Удивительный год
Самый удивительный год в жизни Эйнштейна – 1905-й. Из шести опубликованных им статей четыре стали известны во всем мире. В начале года он написал другу Конраду Хабичу: «Я обещаю тебе четыре статьи, первая из которых весьма революционна» [4, с. 21]. Написанная в марте 1905 г., эта первая статья вышла 9 июня 1905 г. Она называлась «Эвристическая точка зрения, касающаяся генерации и трансформации света». В ней Эйнштейн впервые выдвинул теорию о квантовой природе энергии. Он сформулировал невероятное предположение, что и волны имеют квантовую структуру. Так родилась квантовая физика.
Эйнштейн был не первым, кто заговорил о квантах. За пять лет до него, в 1900 г., понятие кванта (или элемента) энергии ввел Макс Планк. Но для него это было всего лишь техническим приемом. Кванты энергии не рассматривались в его системе как физическая реальность, а использовались как некая «промежуточная» условность, помогающая теоретическим рассуждениям, но выпадающая из окончательного результата. О мелких частичках света говорил еще Ньютон, но и в начале XX в. физики не располагали никакими экспериментальными данными, позволяющими верить в их объективное существование. К тому же все оптические явления прекрасно описывались теорией электромагнитных волн, опирающейся на общие уравнения электромагнетизма Максвелла.
В начале 1905 г. Эйнштейн задался вопросом, не приходившим тогда в голову ни теоретикам, ни экспериментаторам: почему материя атомарна (т. е. дискретна), а свет непрерывен? Конфликт непрерывности и дискретности проступает особенно остро, если свет и атомы взаимодействуют, – когда, например, атомы излучают или поглощают свет. Эта ситуация, глубоко прочувствованная и продуманная Эйнштейном, подсказала ему новый неожиданный подход к физической природе света. Он сформулировал его так: когда луч света распространяется в пространстве от точки к точке, его энергия не распределяется непрерывно по возрастающему объему пространства; напротив, она состоит из конечного числа квантов энергии, каждый из которых движется как целое без дробления и затем поглощается (атомом) тоже целиком как некое неделимое целое.
Следующая статья – «Новый метод определения размеров молекул» – была готова в апреле и стала основой диссертации Альберта Эйнштейна. Третья статья посвящалась броуновскому движению, т. е. макроскопическому подтверждению существования атомов. Она была напечатана в журнале «Анналы физики» 11 мая и называлась «О движении малых частиц, взвешенных в стационарных жидкостях, требуемом молекулярно-кинетической теории теплоты». Эта статья была дополнена в декабре 1905 г., но опубликована только в 1906 г., с приложением о статистической теории броуновского движения.
Явление движения частиц взвеси (цветочной пыльцы и т. п.) в воде оставалось загадкой с 1820-х гг., когда оно было открыто ботаником Робертом Броуном (или, точнее, Брауном). Эйнштейн первым разгадал природу этого движения: случайные блуждания взвешенных частиц – проявление хаотического теплового движения молекул жидкости. Многократные случайные толчки молекул заставляют частицы перемещаться в беспрерывном неупорядоченном танце. При таком понимании частицы цветочной пыльцы служат «увеличительным стеклом», позволяющим взглянуть на мир движущихся атомов и молекул.
Главный результат теории Эйнштейна – статистический закон перемещения броуновской частицы: расстояние частицы от исходной точки пропорционально корню квадратному из времени, затраченного на перемещение. Этот закон случайных блужданий был выведен молодым ученым из кинетической теории газа (примененной к частицам взвеси) и гидродинамики (примененной к движению частиц в вязкой жидкости). В качестве множителя между смещением частицы и корнем квадратным из времени в этот закон входит комбинация размера взвешенных частиц, коэффициента вязкости жидкости и ее температуры (умноженной на постоянную Больцмана). Тем самым соотношение Эйнштейна устанавливало прямую связь между случайным смещением одной макроскопической частицы и хаотическим тепловым движением огромного множества микроскопических частиц жидкости. В 1908 г. это соотношение было проверено и полностью подтверждено в лабораторных опытах Жана Перрена в Сорбонне. Работы Эйнштейна по броуновскому движению завершили целую эпоху в физике – эпоху становления атомизма. Теорией Эйнштейна и опытами Перрена вопрос о реальности атомов был полностью и окончательно решен.
