Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

В ньютоновом мире, если двигаться достаточно быстро, можно догнать все что угодно. Гоночный автомобиль, к примеру, может ехать рядом с курьерским поездом. Если при этом заглянуть снаружи в окно поезда, то можно увидеть, как пассажиры читают газеты и пьют утренний кофе, будто в собственной гостиной. Они могут нестись с огромной скоростью, но при этом казаться совершенно неподвижными, если мы будет двигаться рядом с той же скоростью в автомобиле.

Аналогично представьте себе полицейскую машину, догоняющую автомобиль, который превысил разрешенную скорость. Стоит полицейской машине разогнаться и пристроиться рядом с нарушителем, и полицейский сможет заглянуть к нему в машину и помахать рукой, приглашая остановиться. Полицейскому водитель несущегося автомобиля покажется неподвижным, хотя и он сам, и нарушитель могут при этом мчаться со скоростью 150 км/ч.

Физики знали, что свет состоит из волн, поэтому, рассуждал Эйнштейн, если бы удалось догнать луч света и пристроиться рядом, он показался бы вам совершенно неподвижным. Это означает, что для летящего рядом наблюдателя луч света выглядел бы как застывшая волна, как неподвижная фотография волны. Он не колебался бы во времени. Молодому Эйнштейну, однако, такая картинка показалась бессмысленной. Никто и никогда не видел застывшей волны; подобного описания не было нигде в научной литературе. Свет, с точки зрения Эйнштейна, представлял собой особый случай. Догнать световой луч невозможно. Застывшей волны не существует.

Тогда он этого не понял, но ему удалось случайно наткнуться на одно из величайших научных наблюдений века, ведущее непосредственно к принципу относительности. Позже он напишет, что «такой принцип вытекал из парадокса, с которым я уже столкнулся в 16 лет. Если я преследую луч света со скоростью c (скорость света в вакууме), я должен видеть такой луч света… неподвижным. Однако ничего подобного, похоже, не существует, что явствует как из опыта, так и из уравнений Максвелла».

Именно способность выделить ключевые принципы, лежащие за любым явлением, и сосредоточиться на главном подвела Эйнштейна к порогу, за которым лежала научная революция. В отличие от менее крупных ученых, которые частенько терялись в математике, Эйнштейн мыслил простыми физическими образами – несущиеся поезда, падающие лифты, летящие ракеты и перемещающиеся часы. Эти образы безошибочно вели его от одной вехи к другой через величайшие идеи XX в. Он писал: «Все физические теории, какой бы математикой они ни выражались, должны допускать простое описание, понятное даже ребенку».

Осенью 1895 г. Эйнштейн наконец поступил в Политехническую школу и перешел в совершенно новую фазу своей жизни. Впервые ему предстояло познакомиться с последними достижениями в физике, которые в то время обсуждались по всей Европе. Он знал, что в мире физики веют ветры революции. Проводились десятки новых экспериментов, которые вроде бы шли вразрез с законами Исаака Ньютона и классической физики.

В Политехникуме Эйнштейн хотел изучить новые теории о природе света, в первую очередь уравнения Максвелла, которые, как он позже напишет, были «самым увлекательным предметом в те времена, когда я был студентом». Изучив уравнения Максвелла, Эйнштейн смог ответить на вопрос, не дававший ему покоя. Как он давно подозревал, решения уравнений Максвелла, при которых свет оказывался застывшим во времени, не существовало. Но затем он обнаружил еще кое-что. К удивлению Эйнштейна, выяснилось, что в теории Максвелла световые лучи всегда путешествуют с одной и той же скоростью, с какой бы скоростью ни двигались вы сами, то есть наблюдатель. Это был окончательный ответ на загадку: невозможно догнать световой луч, потому что он всегда улетает от вас с одной и той же скоростью . Но такое утверждение, в свою очередь, попирало все, что здравый смысл говорил молодому ученому об окружающем мире. Ему потребуется еще несколько лет, чтобы разгадать парадоксы ключевого наблюдения – свет всегда движется с одной и той же скоростью.

Революционные времена нуждались в революционных теориях и в новых дерзких лидерах. К несчастью, таких лидеров в Политехникуме Эйнштейн не нашел. Его преподаватели предпочитали подробно разбирать классическую физику, в результате чего Альберт начал прогуливать занятия и проводить большую часть времени в лаборатории или за самостоятельным изучением новых теорий. Профессора рассматривали многочисленные прогулы как признак хронической лени; история повторялась, учителя вновь недооценивали Эйнштейна.

Среди преподавателей Политехникума был и профессор физики Генрих Вебер – тот самый человек, который под впечатлением от ответов Эйнштейна на вступительном экзамене предложил ему посещать свои занятия, несмотря на то, что экзамен в целом Эйнштейн провалил. Он даже пообещал Эйнштейну место ассистента после окончания учебы. Постепенно, однако, Вебера начала раздражать нетерпеливость Эйнштейна и отсутствие у него должного почтения к авторитетам. Со временем профессор отказал Эйнштейну в поддержке, сказав: «Вы умный юноша, Эйнштейн, очень умный юноша. Но у вас есть один очень большой недостаток: вы не позволяете себе ничего ни от кого выслушивать». Недолюбливал Эйнштейна и преподаватель физики Жан Перне. Он почувствовал себя оскорбленным, когда Эйнштейн однажды выбросил в мусор методичку к лабораторной, написанной Перне, даже не взглянув на нее. А вот ассистент Перне защищал Эйнштейна и говорил, что его решения, хотя и «неортодоксальны», всегда верны. Тем не менее Перне решил серьезно поговорить с Эйнштейном: «Вы энтузиаст, но в физике вы безнадежны. Для вашего же блага вам стоило бы переключиться на что-нибудь другое, может быть, на медицину, литературу или юриспруденцию». Однажды по вине Эйнштейна, который не пользовался методичкой, произошел взрыв; Эйнштейн сильно поранил себе правую руку, пришлось даже накладывать швы. Его отношения с Перне испортились до такой степени, что тот поставил Эйнштейну «1» – самый низкий возможный балл – по своему предмету. А профессор математики Герман Минковский даже назвал Эйнштейна «ленивой собакой».

В отличие от профессоров, друзья, приобретенные Эйнштейном в Цюрихе, хранили ему верность всю жизнь. Курс физики в том году вместе с ним слушали всего пять человек, считая его самого, и он близко познакомился со всеми. Одним из этих студентов был Марсель Гроссман – математик; он тщательно и подробно записывал все лекции. Его конспекты были настолько хороши, что Эйнштейн частенько предпочитал одолжить их у Марселя, чем идти на лекцию самому, и нередко получал на экзамене более высокие оценки, чем сам Гроссман. (Конспекты Гроссмана до сих пор хранятся в университете.) Гроссман по секрету говорил матери Энштейна, что из ее сына когда-нибудь получится «что-то великое».