехмерной системе координат, где в качестве четвертой координаты выступает время. Это позволяло осуществлять преобразования координат, но математические соотношения между событиями оставались инвариантными.

Минковский эффектно представил свой новый математический подход в своей лекции, прочитанной в 1908 году. “Точка зрения на пространство и время, которую я хочу изложить, возникла из экспериментальной физики, в этом ее сила, – сказал он, – она радикальна. Отныне пространство само по себе и время само по себе обречены просто уйти в тень, и только их объединение сохранится в качестве независимой реальности”[356].

Эйнштейн, все еще не проявлявший к математике должного уважения, в какой-то момент охарактеризовал работу Минков-ского как “излишне наукообразную” и пошутил: “С тех пор как математики занялись теорией относительности, я сам перестал ее понимать”. Но в действительности тончайшая работа Минковского привела его в восхищение, и в своей популярной книге 1916 года по теории относительности он посвятил ей целую главу.

Какое великолепное сотрудничество могло бы возникнуть!

Но в конце 1908 года Минковский попал в больницу с перитонитом в терминальной стадии. Легенда гласит, что перед смертью он произнес: “Как жаль умирать как раз тогда, когда наступил век теории относительности”[357].

И снова стоит задаться вопросом о том, почему Эйнштейн смог сформулировать теорию относительности, а его современники не смогли. И Лоренц, и Пуанкаре уже сформулировали многие положения теории относительности. Пуанкаре даже поставил под сомнение абсолютную природу времени.

Но ни Лоренц, ни Пуанкаре не дошли до конца – не сказали, что нет необходимости во введении эфира, что нет абсолютного покоя, что время – величина относительная и зависит от движения наблюдателя и то же самое можно отнести к пространству. Физик Кип Торн сказал, что оба ученых “на ощупь брели к такому же, как и Эйнштейн, пересмотру наших представлений о пространстве и времени, но они продирались через туман устоявшихся понятий, навязанных им ньютоновской физикой”.

А Эйнштейн, напротив, был в силах сбросить с себя ньютоновские ошибочные концепции. “Его убеждение в том, что Вселенной присуща простота и красота, и его готовность руководствоваться этими принципами, даже если при этом придется нарушить основы ньютоновской физики, привела его к новому описанию пространства и времени, и он продемонстрировал ясность мысли, которая была недоступна другим”[358].

Пуанкаре никогда не связывал между собой относительность одновременности и относительность времени, и, когда он понял, какие следствия будут иметь его идеи о локальном времени, “отшатнулся от края пропасти”. Почему он не решился пойти дальше? Несмотря на то что у него были важные революционные идеи, он был в гораздо большей степени традиционалистом в физике, чем неизвестный патентный эксперт с присущим ему бунтарским характером[359]. Банеш Хоффман сказал о Пуанкаре: “Когда осталось сделать решительный шаг, у Пуанкаре сдали нервы, и он вернулся к привычному образу мыслей и старым представлениям о пространстве и времени. Если нам это кажется странным, то только потому, что мы недооцениваем смелость, с которой Эйнштейн возвел принцип относительности в аксиому и сохранил веру в него, формируя наши новые представления о времени и пространстве”[360].

Ясное представление о консерватизме Пуанкаре и смелости Эйнштейна можно составить, прочитав то, что пишет об этом один из последователей Эйнштейна в области теоретической физики из Института перспективных исследований Фримен Дайсон:

“Существенная разница между Пуанкаре и Эйнштейном состояла в том, что Пуанкаре был по темпераменту консерватором, а Эйнштейн – бунтарем. Когда Пуанкаре пытался создать новую теорию электромагнетизма, он старался как можно больше оставить из старого. Ему нравилась идея эфира, и он продолжал в нее верить, даже когда его собственная теория указывала, что эфир ненаблюдаем. Его версия теории относительности была как лоскутное одеяло. Новая идея локального времени, зависящего от движения наблюдателя, выглядела как заплата на старой концепции абсолютного времени и пространства, основанной на жестком и неподвижном эфире. Эйнштейн же, напротив, считал рамки прежней системы громоздкими и ненужными и с удовольствием от них избавился. Его версия теории была проще и элегантнее. В ней не было абсолютного пространства и не было эфира. Все сложные объяснения электрических и магнитных сил как упругих напряжений в эфире теперь можно было выбросить в мусорную корзину истории вместе со знаменитыми старыми профессорами, все еще верившими во все это”[361].

В результате Пуанкаре сформулировал принцип относительности, в котором были идеи, сходные с эйнштейновскими, но с одним существенным отличием. Пуанкаре признавал существование эфира, и скорость света у него была постоянной только при измерении наблюдателями, находящимися в покое относительно системы координат, привязанной к этому предполагаемому эфиру[362].

Еще более удивительный факт, который расставляет все по местам: Лоренц и Пуанкаре так и не смогли воспринять концепцию Эйнштейна даже после того, как прочитали его работу. Лоренц все еще цеплялся за существование эфира и привязанную к нему “покоящуюся” систему координат. В лекции 1913 года, которую Лоренц вставил в свою книгу “Принцип относительности”, изданную в 1920 году, он сказал: “Эйнштейн считает, что бессмысленно говорить о движении относительно эфира. Он также отрицает существование абсолютной одновременности. Что касается вашего лектора, то он испытывает определенное удовлетворение от сохранения старой интерпретации, согласно которой эфир обладает по крайней мере некоторой реальностью, время и пространство можно строго разделить, а насчет одновременности можно говорить и без дальнейших пояснений”[363].

