Часть II
Эйнштейн

Каково это — поймать луч света? Эйнштейну было всего 16 лет, когда он задался этим вопросом, и это стало его первым шагом к величию. К сожалению, он так и не рассказал, что подтолкнуло его в этом направлении, так что нам остаётся лишь строить догадки. Мы знаем, что он сформулировал свой вопрос в начале 1896 года в школе швейцарского городка Арау в 48 километрах к западу от Цюриха, где он жил в семье Винтелеров.

Я представляю себе, как он просыпается от солнечного света, льющегося в комнату через окно мансарды, которую он снимал. Ветер играет листьями липы за стеклом, и они разбивают свет на десятки крошечных солнечных зайчиков, танцующих на стене над его кроватью. Он вытягивает руку и, как ребёнок, пытается поймать пятно света. Его так завораживает пляска солнца на обоях, что он даже забывает, что нужно вставать. Идиллия нарушается стуком в дверь: «Герр Эйнштейн! — это голос Мари Винтелер, симпатичной 18-летней дочки хозяина дома, которая в него немного влюблена. — Папа просит передать вам, что завтрак готов».

Я представляю, как пару часов спустя Эйнштейн сидит за своей партой в просторном классе школы кантона Арау и глядит в окно на реку Аре. Дождь, стучавший по оконному стеклу, прекращается так же быстро, как и начался. Густые облака расходятся, и на сумеречный город падает столб света, превращая его в библейскую иллюстрацию. Там, где солнечные лучи касаются поверхности реки, вода сверкает, как бриллиант. Эйнштейн так зачарован этим зрелищем, что совсем забывает про лекцию (речь в ней идёт о схемах маршрутизации в генераторах переменного тока). И тут его мечты прерывает рёв директора школы доктора Августа Тухшмида: «Герр Эйнштейн! Прошу прощения, что утомил вас. Может быть, в оставшиеся полчаса вы обратите на меня своё драгоценное внимание?».

Вечером того же дня Эйнштейн и Мари Винтелер, держась за руки, бегают по узким улочкам Арау, прыгают по лужам и хохочут взахлёб, как любые подростки. Они промокли насквозь, но их это не волнует. Внезапно они останавливаются, он притягивает её к себе и целует. За её плечом он видит ряд газовых фонарей, светящихся жутковатым зелёным светом. Чем дальше фонари от него, тем меньше они кажутся и тем слабее светят. В маслянисто-чёрных лужах он видит отражения фонарей и полной луны, которая похожа на ещё один фонарь, оторвавшийся от земли и поднявшийся в небо. Он перестаёт целоваться с Мари и смотрит вверх.

— Альберт?

Весь день его завораживал свет, весь день он думал о нём. И весь день его мучал один вопрос: что не так с нашим пониманием света? Ответ на него заключается в самом вопросе, но Эйнштейн ещё не сформулировал его достаточно точно.

Он не слышит, что ему говорит его подруга, потому что в мыслях он находится в четверти миллиона миль отсюда. Свет Луны прошёл именно такое расстояние, прежде чем достиг его глаз. Он пытается представить себе его путь — одинокое путешествие в холодном вакууме на скорости миллиард километров в час, — и его сердце замирает. Внезапно он понимает, какой вопрос нужно задавать на самом деле. Этот вопрос откроет ему двери в совершенно новый мир знаний. Он кажется таким очевидным, что Эйнштейн удивляется, почему не задался им раньше.

— Альберт, о чём ты думаешь?

Ещё до того, как он заговорит, Мари понимает, что сама ни за что бы не придумала ответ. Хотя Эйнштейну всего 16, он уже видит мир не так, как остальные, и мыслит так, как никто никогда не мыслил. Она видела в его комнате учебники, над которыми он просиживал ночи до рассвета, и не поняла ни слова, как будто те были написаны иероглифами. Она не может последовать за ним и проникнуть в его мир. Её настигает понимание: скоро она ему наскучит и он уйдёт. В уголках её глаз появляются слёзы.

— О чём я думаю? — переспрашивает он, как будто очнувшись ото сна.

— Да, — она вытирает глаза рукавом, но он этого не замечает.

— Я думаю, каково это — поймать луч света.

Она закатывает глаза, берёт его за руку и тащит в сторону дома.

— Альберт, ты такой странный.

Разумеется, вся эта история — лишь плод моей фантазии. Но мне так нравится её представлять! К моменту, когда 16-летний Эйнштейн сформулировал свой важнейший вопрос, учёные считали свет волной (такой же, какую можно увидеть на поверхности пруда). Это не совсем очевидно, потому что расстояние между гребнями световой волны очень мало, меньше ширины человеческого волоса. Тем не менее волновая природа света была подтверждена в 1801 году английским физиком Томасом Юнгом в ходе оригинального эксперимента. Но никто до сих пор не знал, что же такое свет.

Всё изменилось в 1863 году, когда шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, проведя огромную теоретическую работу, свёл все электрические и магнитные явления к единому набору изящных формул. Уравнения Максвелла демонстрируют, как изменения в электрическом поле создают магнитное поле и наоборот. Описание этой связи между электричеством и магнетизмом считается третьим величайшим научным объединением после объединения небес и Земли (Ньютоном) и человека с остальным животным миром (Дарвином).

Анализируя свои стройные уравнения, Максвелл заметил кое-что неожиданное. Они предусматривали движение волн сквозь электрические и магнитные поля, заполняющие пустые пространства. К тому же волны двигались вперёд со скоростью света в вакууме. Вывод напрашивался сам собой, хотя и был удивительным. Свет должен представлять собой электромагнитную волну. Максвелл не только нашёл связь между электричеством и магнетизмом, но и добавил к ним свет.

