Альберт Эйнштейн: Annus mirabilis

ПРОДОЛЖЕНИЕ. ПРЕДЫДУЩЕЕ ЗДЕСЬ. НАЧАЛО ЗДЕСЬ

В истории науки бывают странные моменты. Кажется, что для великого открытия непременно требуется огромная лаборатория, десятки сотрудников, дорогостоящие приборы и хотя бы солидная университетская кафедра. Альберт Эйнштейн в 1905 году не имел почти ничего из перечисленного. Он был служащим швейцарского патентного ведомства в Берне. Ему исполнилось двадцать шесть лет...

Именно сей чиновник третьего класса за несколько месяцев опубликовал работы, после которых привычное представление человечества о свете, материи, пространстве и времени пришлось пересматривать почти с нуля. Позднее 1905 год назовут annus mirabilis — «годом чудес» Эйнштейна.

Физик за канцелярским столом

После окончания Цюрихского политехникума академическая карьера Эйнштейна складывалась далеко не блестяще. Найти место в университете ему долго не удавалось. В 1902 году он поступил на работу в Федеральное ведомство интеллектуальной собственности в Берне — учреждение, которое обычно называют Швейцарским патентным бюро. Его задачей была экспертиза заявок на изобретения. На первый взгляд — почти идеальный способ похоронить карьеру физика. Получилось наоборот... Работа требовала умения быстро разбираться в устройстве различных электро-механических систем, отсекать ненужные подробности и выяснять главное: действительно ли предложенная схема работает и в чём заключается её принципиальная новизна. Для Эйнштейна такая интеллектуальная гимнастика оказалась неожиданно полезной. Позднее он называл патентное бюро своим своеобразным «мирским монастырём». Здесь можно было зарабатывать на жизнь, а свободные часы отдавать физике. Именно бернский период считается одним из наиболее плодотворных в его жизни. У Эйнштейна при этом практически не было собственной экспериментальной базы. Зато были бумага, карандаш и способность задавать чрезвычайно простые вопросы там, где остальные привыкли оперировать чрезвычайно сложными объяснениями. Например:

Что увидит человек, если попытается догнать луч света? Этот мысленный эксперимент Эйнштейн обдумывал ещё юношей. К 1905 году подобные размышления начали складываться в совершенно новую картину мира.
Первая бомба: свет состоит из порций? Началось всё со света. Физика конца XIX века была довольно уверена в том, что свет представляет собой электромагнитную волну. Теория Максвелла прекрасно описывала множество явлений.

[Теория, созданная Джеймсом Клерком Максвеллом в XIX в., объединила электричество и магнетизм в единую теорию электромагнитного поля. Из его уравнений следовало, что изменяющиеся электрическое и магнитное поля способны распространяться в пространстве в виде волн. Расчётная скорость этих волн совпала со скоростью света — отсюда Максвелл сделал революционный вывод: свет и есть электромагнитная волна. Именно эта теория стала фундаментом классической электродинамики.]

Но существовала «неприятность» — фотоэлектрический эффект. При освещении некоторых веществ из них выбивались электроны. И эксперименты давали результаты, которые плохо укладывались в обычную волновую картину. Казалось бы, чем ярче свет, тем больше энергии он должен передавать электронам. Но обнаруживалось другое: решающую роль играла частота излучения. Весной 1905 года Эйнштейн предложил почти еретическую идею. Свет ведёт себя так, словно его энергия передаётся отдельными порциями — квантами. Позже такие кванты света назовут фотонами. Интересно, что формула, которую сегодня знает едва ли не каждый школьник: E = mc², — 
не была непосредственной причиной присуждения Эйнштейну Нобелевской премии. [Нобелевскую премию по физике за 1921 г. Эйнштейну присудили «За заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта». Вручена в 1922 г.] В решении Нобелевского комитета особо отмечалось именно объяснение закона фотоэлектрического эффекта. И здесь возникает один из парадоксов биографии Эйнштейна… Человек, который станет одним из создателей квантовой физики, позднее окажется одним из самых знаменитых критиков её философского истолкования! Но — до великих споров с Бором оставалось ещё много лет. Пока же неизвестный патентный эксперт сделал первый выстрел по классической физике.

Существуют ли атомы на самом деле?

