Максим Чертанов - Эйнштейн

Как читателю-гуманитарию понять физику? Чтобы легко и без усилий — вот беда — никак! Относительно легкое понимание возможно, когда речь идет, например, о биологии, там все такое близкое и всякому любопытное: наши мозги, поведение собак и кошек, кто родится, если голубоглазая выйдет за кареглазого… С физикой не так. Кроме того, в биологии, при всей ее сложности, язык употребляется человеческий, а в физике — математический. Всё в ней — дома, леса, поля, небо, звезды, электроны — загоняется в уравнения. Хороший пример дал в 1929 году сам Эйнштейн (в письме художнику Сэмюелу Вульфу): «Если есть успех в жизни, то A=x+y+z . Работа — х, игра — у и z — держи рот на замке».

Но разве нельзя перевести математику обратно на человеческий язык? Авторы научно-популярных книг пытаются: «Эйнштейн показал, что требование ограниченной ковариантности позволяет единственным образом определить гравитационный лагранжиан при условии, что он однороден и имеет второй порядок относительно (обыкновенных, нековариантных) первых производных тензора…» [8] Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М.: Наука, 1989. Это промежуточный язык, где есть слова, но они всё еще не человеческие. Другие авторы стараются переводить без специальных терминов: «Относительная скорость Джорджа и Грейс, когда они разлетаются в разные стороны, составляет 99,5 % от скорости света. Далее, пусть по своим часам Джордж ждет 3 года и включает свой ранцевый двигатель, который мгновенным толчком посылает его назад к Грейс с той скоростью, с которой они перед этим разлетались, т. е. равной 99,5 % скорости света. Когда он достигает Грейс, по его часам проходит 6 лет, так как, чтобы догнать Грейс, ему нужно 3 года» [9] Грин Б. Элегантная Вселенная. М.: Едиториал УРСС, 2011. . Однако опыт показывает, что для человека, который открыл биографию Эйнштейна, дабы что-то узнать о его жизни, и такой язык чересчур сложен: читаешь про Джорджей и Грейс, которых авторы заставляют летать с ранцами на спине, и голова идет кругом, как от формул. Каков выход? По большому счету он один: отложить на время эту книгу, взять «Элегантную Вселенную» Братана Грина или «Бегство от удивлений» Г. Б. Анфилова и прочесть с самого начала все про этих Джорджей и их русских собратьев и, взяв в руки зеркала и фонарики, проделать опыты, про которые там написано, и, преодолев страх, самому решить на бумаге какую-нибудь элементарную математическую задачку… Если лень — что ж, придется довольствоваться весьма условным пересказом. (Но автор очень надеется, что читатель скоро вскричит: «Почему? Что за чушь! Не понимаю!» — и все-таки обратится к научно-популярной литературе.)

Древние греки считали: все пространство заполнено эфиром, чем-то вроде воздуха. Потом всем долго было безразлично, есть ли эфир, но в середине XVII века Рене Декарт возродил эту идею: эфир — материальная субстанция, заполняющая Вселенную; в ней, как в воздухе, есть вихри и воронки. Потом пришел Ньютон и сперва обходился в своей физике без эфира, но, задумавшись о тяготении, решил, что, наверное, эфир есть и это он притягивает Землю к Солнцу, но настаивать не стал и завещал изучать эфир потомкам. В XIX веке все считали, что эфир есть и в нем распространяется свет. Свет, как открыл голландец Христиан Гюйгенс, это волны. Звук — тоже волны, то есть колебания: вы крикнули — и по воздуху пошла звуковая волна. Бросили в речку камень — на воде волны. Значит, есть что-то типа воздуха или воды, в чем колеблются световые волны. Эфир — что же еще?