И Пуанкаре, кажется, тоже так никогда полностью не понял, какой прорыв совершил Эйнштейн. Даже в 1909 году он все еще настаивал, что теория относительности требует принятия третьего постулата, состоящего в том, что “тело, находящееся в движении, подвержено деформации в направлении, в котором перемещается”. В действительности, как показал Эйнштейн, сокращение стержней не отдельная гипотеза, согласно которой происходит реальная деформация, а следствие сформулированной им теории относительности.

Пуанкаре так и не отказался от концепции эфира или понятия абсолютного покоя вплоть до своей смерти в 1912 году. Вместо теории относительности Эйнштейна, которую он никогда полностью не понимал и не принимал, он говорил о своем принятии “принципа относительности по Лоренцу”. Историк науки Артур И. Миллер замечал: “Пуанкаре твердо стоял за тот принцип, что в мире восприятий есть понятие абсолютной одновременности”[364].

Заключительная кода E = mc², сентябрь 1905 года

Своим письмом к товарищу по “Академии Олимпия” Конраду Габихту Эйнштейн начал свой год чудес, а односложной открыткой ему же, написанной в пьяном виде, отметил его кульминацию. Однако в сентябре он написал еще одно письмо Габихту, на этот раз пытаясь заманить его к себе работать в патентное бюро, из которого ясно, что образ Эйнштейна как одинокого волка создан явно искусственно и не совсем соответствует действительности. “Возможно, удастся заполучить тебя в наше сообщество патентных рабов, – писал он, – может быть, тебе покажется это относительно приятным делом. Действительно ли ты готов и хочешь приехать?

Имей в виду, что кроме восьми часов на работе ежедневно остается еще восемь часов, чтобы подурачиться, а еще есть воскресенья.

Я бы очень хотел, чтобы ты был здесь”.

Как и в том письме, написанном шесть месяцев тому назад, он мимоходом объявил о важнейшем научном прорыве – том, который может быть описан самым известным уравнением во всей научной литературе:

“Мне пришло на ум еще одно следствие статьи по электродинамике, а именно – что принцип относительности в сочетании с уравнениями Максвелла требует, чтобы масса была непосредственной мерой энергии, содержащейся в теле. Свет несет с собой массу. В случае с радием должно наблюдаться заметное уменьшение его массы. Идея занятная и соблазнительная; но не смеется ли надо мной всемилостивый Бог и не водит ли он меня за нос – этого мне знать не дано”[373].

Эйнштейн развил эту идею с элегантной простотой. Статья, которую в Annalen der Physik получили от него 27 сентября 1905 года, названная “Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?”[374], включает в себя всего три пункта и занимает неполные три страницы. Ссылаясь на свою прежнюю работу по специальной теории относительности, он заявляет: “Результаты электродинамических исследований, недавно опубликованные мной в этом журнале, приводят к очень интересному следствию, вывод которого будет представлен в этой статье”[375].

И на этот раз он выводит теорию из первых принципов и постулатов, не пытаясь объяснить эмпирические данные, которые начали собирать физики-экспериментаторы, изучающие катодные лучи, относительно зависимости массы от скорости частиц. Соединив теорию относительности и уравнения Максвелла, он начал (что уже не удивляет) с мысленного эксперимента. Он посчитал свойства двух световых импульсов, испущенных в противоположных направлениях телом, находящимся в покое. Затем он рассчитал свойства этих импульсов и испускающего их тела в системе координат, движущейся относительно первой, и отсюда пришел к уравнению, связывающему скорость и массу.

Результатом был элегантный вывод: масса и энергия суть разные проявления одного и того же свойства. Между двумя этими величинами есть фундаментальная взаимозависимость. Как Эйнштейн сформулировал это в своей статье, “масса тела есть мера содержащейся в нем энергии”.

Для того чтобы описать это соотношение, он также использовал замечательно простую формулу: “Если тело отдает энергию L в виде излучения, его масса уменьшается на величину L/V²”. Можно и по-другому переписать это выражение: L = mV². До 1912 года Эйнштейн использовал для обозначения энергии букву L, а потом в рукописи перечеркнул ее и заменил более общепринятой – Е. А для скорости света он сначала использовал букву V, а потом заменил ее более привычной с. Таким образом, используя обозначения, которые вскоре стали общеупотребительными, Эйнштейн вывел свое знаменитое выражение:

Е = mc².

Энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Скорость света, как известно, огромна. Ее квадрат неизмеримо больше. Поэтому небольшое количество вещества, если его массу полностью перевести в энергию, эквивалентно огромной энергии. Килограмм массы превращается примерно в 25 млрд киловатт-часов электрической энергии. Еще более наглядно: масса одной изюминки может обеспечить почти всю потребность в энергии Нью-Йорка в течение целого дня[376]. Как обычно, Эйнштейн закончил статью, предложив способ экспериментальной проверки предложенной им теории. “Не исключена возможность того, – написал он, – что эту теорию удастся проверить для веществ, энергия которых меняется в большей степени (например, солей радия)”.

Макс Планк. 1930-е гг.