Сегодня вопрос кажется почти нелепым. Конечно существуют. Мы умеем получать изображения отдельных атомов, строим технологии на атомном уровне и спокойно употребляем выражение «атомная структура вещества». Но в начале XX века положение было совсем другим. Атомистическая теория имела множество сторонников, однако существовали и влиятельные учёные, сомневавшиеся в том, что атомы являются физически реальными объектами, а не просто удобной математической конструкцией. И здесь Эйнштейн обратил внимание на явление, известное уже почти восемьдесят лет.
В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун наблюдал под микроскопом мельчайшие частицы, находящиеся в жидкости. Они беспорядочно дёргались, словно их кто-то непрерывно толкал. Отсюда появилось название — броуновское движение.Эйнштейн показал: хаотическое движение микроскопических частиц можно объяснить тем, что их непрерывно атакуют невидимые молекулы жидкости. Удары происходят со всех сторон, но в каждый конкретный момент они не полностью компенсируют друг друга.

Частица получает маленький толчок.
Потом ещё один.
И ещё.
В результате возникает знаменитая беспорядочная траектория.

Самое важное заключалось в том, что теория позволяла связать наблюдаемое движение с размерами и количеством молекул. Невидимый микромир начинал оставлять вполне измеримые следы в мире видимом. Вскоре эксперименты Жана Батиста Перрена дадут блестящее подтверждение атомистической картине вещества. Будущий нобелевский лауреат экспериментально подтвердил расчёты Эйнштейна, превратив существование атомов из спорной гипотезы в практически доказанный научный факт. Атом переставал быть удобной гипотезой. Он становился физической реальностью. А если догнать свет?
Однако самая знаменитая работа 1905 года была ещё впереди. На протяжении XIX века учёные привыкли считать очевидным существование некой среды, по которой распространяются электромагнитные волны. Звук распространяется в воздухе. Волны — в воде. Значит, рассуждали физики, и световая волна должна распространяться в некоторой (гипотетической) среде. Её назвали светоносным эфиром. В XIX в. представления о нём развивали, в частности, Томас Юнг и Огюстен Френель, а после создания электродинамики Максвелла эфир стали считать носителем электромагнитных волн. Проблема заключалась лишь в одном. Эфир никак не удавалось обнаружить. Эйнштейн предложил радикальный выход: возможно, он просто не нужен. В июне 1905 года в редакцию Annalen der Physik поступила статья с почти безобидным названием: «К электродинамике движущихся тел». В ней не было знаменитого E = mc². Зато там находилось нечто более фундаментальное…Эйнштейн исходил из двух положений.

Первое: законы физики должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга.
Второе: скорость света в вакууме одинакова для таких наблюдателей и не зависит от движения источника света.

И тут начиналось самое интересное. Представим поезд. В вагоне стоит человек. Другой человек находится на платформе. В классической механике всё просто. Если пассажир идёт по вагону вперёд со скоростью 5 километров в час, а поезд движется со скоростью 100 километров в час, наблюдатель на платформе получит примерно 105 километров в час. Скорости складываются. Но со светом этот принцип не работает. Сколько бы поезд ни разгонялся, пассажир и человек на платформе измерят одну и ту же скорость света. Как это возможно? Эйнштейн предложил ответ, который выглядел почти безумием: меняться должны пространство и время.

Время больше не одинаково для всех

До Эйнштейна ньютоновская картина мира предполагала существование единого времени. Часы могли идти плохо. Наблюдатель мог ошибаться. Но где-то за всеми несовершенными измерениями существовало настоящее универсальное время, одинаково текущее во всей Вселенной. Эйнштейн уничтожил эту удобную конструкцию! Оказалось, что два события, одновременные для одного наблюдателя, вовсе не обязаны быть одновременными для другого, если наблюдатели движутся относительно друг друга. Это не оптическая иллюзия. Не ошибка приборов. Не задержка сигнала. Сама одновременность зависит от системы отсчёта.
Отсюда следовали ещё более странные последствия. Для движущегося относительно наблюдателя объекта течение времени замедляется. Размер объекта вдоль направления движения сокращается. Причём при обычных скоростях эти эффекты настолько ничтожны, что Ньютон прекрасно работал несколько столетий и продолжает прекрасно работать сегодня. Но — когда скорость начинает приближаться к скорости света, ньютоновская механика перестаёт быть достаточно точной. Мир оказывается устроен иначе. Что же происходит с человеком в космическом корабле?..
Здесь важно избежать распространённой ошибки. Иногда говорят: «Для быстро летящего человека время замедлится, и он почувствует, что начал медленнее думать». — Ничего подобного! Для самого путешественника всё будет совершенно нормально. Его сердце будет биться как обычно. Часы на руке будут тикать как обычно. Он будет завтракать, спать, стареть и рассуждать с привычной для себя скоростью. Разница обнаружится при сравнении часов наблюдателей, двигавшихся по-разному. Именно поэтому теория относительности звучит странно лишь до тех пор, пока мы пытаемся представить существование какого-то единственного «настоящего» времени. Такого времени специальная теория относительности не оставила. Почему? Ответим…