За 20 лет, прошедших с момента обнародования теории Максвелла, учёные добились потрясающих успехов. Немецкий физик Генрих Герц, действуя по указаниям своего шотландского коллеги, создал искусственные электромагнитные волны. В ноябре 1886 года он, используя искровой разряд в качестве передатчика, послал невидимые радиоволны, которые индуцировали электрический ток в катушке с проволокой, стоявшей на другом конце лаборатории и действующей в качестве приёмника.

Наш мир, оплетённый сетью из миллионов невидимых разговоров, которые каждую секунду передаются по воздуху, родился именно в тот день. Американский физик XX века Ричард Фейнман говорил: «В истории человечества (если посмотреть на неё, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием XIX столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики».

Но, несмотря на все научные триумфы, которые стали возможными благодаря теории Максвелла, она создавала для физиков одну серьёзную проблему. Дело в том, что она совершенно не сочеталась с законами движения, сформулированными Галилеем и Ньютоном.

Волны всегда распространяются в какой-либо среде: морские волны в воде, а звуковые — в воздухе. Гипотетическая среда, в которой движется свет, была названа эфиром. Из факта его существования следовал неизбежный вывод: скорость светового луча, измеряемая наблюдателем, должна зависеть от скорости его движения в эфире. Представьте себе, что вы стоите на палубе яхты. Скорость ветра, бьющего вам в лицо, будет определяться тем, идёт яхта по ветру или против него. Но в уравнениях Максвелла присутствовала некоторая странность. Они никаким образом не ссылались на среду движения света и содержали лишь одно значение скорости светового луча в вакууме. Она была неизменной, постоянной, не зависящей от условий мира, в котором она существует.

Логично было бы предположить, что в расчёты Максвелла вкралась ошибка, которую нужно было найти и исправить. В конце концов, они были всего лишь модной новинкой, в то время как ньютоновские законы движения были сформулированы двумя столетиями ранее и за всё это время никто ни разу не заметил их расхождений с реальностью. Вот тут-то на сцену и вышел Эйнштейн. Его заворожило не только само подтверждение максвелловской теории, полученное Герцем, но и его красота — свойство, которое он считал признаком истинности.

Ньютон говорил, что Платон его друг и Аристотель тоже, но главным своим другом он считает истину. Забавно, что Эйнштейн нашёл в себе силы оспорить постулаты Ньютона именно потому, что был полностью согласен с этим утверждением. Поэтому он и задал себе важнейший вопрос: каково это — поймать луч света?

Согласно Максвеллу, световая волна — это сложная конструкция из электрического и магнитного полей, колеблющихся под прямым углом друг к другу и к направлению движения света. Электрическое поле увеличивается, когда магнитное уменьшается, и наоборот. Распад одного поля генерирует другое, и они сменяют друг друга, создавая самоподдерживающуюся электромагнитную волну.

Мы не будем вдаваться в детали. Достаточно просто представить себе свет как волну, пробегающую по поверхности озера. Если бы мы попытались её остановить, она оказалась бы последовательностью пиков и спадов, застывшей, как на фотографии. Проблема, которую подросток по фамилии Эйнштейн осознал в Арау, состояла в том, что уравнения Максвелла не предусматривали существования неподвижной электромагнитной волны. Если бы нам удалось поймать луч света, произошло бы что-то невероятное, что-то, что согласно законам физики просто не может существовать.

Как разрешить этот парадокс? Эйнштейн понял, что если теория Максвелла верна, то оставался только один способ. Если движение со скоростью света приводило к чему-то невозможному, оно само по себе должно было быть невозможным. Всё просто. Вот только ньютоновские законы позволяют телу двигаться с любой скоростью, и в них ничего не говорится о её ограничениях.

Говорить, что ни одно материальное тело не может двигаться со скоростью света, было очень рискованно. Это означало попытку свергнуть с пьедестала Ньютона, величайшего из когда-либо живших учёных. Без серьёзных доказательств от таких заявлений следовало бы воздержаться. Вот почему Эйнштейн потратил целых девять лет, пытаясь собрать воедино теорию электромагнетизма и ньютоновские законы динамики. Лишь в 1905 году пазл сложился у него в голове.

К этому моменту 26-летний Эйнштейн работал техническим экспертом III класса в Швейцарском федеральном патентном бюро в Берне. Эту должность он получил в 1902 году. Он проживал в двухкомнатной квартире на третьем этаже дома номер 49 по улице Крамгассе вместе со своей женой, сербкой Милевой Марич, и их годовалым сыном Хансом Альбертом. Марич была старше Эйнштейна на четыре года и единственной женщиной в его классе в Швейцарской федеральной политехнической школе в Цюрихе. Их роман вызвал скандал среди их родственников, особенно когда в 1902 году у Марич и Эйнштейна родился внебрачный ребёнок — дочка по имени Лизерль, упоминания о которой встречаются лишь в письмах в Нови Сад и из него, куда Милева уехала рожать. Девочка либо умерла через полтора года, либо была передана на попечительство семье Милевы. Эйнштейн и Марич скрывали её существование от друзей в Швейцарии, поэтому лишь они одни знали правду о судьбе девочки.

Патентная служба спасла Эйнштейну жизнь, за что он оставался ей благодарен до конца дней. Он не сумел получить должность учителя или место в университете, и, как он сам признавался, ему приходилось жить впроголодь. Патентная служба дала ему достаточные доход и респектабельность для того, чтобы в 1903 году жениться на Милеве. Несмотря на то что скорбь от утраты дочери дамокловым мечом нависала над их союзом, Эйнштейн считал время, проведённое в патентной службе, одним из самых счастливых периодов своей жизни.