В 1860-х англичане Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл открыли, что свет — не просто какие-то волны, а электромагнитные, и Максвелл в 1864 году все электрическое и электромагнитное описал в уравнениях. Этот Максвелл всю физику взбаламутил своими уравнениями. У него световые волны — это колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся (в эфире) со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Почему именно 300 тысяч? По Ньютону (который, кстати, не считал свет волной), все движется в соответствии с принципом сложения скоростей. Если громкоговоритель поставить на едущий автомобиль, скорость распространения звука увеличится. Ну, стало быть, и свет так же. Если человек несет в руке лампу, то хоть на пять километров в час скорость распространения света от лампы увеличится.

А вот по уравнениям Максвелла получалось, что это не так и что скорость света всегда 300 тысяч и никак иначе, хоть с какой быстротой неси его эфирный ветер, хоть на какую быструю повозку его ставь; и меньше она тоже не может быть. Только не путайте скорость с расстоянием: разумеется, свет от лампы к нам дойдет быстрее, чем от Солнца. Также не путайте предельность скорости самого света с невозможностью чего-либо двигаться быстрее света. Отбрасываемые тени могут перемещаться быстрее света, потому что каждое следующее местоположение тени никак не связано с ее предыдущим местоположением. (Непонятно? А возьмите серьезную книжечку-то…) А если лететь рядом со светом с такой же, как у него, скоростью — свет вообще исчезнет, чего не может быть.

Максвелл свел физиков с ума: дело в том, что всякое уравнение в физике существует не само по себе, оно должно вписываться в системы разных других уравнений, описывающих всё. Грубо говоря, есть уравнение X+Y=Z, и если вы в левую часть впишете, что X в свою очередь равен А+Б+В+Г+Д+табуретка, то в правой все равно должен получиться Z. Когда же Максвелловы уравнения пытались вставлять в «нормальную» физику, описывающую, как все существует и двигается, получалась ерунда. И в то же время все так распрекрасно и ясно было у Максвелла написано, что никто с ним в его области не спорил, вопрос был в том, как помирить его с нормальной физикой. И все думали, что загвоздка тут в эфире, он как-то себя странно ведет, и если его поймать и загнать в уравнения, то будет всем счастье. И все опять кинулись изучать эфир. Вот и Эйнштейн хотел. Он не знал, что в 1880-х физик Майкельсон, сначала один, а потом с физиком Морли, проделал опыт по поимке эфира.

Если вы выбросите бумажку из окна едущего поезда, ее подхватит и унесет ветер, дующий навстречу, не важно, хоть ветрено снаружи, хоть штиль. Не важно, эфир движется или Земля движется в неподвижном эфире, в любом случае если что-то кинуть — эфирный ветер подхватит и понесет. Не будем мучить лирика описанием опыта Майкельсона — короче говоря, никакого эфирного ветра не оказалось. Не изменял эфир скорости света. Совсем непонятно все стало. Как жить без эфира?

В 1892 году Хендрик Лоренц (1853–1928), завкафедрой теоретической физики Лейденского университета (обаятельный человек, деликатный, душка, счастливо женатый, всеми уважаемый и любимый), и независимо от него другой физик, Фицджеральд, придумали, как помирить физику с Максвеллом. Лоренц написал свои уравнения (их потом скорректировал математик Анри Пуанкаре), и у него получилось, что если скорость света не трогать, то, чтобы уравнения сошлись, длина движущихся предметов должна увеличиваться. Ну вот представьте, что 2+3=5, а 2+3+эфирный ветер должно равняться чему-то другому. А все, как ни крути, получается пять да пять. Но нельзя поверить, что нет эфирного ветра (табу!), значит, можно как-то подогнать 2 и 3, сделать из них какие-то другие числа. Вот Лоренц и подогнал длину, и уравнения тогда сошлись. А почему так, он не знал. Он просто сказал, что, видимо, таковы уж свойства этого загадочного эфира, что он меняет длину предметов. И все продолжали что-то свое про эфир думать. Эйнштейн тоже. Возможно, это помешало ему подготовиться к экзаменам.