Глава 32
Изменивший правила игры: Эйнштейн

Альберт Эйнштейн (1879–1955) известен благодаря гриве седых волос и теориям относительно материи, энергии, пространства и времени. А еще уравнению e = mc². Его идеи могут выглядеть совершенно непонятными, но они изменили тот угол зрения, под которым мы смотрим на Вселенную.

Однажды Эйнштейна спросили, как выглядит его лаборатория, и вместо ответа он вытащил из кармана авторучку. Он был мыслитель, а вовсе не экспериментатор, работал за столом или около учебной доски, а не с приборами.

И все же даже Эйнштейн нуждался в информации, которую можно добыть только опытным путем, и тут он в особенности полагался на труды немецкого физика Макса Планка (1858–1947). Планк был не только мыслитель, но еще и экспериментатор. Наиболее важное открытие он сделал в возрасте около сорока лет, когда работал в Берлинском университете.

В 1890-х он начал карьеру, занимаясь электролампами, пытаясь найти способ изготовления лампочки с максимальной эффективностью. В экспериментах он использовал гипотезу «абсолютно черного тела», гипотетического объекта, поглощающего все виды падающего на него излучения и ничего не отражающего обратно. Подумайте, насколько жарко вам будет, если надеть черную футболку на солнцепеке, и насколько прохладнее будет в белой. Черная ткань поглощает намного больше энергии из солнечного света, чем белая, хотя кое-что и отражает.

Но абсолютно черное тело не может сохранить внутри себя всю энергия, и как же оно от нее избавляется?

Планк знал, что объем поглощенной энергии зависит от конкретной длины волны (частоты) света. Он проделал тщательные вычисления энергии разных длин волн и вывел математическое уравнение E = hv, где энергия (E) равняется частоте (v), умноженной на некую константу, постоянное число (h). Результат, полученный из уравнения немецкого ученого, всегда был целым числом, не дробью, и это оказалось очень важно, поскольку значило, что энергия выделяется фиксированными маленькими порциями.

Планк назвал их «квантами» (от латинского quantum – «сколько») и опубликовал работу по этому поводу в 1900 году, представив идею квантовости новому столетию. После этого и физика, и наш собственный взгляд на мир изменились навсегда, а константа из уравнения позже получила имя «постоянная Планка».

Само же уравнение оказалось не менее важным, чем эйнштейновское E = mc².

Физикам понадобилось некоторое время, чтобы осознать реальное значение экспериментов Планка. Эйнштейн оказался одним из тех, кто уловил всю их важность. Работая в 1905 году обычным клерком в одном из патентных бюро Цюриха, он занимался физическими изысканиями в свободное время.

И за один год он опубликовал три статьи, благодаря которым сделал себе имя. Первая, за которую Эйнштейн получил премию Нобеля в 1921 году, перевела работу Планка на новый уровень. Эйнштейн развил идеи немецкого коллеги об абсолютно черном теле и предложил совершенно новый квантовый подход.

После напряженных размышлений он показал – некоторым количеством блестящих вычислений, – что свет на самом деле переносится маленькими порциями энергии. Эти порции двигаются независимо одна от другой, несмотря на то что вместе они образуют волну. Это было ошарашивающее утверждение, поскольку физики со времен Томаса Янга, жившего веком ранее, анализировали свет именно как непрерывную волну. Он и в самом деле чаще всего ведет себя как волна, а тут молодой, никому не известный работник патентного бюро заявляет, что свет может быть частицей, фотоном, квантом!

Следующая статья Эйнштейна от 1905 года оказалась не менее революционной. Именно в ней он ввел специальную теорию относительности, которая показывает, что любое движение относительно, иначе говоря, оно может существовать лишь относительно чего-либо еще. Это достаточно сложная теория, но ее можно понять без труда, если немного напрячь воображение.

Эйнштейн не в последнюю очередь стал столь велик потому, что он не просто размышлял над некими данными, а умел представить, что они значат, и изложить все четко и логично.

Итак, представьте поезд, отходящий от станции.

В центре одного из вагонов помещена равномерно вспыхивающая лампочка, свет от нее через равные промежутки времени отправляется и вперед и назад, где отражается от зеркал, размещенных на стенках вагона. Если вы встанете в центре вагона, вы увидите, что свет возвращается к вам точно в один и тот же момент. Но некто, стоящий на платформе в тот момент, когда поезд проходит мимо, увидит отраженные вспышки последовательно.