Работа техническим экспертом III класса не только позволяла ему оплачивать счета, но и давала доступ к последним новинкам эры электричества. Свои знания в области электроприборов он получил в разорившейся отцовской фирме в Милане, занимавшейся электрическим освещением. Тем не менее, работая в своём кабинете на верхнем этаже здания почтовой и торговой администрации, что на улице Генфергасс недалеко от центрального вокзала Берна, он сумел их применить. К радости его начальника Фридриха Халлера, Эйнштейн безошибочно определял даже мельчайшие ошибки в чертежах генераторов, моторов, трансформаторов и других устройств, которые каждый месяц доставляли в патентное бюро. У монотонной работы 48 часов в неделю было своё преимущество — она не занимала его мозг так, как могло бы занять преподавание. У Эйнштейна было много времени на размышления, и он использовал его как следует.

Тысяча девятьсот пятый год попал в анналы науки как «год чудес» Эйнштейна. «Никому ни до, ни после него не удавалось раздвинуть горизонты физики за столь короткий срок, как это сделал Эйнштейн в 1905 году», — писал физик Абрахам Пайс. Никому, кроме, возможно, Исаака Ньютона. Но его «год чудес» длился около 18 месяцев, а Эйнштейн справился всего за три. В период с 17 марта по 30 июня Эйнштейн закончил работу над четырьмя научными трудами такой потрясающей силы, что они полностью изменили всю физическую науку.

Первая работа, которую Эйнштейн называл «очень революционной» и которая в 1921 году принесла ему Нобелевскую премию по физике, ставила под сомнение саму идею света как волны. Эйнштейн предполагал, что атомы излучают или поглощают свет крошечными порциями — квантами. Во второй работе, благодаря которой он получил степень доктора наук в Цюрихском университете, определялись размеры атомов (чьё существование на рубеже веков всё ещё ставилось под сомнение) на основании их диффузии в жидкости. Третья работа описывала необычное движение частиц пыльцы в воде (так называемое броуновское движение, открытое ботаником Робертом Броуном в 1827 году). Эйнштейн предполагал, что оно возникает в результате бомбардировки частиц молекулами воды. Наконец, последняя работа в этой невероятной серии рассказывала о том, как тяжело поймать свет.

Катализатором данного процесса был Мишель Бессо, с которым Эйнштейн увиделся в середине мая 1905 года. Бессо был на шесть лет старше Эйнштейна, и они дружили с 1896 года, когда Эйнштейн получал квалификацию преподавателя в Швейцарской федеральной политехнической школе в Цюрихе, а Бессо работал инженером-механиком в соседнем Винтертуре. Они оба любили музыку (Эйнштейн неплохо играл на скрипке) и познакомились благодаря женщине по имени Селина Капротти из Цюриха, которая по субботам сдавала свой дом для посетителей, собиравшихся, чтобы вместе поиграть на музыкальных инструментах.

Бессо не только советовал Эйнштейну различные книги, но и вёл с ним бесконечные философские дискуссии об основах физики. Но самое главное — он помогал Эйнштейну посмотреть на свои идеи критическим взглядом. Вспоминая майский визит к Бессо, во время которого они касались проблемы неуловимости света, Эйнштейн говорил: «Это был прекрасный день. Мы обсудили все аспекты этой задачи…». Он не упоминал, как долго продолжался разговор, где он происходил и насколько эмоциональной была дискуссия. Но её результат, по словам Эйнштейна, был подобен лучу света в тёмной комнате, осветившему всё и сразу. «Внезапно я понял, в чём кроется проблема!»

Возможно, в тот вечер Эйнштейн рассказал об этом своей жене Милеве. Или он не мог заснуть и, лёжа в постели, мысленно рассматривал проблему со всех сторон, как до него делал Ньютон. Или же он работал за кухонным столом всю ночь до самого утра, заполняя записями одну страницу своего блокнота за другой. У нас нет сведений об этом моменте, потому что Милева, занятая работой по дому, не вела дневник и ни один журналист впоследствии не взял у неё интервью.

Встретившись с Бессо на следующий день, Эйнштейн был так возбуждён, что даже не поздоровался. «Спасибо, — сказал он. — Я наконец решил свою задачу. Для этого мне пришлось проанализировать всю концепцию времени. Я понял, что время не имеет конечного определения и что между временем и скоростью распространения сигнала есть неразрывная связь».

Эйнштейн задумался: если луч света нельзя поймать, что это говорит о скорости света? Попробуем воспользоваться аналогией. Бесконечность в математике — это число больше любого другого числа. Если объект движется с бесконечной скоростью, его невозможно поймать. Тот факт, что свет невозможно поймать, означает, что по каким-то причинам в нашей Вселенной скорость света играет роль бесконечной скорости. Как писал Дуглас Адамс, «ничто не может двигаться быстрее света, за исключением разве что плохих новостей, распространением которых управляет особая физика».

Эта аналогия очень удобна. Если что-то движется с бесконечной скоростью, ваша собственная скорость или направление движения не имеют значения. Ваша скорость будет настолько ничтожной по сравнению со скоростью света, что последняя покажется вам бесконечной. Если объект, движущийся со скоростью света, будет запущен с тела, которое движется по направлению к вам или от вас, то скоростью такого тела можно будет пренебречь по сравнению со скоростью запущенного объекта. Раз скорость света играет в нашей Вселенной роль бесконечной скорости, то она всегда остаётся постоянной, несмотря на скорость её исходной точки или наблюдателя. Скорость света постоянна для всех, вне зависимости от их движения, как и должно быть в соответствии с теорией Максвелла.