[Ответ. Потому что в специальной теории относительности нет универсальных часов, одинаково идущих для всей Вселенной. У Ньютона время считалось абсолютным: если два события произошли одновременно, значит они одновременны для всех наблюдателей. Эйнштейн показал, что при конечной и одинаковой для всех скорости света это невозможно. Наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, могут по-разному определить, какие удалённые события произошли одновременно. Простой пример: молния ударяет одновременно в передний и задний концы движущегося поезда. Человек на платформе может увидеть, что удары были одновременными. Но пассажир, движущийся навстречу свету от одного удара и удаляющийся от другого, в своей системе отсчёта получит другую картину одновременности. И дело не просто в том, что свету требуется время дойти до глаз: после учёта времени распространения сигнала разница всё равно остаётся. Посему у каждого инерциально движущегося наблюдателя есть своё корректное измерение времени и своя система синхронизированных часов. Ни одну из этих систем природа не выделяет как единственное «настоящее время».]

Именно здесь рушилось ньютоновское представление об абсолютном времени. Специальная теория относительности показала: единого вселенского «сейчас» не существует — события, одновременные для одного наблюдателя, могут не быть одновременными для другого.

И наконец — E = mc², или Четыре удара за один год!

Осенью 1905 года Эйнштейн опубликовал короткую работу с вопросом в названии: «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нём энергии?» — Из рассуждений следовало, что изменение энергии тела связано с изменением его массы. Позднее связь получила всем известную форму: E = mc². Здесь:

E — энергия,
m — масса,
c — скорость света.

Поскольку скорость света огромна, а в формуле присутствует её квадрат, даже небольшая масса соответствует колоссальной энергии. Однако распространённая фраза «Эйнштейн изобрёл атомную бомбу благодаря E = mc²» исторически чрезвычайно груба. Формула сама по себе не объясняет механизм ядерного деления и не является инструкцией по созданию ядерного оружия. Она выражает гораздо более фундаментальное свойство природы — глубокую связь массы и энергии. Ядерная физика лишь много позже показала, насколько практически значимой может оказаться эта связь. Итак, за несколько месяцев молодой эксперт патентного ведомства успел:

предложить квантовую картину взаимодействия света с веществом;
дать теоретическое объяснение броуновского движения и тем самым мощный аргумент в пользу реальности атомов;
создать специальную теорию относительности;
установить связь между массой и энергией.

Любого одного результата было бы достаточно, чтобы оставить имя учёного в истории физики. Эйнштейн сделал всё это в течение одного — 1905 — года. Причём продолжал ходить на службу. Проверял патенты. Получал жалованье чиновника. Возвращался домой и писал статьи. Есть в этом почти литературная ирония... Научная революция начиналась не под сводами знаменитого университета и не перед собранием академиков. Она происходила за столом молодого служащего в Берне. Но — Эйнштейн ещё не был Эйнштейном 1905 год сегодня выглядит как мгновенное рождение гения. В действительности же научная известность распространялась постепенно.
Работы заметили ведущие физики, в частности Макс Планк, и отношение академического мира к молодому автору стало меняться. Специальная теория относительности ещё много лет обсуждалась и развивалась, а в 1908 году Герман Минковский представил её в геометрическом языке пространства-времени, который позднее использовал и сам Эйнштейн. Самое трудное открытие его жизни было ещё впереди. Специальная теория относительности — «относилась» прежде всего к равномерному движению. Но реальный мир наполнен ускорением. И главное — гравитацией!

Почему Земля движется вокруг Солнца?
Почему падает камень?
Что вообще такое сила тяжести?

Ньютон дал великолепное математическое описание гравитации. Эйнштейну этого было мало. Он захотел понять её природу. И однажды ему пришла мысль, которую он впоследствии назовёт одной из самых счастливых в своей жизни: «…человек, свободно падающий с крыши дома, не чувствует собственного веса». — Из этой простой мысли начнётся ещё одна революция. На этот раз Эйнштейн возьмётся уже не за часы и линейки. Он заставит искривиться само пространство-время.

​