Хотя обе порции света достигают зеркал одновременно, поезд движется вперед, так что на платформе вы увидите вспышку от удаляющегося зеркала (того, что в передней части вагона) раньше, чем вспышку от приближающегося зеркала (в задней). Таким образом, хотя скорость света не меняется, она выглядит для вас различной, то есть зависит – является относительной, другими словами – от того, является ли сам наблюдатель неподвижным или движется.

Эйнштейн доказал – опять же с помощью некоторого количества сложных уравнений, – что время является одним из основных измерений реальности. С того момента физикам пришлось принимать в расчет не только три знакомых пространственных измерения – длину, ширину и высоту, но и время тоже.

Эйнштейн показал, что скорость света является постоянной вне зависимости от того, удаляется он от нас или приближается. Скорость звука же меняется, и именно поэтому поезд звучит по-разному, когда он надвигается на нас или уносится прочь. Поэтому относительность в специальной теории относительности не прилагается к постоянной скорости света, она имеет отношение к наблюдателю и к тому факту, что время должно быть включено в рассмотрение.

Время тоже не абсолютно, а относительно, оно меняется в зависимости от скорости нашего перемещения, и часы показывают этот факт. Есть старая история о космонавте, отправившемся в путешествие на околосветовой скорости и вернувшемся на Землю, чтобы обнаружить, что время ушло далеко вперед. Все, кого он знал, постарели и умерли. Он же сам постарел совсем немного по сравнению с тем моментом, когда пустился в путь, словно его часы, взятые с собой, замедлились, как и восприятие времени.

Это всего лишь мыслительный эксперимент, и подобное может случиться только в научной фантастике.

Как будто этого было недостаточно, знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc² связало массу (m) и энергию (E) неким новым образом. «C» в уравнении – скорость света. В действительности Эйнштейн показал, что масса и энергия не более чем два аспекта материи. Поскольку скорость света очень велика, а возведенная в квадрат становится еще больше, то даже очень небольшое количество массы, полностью переведенное в энергию, создаст огромное ее количество.

Даже атомная бомба превращает в энергию крохотную часть массы.

Если всю массу вашего тела целиком перевести в энергию, то получится взрыв мощностью в пятнадцать больших водородных бомб. Так что лучше не пробуйте такого.

Несколько следующих лет Эйнштейн развивал свои гипотезы, и к 1916 году он выступил с более масштабной идеей относительно устройства Вселенной, и она получила название общей теории относительности. В ней он представил гипотезы насчет взаимосвязи между гравитацией, ускорением и структурой пространства.

Эйнштейн показал, что гравитация и ускорение на самом деле эквивалентны. Вообразите, что вы находитесь в лифте и выронили яблоко из руки; оно упадет на пол. Теперь, если вы отпустите яблоко в точности в момент, когда кто-то перережет трос, на котором висит лифт, вы полетите вниз вместе с яблоком.

Относительно вас оно не будет двигаться, поскольку вы падаете с одной скоростью. В любой момент вы сможете просто протянуть руку и схватить свое яблоко. Оно никогда не доберется до пола до тех пор, пока лифт (и вы) продолжает падать. Несомненно, нечто подобное произойдет в пространстве, где нет гравитации.

Космонавты и их корабли на самом деле находятся в свободном падении.

Общая теория относительности Эйнштейна показала, что пространство, а точнее пространство-время, искривлено. Она позволила предвидеть способ объяснения нескольких феноменов, в которых физики на тот момент не могли разобраться. Согласно теории, свет должен немного отклоняться от траектории, когда он проходит рядом с большим телом, и все потому, что он сам по себе (фотоны) имеет массу и большое тело будет притягивать их к себе. Наблюдения, проведенные во время солнечных затмений, показали, что так на самом деле и происходит.

Теория Эйнштейна также позволила объяснить любопытные черты орбитального вращения Марса 1 вокруг Солнца, чего не могли сделать менее сложные законы ньютоновской механики.

Эйнштейн работал либо с чем-то очень маленьким (крохотные фотоны), либо с чем-то очень большим (Вселенная в целом). Он предложил новый убедительный способ связать одно с другим в единой схеме. Он как внес вклад в квантовую теорию, так и добавил много нового непосредственно от себя. Его идеи и уравнения, на которых они основывались, помогли определить пути, по которым пошла физическая мысль.