Но хватит обобщений, пора перейти к деталям. Как на практике возможно, что любой наблюдатель, с какой бы скоростью он сам ни перемещался, всегда получит одно и то же значение при измерении скорости солнечного луча?

По сути, скорость обозначает расстояние, на которое тело может переместиться за определённое время (представьте себе машину, которая преодолевает 100 километров по шоссе за один час). Если скорость света одинакова для всех, то нужно каким-то образом изменить расстояние и время для каждого.

Эйнштейн понял, что на самом деле человек, проходящий мимо вас, уменьшается в направлении движения, и одновременно замедляется его время, которое показывают его наручные часы. Он как будто бы становится плоским, как блин, и двигается как в замедленной съёмке.

Это уменьшение пространства и замедление времени действуют таким образом, что для каждого из нас, вне зависимости от нашего состояния движения, луч света движется с одинаковой скоростью. Всё это — один огромный заговор Вселенной для поддержания скорости света неизменной.

Разумеется, искривление пространства и времени невозможно заметить, если мимо вас проходит человек или проезжает машина. Вы сможете наблюдать эти странные эффекты лишь в том случае, если какой-нибудь объект пролетит рядом с вами со скоростью, близкой к скорости света. Но свет движется примерно в миллион раз быстрее самолёта Boeing 747, так что ни один предмет на Земле не сможет перемещаться настолько быстро.

И всё-таки расширение времени можно измерить. В 1971 году учёные синхронизировали пару абсолютно точных атомных часов. Одни остались на месте, а вторые отправились в кругосветное путешествие на борту морского лайнера. Когда они вновь воссоединились, экспериментаторы обнаружили между показаниями часов небольшое расхождение. Тот факт, что двигавшиеся часы показывали меньше времени, точно совпадал с предсказаниями Эйнштейна.

Замедление времени влияет и на астронавтов. Российский физик Игорь Новиков отмечал: «Когда в 1988 году экипаж советской космической станции “Салют” вернулся на Землю после года, проведённого в движении со скоростью восемь километров в секунду, он на сотую долю секунды заглянул в будущее».

Гораздо сильнее расширение времени действует на мюоны, субатомные частицы, которые возникают, когда космические лучи (разогнанные до огромных скоростей ядра атомов из космоса) сталкиваются с молекулами воздуха в верхних слоях атмосферы нашей планеты. Доказательство того, что на скорости, приближённой к скорости света, время замедляется, а пространство сжимается, прямо сейчас может проходить через ваше тело.

Мюоны возникают в атмосфере нашей планеты на высоте 12,5 километра и падают на Землю как субатомный дождь. Особенность мюонов состоит в том, что они распадаются в строго определённый срок. Он очень мал — всего 1,5-миллионная доля секунды. Выходит, максимальная дистанция, которую мюон может пройти в атмосфере, не должна превышать 500 метров, и уж точно ни один мюон не должен достигать поверхности Земли.

Но они достигают.

Причина состоит в том, что мюоны движутся со скоростью, равной 99,92% скорости света. С нашей точки зрения, они проживают всю свою жизнь в режиме замедленной съёмки. Для мюонов время движется в 25 раз медленнее, чем для людей, и поэтому от их зарождения до распада проходит в 25 раз больше времени, и распад происходит уже на Земле.

Разумеется, на эту ситуацию можно посмотреть и с другой точки зрения — самого мюона. Для него время идёт с обычной скоростью, ведь относительно себя самого он (как и вы) неподвижен. Вас же он увидит уменьшающимися по направлению своего движения, вернее, даже нашего движения, ведь с точки зрения мюона это Земля приближается к нему со скоростью 99,92% скорости света. Уменьшаетесь не только вы, но и атмосфера. Она сжимается до 1/25 своей толщины, а значит, у мюона остаётся достаточно времени, чтобы достичь поверхности нашей планеты до начала распада.

С какой бы точки зрения мы ни рассматривали эту ситуацию (с вашей, при которой время мюона замедляется, или с точки зрения мюона, при которой атмосфера становится тоньше), мюон всё равно достигает Земли. В этом и состоит волшебство теории Эйнштейна.

«Время — это самая странная штука во Вселенной, за исключением застёжек-липучек, — говорит американский комик Дейв Берри. — Его нельзя увидеть или потрогать, но зато сантехник может выставить вам за него счёт 75 долларов, и вовсе не обязательно, что он при этом что-то починит».

Осознание того, что движущиеся часы замедляются (этот эффект называют релятивистским замедлением времени), а движущиеся линейки укорачиваются (а этот — лоренцевым сокращением), переворачивает наше представление о реальности. Именно поэтому величайшие физики, жившие в одно время с Эйнштейном и располагавшие теми же фактами, не смогли сделать такие же выводы. Ни у кого, кроме Эйнштейна, не хватило смелости открыто бросить вызов Ньютону.

Будучи прагматиком, Ньютон верил в «абсолютное пространство», существующее как некоторый фон Вселенной, на котором разворачивается космическое представление. Любые две точки пространства соотносятся так же, как две булавки, воткнутые в холст художника.

Но Эйнштейн доказал, что абсолютного пространства не существует.

Помимо абсолютного пространства, Ньютон также верил в постоянное время, которое словно отсчитывали гигантские часы где-то во Вселенной. А раз время абсолютно, то для всего сущего интервал между любыми двумя событиями одинаков.

Эйнштейн же доказал, что такого явления, как абсолютное время, тоже нет. «Я не могу разговаривать с вами о времени, — писал Грэм Грин, — потому что моё время отличается от вашего».

Именно так. Временной интервал одного человека может быть не таким, как у другого, и это же правило верно и для пространственных интервалов. Время и пространство — это всего лишь песок, который пересыпается с места на место, а фундамент нашей Вселенной — это скорость света.

Если вам кажется, что эти рассуждения слишком туманны, то не волнуйтесь — так оно и есть. Эйнштейн начал свой путь к научным открытиям в 16 лет, просто задумавшись о том, можно ли поймать солнечный луч. Это навело его на мысли о том, что в ньютоновских законах движения есть некоторые пробелы, а также на идеи, как их заполнить. Но ему всё ещё нужно было разработать последовательную теорию, основанную не на предположениях, а на фактах, из которой свойства пространства и времени выводились бы максимально ясно. Именно над этим Эйнштейн и работал в течение нескольких недель после знаменательной встречи с Бессо в мае 1905 года.

Эйнштейн построил свою теорию, которую мы знаем как специальную теорию относительности, на двух краеугольных камнях. Первым было утверждение о том, что скорость света не зависит от скорости его источника или наблюдателя. Вторым являлся «принцип относительности».

Ещё Галилей в XVII веке понял, что в движении с постоянной скоростью по прямой что-то не так. Такое движение ничего не меняет. Представьте себе, что вы бросаете своему другу мяч. Неважно, стоите ли вы в поле в 20 шагах от него или находитесь на таком же расстоянии, но на палубе корабля (при условии, что он плывёт ровно). В обоих случаях мяч будет двигаться по воздуху одинаково.

Из этого наблюдения Галилей сделал вывод, что законы движения едины для всех людей, которые движутся с постоянной скоростью относительно друг друга. Иными словами, если бы с помощью транспортёра материи из «Звёздного пути» вас перенесли в корабельную каюту без окон, по броску мяча вы бы не смогли определить, находитесь вы на суше или в море. Говоря научным языком, закон движения, сведённый Ньютоном после смерти Галилея к трём постулатам, инвариантен для движения с постоянной скоростью по прямой линии. Он не сможет подсказать вам, находитесь вы в равномерном движении или нет. Всё потому, что понятие абсолютного движения, то есть движения в отношении абсолютного пространства по Ньютону, совершенно не имеет смысла.

Эйнштейн расширил «галилееву относительность». Согласно его принципу относительности инвариантными относительно равномерного движения являются не только законы движения, но и вообще все законы физики. Иными словами, нельзя провести такой эксперимент (включая и эксперименты с распространением света), который показал бы вам, движетесь вы или нет.

Как мы уже знаем, гипотетической средой, через которую якобы двигалась световая волна и в которой можно было измерить движение, считался эфир. Принцип относительности Эйнштейна позволяет полностью избавиться от этой идеи, показывая, что это всего лишь выдумка, тупик, в который учёные зашли по ошибке, реинкарнация «абсолютного пространства» Ньютона, возникшая в XIX веке. Свету не требуется среда для движения, потому что он представляет собой самоподдерживающуюся волну в электромагнитном поле. Так как абсолютное пространство больше не могло играть роль фона для измерения абсолютной скорости, можно говорить только о скорости относительной. Если мимо вас пролетит самолёт, его пространство в этот момент будет сжиматься, а время — замедляться. Вы можете задаться вопросом, как пилот самолёта будет в эту секунду видеть вас. Правильный ответ — точно так же, как вы видите его. Для него вы будете сжиматься в направлении своего движения и двигаться медленно, как будто вы завязли в патоке. Картина будет совершенно симметрична, потому что важно лишь относительное движение. Вы движетесь относительно пилота, а пилот — относительно вас, и при этом ваши скорости равны (хоть направления и различаются). Эйнштейн шутил на этот счёт: «Когда этот Цюрих останавливается в поезде?».

Итак, Эйнштейну понадобилось всего два принципа для создания своей революционной теории пространства и времени: принцип относительности и принцип постоянства скорости света. Вооружённый этими на вид достаточно простыми идеями, он смог заполнить все недостающие пробелы.

Эйнштейн начал с того, что дал определение времени. Он говорил с детской прямотой и простотой: «Время — это то, что измеряют часы». Осталось лишь понять, что такое часы.

Эйнштейн представил себе самые простые из возможных часов, состоящие из источника света и плоского зеркала на определённом расстоянии от него. Одним делением на часах обозначалось время, необходимое свету, чтобы достичь зеркала, отразиться от него и снова вернуться к источнику.

Теперь вообразите, что такие часы находятся в поезде, который мчит мимо вас. Конечно, чтобы вы могли их увидеть, вам нужно рентгеновское зрение (или прозрачные стенки вагонов), но давайте абстрагируемся от деталей, ведь это всего лишь мысленный эксперимент, который поможет нам усвоить базовые понятия. Важно лишь то, что, пока свет движется к зеркалу и от него, и он, и само зеркало движутся относительно вас вместе со всем поездом. Для вас луч не направлен на зеркало строго вертикально вверх, а образует угол. Соответственно, и к источнику он возвращается под углом. С вашей точки зрения свет не перемещается вверх и вниз, а движется по сторонам равнобедренного треугольника. Ему приходится проходить большее расстояние, а значит, временной интервал, который мы замеряем с помощью этой конструкции, увеличивается. Вот почему движущиеся часы действительно идут медленнее.

С помощью аналогичных геометрических аргументов можно доказать, что с вашей точки зрения линейка, находящаяся в том же поезде, укорачивается в направлении движения.