Но Эйнштейн одобрял далеко не все новые направления, возникшие в физической науке. Он никогда не терял веры, что Вселенная (со всеми атомами, электронами и прочими частицами) – закрытая система причины и следствия. Его знаменитая фраза гласит: «Бог не играет в кости», и это значит, что вещи всегда случаются стандартным, предсказуемым образом.

Не все с этим согласились, и другие физики, воспринявшие квантовые идеи Планка, пришли к иным выводам.

Понятие электрона оказалось центральным для большинства работ по квантовой теории того времени. В главе 30 мы видели модель атома, предложенную Нильсом Бором в 1913 году, где электроны, помещенные на фиксированные орбиты с определенной энергией, носились вокруг центрального ядра. Много усилий было потрачено на то, чтобы объяснить отношения в этой системе математически. Обычная математика тут не годится.

Чтобы разобраться с проблемой, физикам пришлось обратиться к матричной математике. В обычной 2 умножить на 3 то же самое, что 3 умножить на 2, а в матричной дело не всегда обстоит таким образом.

Именно она позволила австрийскому физику Эрвину Шредингеру (1887–1961) разработать новую систему уравнений в 1926-м. Его волновое уравнение описывает поведение электронов на внешних орбитах вокруг атома, и оно положило начало квантовой механике.

Она сделала для очень маленького то, что Ньютон сотворил для очень большого.

Подобно многим физикам, изменившим наш способ восприятия мира в первой половине двадцатого века. Шредингер должен был бежать от нацистов и провести годы войны в Дублине. Эйнштейн, как мы знаем, отправился дальше, в Соединенные Штаты.

Волновое уравнение Шредингера внесло нечто вроде порядка в картину атома. Затем Вернер Гейзенберг (1901–1976) вывел принцип неопределенности в 1927 году, частью философский, частью экспериментальный. Гейзенберг заявил, что сам акт наблюдения за электронами оказывает на них влияние и это накладывает ограничение на то, что мы можем знать.

Мы в состоянии определить либо импульс электрона (масса, умноженная на скорость), либо его позицию, но никогда то и другое вместе; определяя одно, мы делаем неопределенным другое. Эйнштейн (среди других) оказался шокирован этой идеей, и попытался опровергнуть принцип неопределенности Гейзенберга.

Он не смог и вынужден был признать свое поражение, и до сих пор этот принцип никто не смог убрать: есть определенные пределы человеческого знания о микромире.

Электрон также использовал в своих исследованиях Поль Дирак (1902–1984), англичанин, которого иногда рассматривали как второго Эйнштейна. Его книга о квантовой механике оставалась лучшей на протяжении трех десятилетий, и его собственные уравнения, посвященные квантовой активности атомов и атомных частиц, были просто блестящими.

Проблемой являлось то, что для того, чтобы система работала, требовалась странная частица – положительно заряженный электрон. А его появление вызывало мысль, что существует не только материя, но и антиматерия, а сама идея о подобном выглядела дико, поскольку материя рассматривалась как основа мироздания.

Но за несколько лет поисков искомая частица – позитрон – была обнаружена. Близнец электрона, он несет единичный положительный заряд, а комбинируясь с электроном, производит выплеск энергии, после чего обе частицы исчезают. Материя и антиматерия при столкновении могут аннигилировать друг друга в мгновение ока.

Открытие позитрона доказало, что атомы состоят не только из протонов, электронов и нейтронов. Мы увидим глубокие открытия по этому поводу позже, после того как физики научатся использовать сверхвысокие энергии для наблюдения за атомами и частицами. Хотя «наблюдение» не совсем правильное слово, ведь работая с высокими энергиями, физики на самом деле не могут видеть напрямую, что происходит во время экспериментов. Они разглядывают пятнышки на мониторе, или колебания магнитных полей или иных показателей, измеряемых приборами.

Но атомные бомбы, атомная энергия и даже возможность создания квантового компьютера – все это доказывает существование силы и тайны в природе – совершенно реальные вещи, даже если мы их не видим.

Квант Макса Планка и осознание Эйнштейном того факта, что масса и энергия – два аспекта одного явления: эти открытия навсегда изменили то, как мы понимаем Вселенную. Масса и энергия, волна и частица, время и пространство… природа открывает себя всегда как «и то, и другое», не «или это или это». И все эти концепции помогают не только объяснять структуру мироздания и то, как оно возникло, но и освещать улицы в темное время. Спутники высоко над поверхностью планеты и система спутниковой навигации полагаются на специальную теорию относительности.

Если бы ее не было, то мы бы не смогли найти дорогу так легко.