Если вы думаете, что эти аргументы выглядят искусственными и касаются лишь абстрактных часов и линеек, вспомните, что все атомы, из которых состоит ваше тело, тоже действуют подобным образом. Логика Эйнштейна применима и здесь, и с ней абсолютно невозможно бороться. Все часы (а их работу как раз и проверяют с помощью отражения светового луча) в конечном итоге сводятся к простой конструкции, которую мы только что описали.

Время замедляется, а пространство сжимается везде в зависимости от вашего относительного движения. Ваше время и время другого человека различны, равно как и ваше пространство и пространство других людей. Измерения пространства и времени связаны со скоростью сигнала, то есть световой скоростью. А это значит, что его постоянство имеет огромное значение для нашей реальности.

Для того чтобы написать свою работу, Эйнштейну потребовалось пять недель, и за это время он сбросил ньютоновские взгляды с пьедестала и заменил их собственными. Своему коллеге Йозефу Заутеру из патентного бюро он сказал об этом: «Я не могу описать словами, как я счастлив».

Статья «К электродинамике движущихся тел» была опубликована 28 сентября 1905 года. В конце любой научной работы обычно приводится список трудов других авторов, которые на неё повлияли. Эйнштейн не добавил в этот список ни одной работы. Из других учёных он упомянул только великих физиков Ньютона, Галилея, Клерка Максвелла и Герца, да и то лишь для отсылки к их работам. На самом деле другие учёные действительно никак не повлияли на рассуждения Эйнштейна, по крайней мере в значительной степени. Многие отмечали разрозненные элементы новой картины мира, но никто не видел её во всей полноте. Это был фундаментальный принцип, связавший всё воедино.

И Галлей, и Рен, и Гук подозревали о существовании закона обратных квадратов, но лишь Ньютон, вооружённый точными определениями массы и силы и своими законами движения, смог понять его до конца. Догадки не приносили пользы, пока не появился Ньютон со своим чётким видением всей картины. Именно поэтому и он, и Эйнштейн после него сумели фундаментально изменить человеческие представления о мире.

В работе Эйнштейна отсутствовал не только список ссылок на другие публикации. Обычно авторы научных статей благодарят людей, которые помогли им своими советами или обсуждениями. Но Эйнштейн в своём патентном бюро в Берне был одиночкой, неизвестным в научных кругах. В конце работы он упомянул лишь одного человека, написав: «Моему другу и коллеге Мишелю Бессо, который всегда был рядом во время моей работы над вопросами, поднятыми в этой статье. Я благодарен ему за множество ценных замечаний».

Тот факт, что вся Вселенная построена на фундаменте световой скорости, имеет более далеко идущие последствия, чем различие времени и пространства для разных людей. Всё гораздо серьёзнее. Время одного человека — не то же самое, что время и пространство другого человека, а ваше пространство отличается от пространства и времени другого.

В самой медленной полосе вселенского движения, где проходит наша жизнь, это не очевидно, но вы бы определённо это заметили, если разогнались бы до скорости, близкой к световой. Время и пространство — не просто резина, которую можно растягивать до бесконечности. Они могут переходить друг в друга. Всё потому, что они представляют собой две стороны одного и того же явления: пространства-времени.

Мы привыкли считать, что в пространстве есть три измерения (с востока на запад, с севера на юг и сверху вниз), а во времени — только одно (из прошлого в будущее). Но на самом деле все эти измерения сводятся к одному пространству-времени. Будучи жителями трёхмерного пространства, мы не можем воспринимать четырёхмерное пространство-время во всей его полноте. Вместо этого мы видим лишь тени четырёхмерной реальности. Одну из них отбрасывает время, а ещё три — пространство.

Когда Эйнштейн учился в Швейцарской федеральной политехнической школе, математику ему преподавал профессор по имени Герман Минковский. Известно, что поначалу он называл своего студента «ленивым псом», но потом распознал в нём гения. Кроме того, он понял кое-что, чего сам Эйнштейн поначалу не замечал. Его теория объединила пространство и время. «С этого момента время и пространство сами по себе уйдут в тень, и лишь их союз сможет выжить», — говорил Минковский.

Британский математик и коллега Стивена Хокинга Роджер Пенроуз писал: «Самый главный урок, который даёт нам теория относительности, состоит в том, что концепции времени и пространства нельзя рассматривать независимо друг от друга. Их необходимо сочетать, чтобы получить четырёхмерную картину явления. Теперь мы описываем явления в контексте пространства-времени».

Если пространство-время существует и в нём время имеет общие характеристики с пространством, а пространство — с временем, значит, события, происходящие во Вселенной, можно отобразить растянутыми на четырёхмерной карте, как карта ландшафта растягивается на двумерной. Мы находимся внутри этой карты, и потому время для нас течёт. Но если взглянуть на эту карту снаружи глазами Эйнштейна, мы увидим, что оно неподвижно. На ней сосуществуют все события, от Большого взрыва до гибели Вселенной. Жизнь каждого человека представляет собой цепочку таких событий, или «мировую линию», как говорят физики, и отмечена на карте полосой.

«Вещественный мир не происходит, он просто есть, — писал в 1949 году немецкий физик Герман Вайль. — Часть этого мира оживает лишь для моего взгляда и сознания, движущегося по мировой линии вместе с моим телом; оживает как зыбкая картина пространства, которое постоянно изменяется со временем». Вайль косвенно признаёт, что наше ощущение текущего времени не имеет физического объяснения. Дело только в биологии и в том, как наш мозг воспринимает реальность. «Реальность — это всего лишь иллюзия, пускай и очень упрямая», — говорил Эйнштейн.

Идея о том, что все события сосуществуют на четырёхмерной карте пространства-времени, стала для Эйнштейна некоторым утешением, когда его близкий друг Бессо умер в 1955 году. «Он ушёл из этого странного мира, немного опередив меня, — писал Эйнштейн семье покойного. — Но это ничего не значит. Люди вроде нас, те, кто верит в физику, понимают, что различия между прошлым, настоящим и будущим — это только упрямая иллюзия».

Пространство и время служат основаниями практически для всех концепций физики, и как только выяснилось, что полагаться на них нельзя, это затронуло и множество других физических понятий. Возьмём, к примеру, электрические и магнитные поля. Как время и пространство являются аспектами одного и того же явления, так и электрические и магнитные поля оказались проявлениями одного и того же — электромагнитного поля. На самом деле идея Эйнштейна устранила парадокс в теории Максвелла.

Согласно Максвеллу, если вы движетесь рядом с электрическим зарядом, например электроном, таким образом, что относительно друг друга остаётесь в состоянии покоя, вы ощущаете электрическое поле. Если же электронный заряд движется относительно вас, вы испытываете на себе влияние электрического и магнитного полей. Соответственно, если вы движетесь параллельно движению магнита, вы почувствуете магнитное поле, а если магнит движется относительно вас — магнитное и электрическое поле.

Как это возможно? Почему, если смотреть с одной точки зрения, электрическое или магнитное поле существует, а если с другой, то исчезает? Эйнштейн понял, что ответ может быть только один. Электрическое и магнитное поле — это всего лишь различные проявления одной сущности, электромагнитного поля. Сколько проявлений вы видите, зависит от вашей скорости движения относительно источника электромагнитного поля. Но Эйнштейн не просто показал, что электрическое и магнитное поле — это две стороны одной медали, равно как и пространство и время. Он также продемонстрировал, что масса и энергия тоже являются двумя частями одного целого. Это объединение можно назвать величайшим выводом из теории относительности.

К моменту публикации статьи Эйнштейна об основах относительности 28 сентября 1905 года в журнале Annalen der Physik его редактор получил от Эйнштейна дополнение к статье на трёх страницах. В нём-то и содержалась, вероятно, самая известная физическая формула: E = mc².

Это был невероятный и неожиданный вывод. Из него следовало, что масса представляет собой всего лишь ещё одну форму энергии наряду со звуковой, тепловой или электрической. Её отличительной особенностью является только максимальная компактность. Формула Эйнштейна, в которой масса тела m умножается на квадрат очень большого числа c, скорости света, показывает нам, что даже небольшая масса содержит в себе огромное количество энергии, E.

Фундаментальная характеристика нашего мира состоит в том, что одна форма энергии может быть конвертирована в другую, скажем, электричество — в свет лампочки или химическая энергия пищи — в кинетическую энергию ваших мышц. И масса-энергия не исключение из этого правила. Её тоже можно превратить в другие типы энергии, например в тепло и свет. Чудовищное доказательство этому было приведено в августе 1945 года в японских городах Хиросима и Нагасаки.

Но формулу E = mc² можно прочитать и в другом направлении. Не только масса является формой энергии, но и энергия имеет массу. И в данном случае мы говорим обо всех видах энергии. Масса есть у энергии звука, у тепла, у химической энергии и, что самое важное, у энергии кинетической.

Любое тело имеет собственную массу, так называемую массу покоя. Кроме того, оно приобретает массу при движении. Иными словами, если разогнать тело, оно станет более массивным. Когда вы бежите за автобусом, вы весите больше, чем когда ждёте его на остановке. Чашка кофе весит больше, пока напиток в ней горячий, потому что температура — это показатель движения на микроуровне, а молекулы в кофе движутся быстрее, пока кофе не остыл. Разумеется, такой прирост массы можно увидеть, только когда тело движется со скоростью, близкой к скорости света, а в повседневной жизни им можно пренебречь.

Но когда тело набирает разгон и становится более массивным, его труднее сдвинуть с его траектории. Если бы хоть одно материальное тело разогналось до скорости света, оно приобрело бы бесконечную массу, что невозможно. Во Вселенной просто нет столько энергии. Здесь-то и кроется ответ на вопрос, почему нельзя поймать солнечный луч. Одно явление цепляется за другое, и в итоге формируется прекрасное полотно теории Эйнштейна.

Для света, не имеющего массы покоя и способного двигаться на максимальной скорости в нашей Вселенной, время не просто замедляется, а останавливается полностью. Рождение и смерть Вселенной кажутся ему происходящими одновременно. Украинский математик Юрий Иванович Манин говорил: «Единственное, что удерживает нас на месте в пространстве-времени, — это наша масса покоя. Без неё мы двигались бы на скорости света и время и пространство потеряли бы для нас всякий смысл. В мире света нет ни точек пространства, ни мгновений времени. Существа, состоящие из света, жили бы нигде и никогда. Лишь поэзия и математика могут рассуждать о таких вещах».

Специальная теория относительности подвинула в сторону ньютоновскую концепцию абсолютного времени и пространства. Ньютоновская физика оказалась неверным, хотя и поразительно убедительным отображением реальности. Но, несмотря на невероятный успех специальной теории относительности в изменении представлений людей об окружающем мире, у неё были свои недочёты.

Во-первых, она описывала измерение пространства и времени для людей, движущихся с постоянной скоростью относительно друг друга. Только так на них распространяются одинаковые законы физики, а именно одни и те же законы движения и оптики (в частности, постулат о постоянстве скорости света). Проблема в том, что люди редко движутся относительно друг друга с постоянной скоростью. В реальном мире их скорость меняется. Например, машина может притормозить на красный свет, а на зелёный рвануть вперёд. Ракета разгоняется ещё сильнее, пока не приобретёт скорость, необходимую для движения по орбите.

Задача, стоявшая перед Эйнштейном, была ясна. Нужно было понять, как измеряются пространство и время для людей движущихся с различной скоростью относительно друг друга, так чтобы на всех них распространялись одни и те же законы физики. Эти законы должны быть едиными вне зависимости от того, как человек движется: падает, вращается или сидит, вжавшись в кресло, в резко стартующей машине. Специальную теорию относительности нужно было превратить в общую.

В этом желании Эйнштейна не было ничего необычного. Для того чтобы законы физики приобрели универсальный статус, они не должны зависеть от точки зрения наблюдателя. Движемся мы мимо магнита с постоянной скоростью или с ускорением — это не должно играть никакой роли. Закон магнетизма должен оставаться неизменным.

Но у специальной теории относительности были и другие проблемы, помимо ускорения. Например, она не сочеталась с законом всемирного тяготения Ньютона.

По сути, этот закон описывает, как значение силы притяжения меняется при увеличении расстояния до тела, обладающего массой, к примеру Солнца. Это можно переформулировать так: притяжение массивного тела ощущается на любой дистанции мгновенно, а это равнозначно заявлению о том, что гравитация движется со скоростью света. Однако, если верить специальной теории относительности, ничто, даже сила притяжения, не может преодолеть космический потолок скорости, то есть скорость света.

Закон всемирного тяготения Ньютона и специальная теория относительности Эйнштейна вступают в наиболее очевидный конфликт в гипотетическом сценарии, при котором наше Солнце исчезает. Разумеется, подобное событие вряд ли произойдёт! Но если бы это случилось, то, согласно Ньютону, Земля тут же заметила бы это и улетела в космос. Если же верить Эйнштейну, то она спокойно оставалась бы на своём месте в течение того времени, которое требуется солнечному свету, чтобы достигнуть нашей планеты. Лишь через 8,5 минуты мы бы поняли, что Солнца больше нет, — и Земля покинула бы свою орбиту.

Эйнштейн установил, что единственный способ включить скорость света как предел допустимой скорости в закон всемирного тяготения — использовать понятие поля. Оно было введено английским учёным и первооткрывателем электричества Майклом Фарадеем в начале XIX века. Подходя к магниту с куском железа в руках, Фарадей чувствовал, как на металл действует невидимая сила притяжения, которая формирует вокруг магнита силовое поле. Когда же он рассыпал металлическую стружку вокруг магнита, то смог даже разглядеть линии этой силы.

По мнению Фарадея, магнит не влияет с определённой силой непосредственно на кусок железа в его руке. Вместо этого он распространяет вокруг себя магнитное поле, подобно лучу-транспортёру в «Звёздном пути», а это поле, в свою очередь, воздействует на железо. Кажется, будто разница невелика. Но эта гипотеза не только утверждает, что поле существует в физической реальности (в случае с электромагнитным полем проходящая через него вибрация является электромагнитной волной (светом)), но и признаёт, что оно может распространяться с определённой скоростью.

По аналогии с электромагнетизмом Эйнштейну нужно было создать такую теорию, в рамках которой масса была бы источником гравитационного поля, а уже это поле воздействовало бы на другие объекты, обладающие массой. Что самое важное, это поле должно было бы распространяться с определённой скоростью, которая вписывалась бы в космический лимит.

Однако создание теории гравитационного поля, совместимой со специальной теорией относительности, было ещё не самой сложной из задач Эйнштейна. Третья из его проблем была связана с тем, что источником притяжения в ньютоновской теории была масса. Но Эйнштейн уже выявил, что все формы энергии имеют эффективную массу и, следовательно, силу притяжения. Соответственно, конечным источником гравитации должна быть не масса, а энергия.

Эйнштейн почти наверняка осознавал эти недочёты специальной теории относительности после завершения своей статьи в 1905 году. Но решающей стадии его затруднения достигли в октябре 1907 года, когда немецкий физик Йоханнес Штарк предложил ему сделать краткий пересказ его теории для журнала The Yearbook of Radioactivity and Electronics.

В то время Эйнштейн всё ещё работал в патентном бюро, а 1 апреля 1906 года ему даже был присвоен ранг технического инспектора II класса. Трудясь над статьёй после работы, он управился с ней за два месяца и 1 декабря 1907 года передал её Штарку. В первых четырёх разделах приводились базовые идеи специальной теории относительности, а также объяснялось, что она значит для времени, места, массы и энергии. Пятая часть была озаглавлена «Принцип относительности и гравитация».

Пока другие физики изо всех сил пытались понять запутанные идеи специальной теории относительности, Эйнштейн уже понимал, что это только начало. В письме своему другу Конраду Хабихту в конце декабря он признавался, что работает над новой концепцией относительности, хотя пока у него ничего не выходит.

Это были прозорливые слова. Эйнштейну потребуется ещё восемь лет, чтобы включить в свой принцип относительности гравитацию и создать общую теорию относительности. Возможно, это заняло бы у него ещё больше времени, если бы не озарение, которое посетило его, пока он смотрел в окно патентного бюро.

Bais S. Very Special Relativity. — Cambridge, MA: Harvard University Press, 2007.

Einstein A. Relativity: The Special and General Theory. — London: Folio Society, 2004.

Fölsing A. Albert Einstein. — London: Penguin, 1998.

Jaffe B. Michelson and the Speed of Light. — Garden City, NY: Anchor Books, 1960.

Overbye D. Einstein in Love: A Scientific Romance. — London: Viking, 2000.

Pais A. «Subtle is the Lord...»: The Science and the Life of Albert Einstein. — Oxford: Oxford University Press, 1983.