Четвертая статья, «К электродинамике движущихся тел», наиболее известна в научном сообществе, поскольку она специально посвящена теории относительности. Впервые в истории физической науки, восходящей к Галилею и Ньютону, фундаментальные основы физики ставились под сомнение. Теория Эйнштейна основывалась на двух постулатах: первый – принцип относительности, выдвинутый Галилеем, согласно которому все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Второй – гипотеза о постоянстве скорости света. Проблема в том, что соединение этих двух постулатов приходит в противоречие с классической механикой, применяемой в течение столетий.
Летом 1905 г. Эйнштейн писал Хабичу: «Принцип относительности, связанный с фундаментальными уравнениями Максвелла, приводит к тому, что масса тела есть мера содержания энергии в этом теле…» [4, с. 51]. Через три месяца Эйнштейн представил в «Анналы физики» пятую статью под названием «Зависит ли инерция тела от содержащейся в ней энергии?». В этой статье, ставшей фундаментальной для науки XX в., показано: если тело освобождает некоторое количество энергии E в форме света, его масса уменьшается по формуле E/c2: речь идет о соотношении между энергией покоя и массой тела. Формула E = mc2 – самая знаменитая формула прошлого века. Эйнштейн даже и представить себе не мог, что через 100 лет молодежь всего мира будет носить майки с его формулой, о ней будут снимать фильмы, ее станут использовать в рекламе.
В мае 1906 г. Эйнштейн возвратился к этой теме и опубликовал вторую статью о гравитации. Во вступительной части он фактически признал приоритет Пуанкаре: «Мы показали, что изменение энергии должно соответствовать эквивалентному изменению массы на величину, равную изменению энергии деленному на квадрат скорости света… Несмотря на то что простое формальное рассмотрение, которое должно быть приведено для доказательства этого утверждения, в основном содержится в работе А. Пуанкаре (1900 г.), мы из соображений наглядности не будем основываться на этой работе» [4, с. 52]. Заслуга Эйнштейна в том, что этот закон, первоначально выведенный лишь для лучистой энергии, он обосновал для всех форм энергии, и это дает полное основание называть знаменитое соотношение его именем.
Эйнштейн заканчивает статью рассуждением, что принцип сохранения массы – часть принципа закона сохранения энергии. Профессор Минковский, преподававший Эйнштейну математику в Политехникуме, обратил внимание на его статью и на одном из семинаров, к большому удивлению собравшихся, воскликнул: «Ах, этот Эйнштейн, всегда пропускавший лекции; я бы никогда не поверил, что он способен на такое!» Новое воззрение на пространство и время, сформулированное в работе Эйнштейна, требовало, по мнению Минковского, существенной доработки в смысле математического оформления. Своим студентам он говорил: «Эйнштейн излагает свою глубокую теорию с математической точки зрения неуклюже – я имею право так говорить, поскольку свое математическое образование он получал в Цюрихе у меня».
30 апреля 1905 г. Эйнштейн направил в Университет Цюриха текст докторской диссертации на тему «Новое определение размеров молекул». Рецензентами были профессора Кляйнер и Буркхард. 15 января 1906 г. он получил степень доктора наук по физике.
Можно предположить, что появление всех этих материалов вызовет настоящий взрыв в мире физики, но это не так. Позднее Майя Эйнштейн написала в воспоминаниях о брате: «Молодой ученый думал, что публикации в таком известном журнале немедленно привлекут всеобщее внимание. Он был весьма разочарован. Публикация его статей была встречена ледяным молчанием. В последующих номерах журнала не было никаких упоминаний. Профессиональное сообщество ограничилось ожиданием. Некоторое время спустя Эйнштейн получил письмо из Берлина от известного профессора Планка, который просил разъяснений некоторых неясных моментов. После длительного ожидания это было первое указание на то, что его статьи прочитали. Молодой ученый был бесконечно рад тому, что признание его работ получено от одного из самых известных физиков того времени» [4, с. 21].
Многие исследователи биографии Эйнштейна отмечают вклад его жены Милевы в научную деятельность мужа.
В 1907 г. Эйнштейн продолжил работу над принципом эквивалентности энергии и в новой статье написал: «По отношению к энергии масса m эквивалентна энергии mc2. Этот результат имеет исключительное значение…» Затем он задался вопросом, каким образом можно экспериментально доказать эту формулу. Он был абсолютно уверен, что доказательства можно получить только при помощи экспериментов с радиоактивностью. Молодой ученый писал о том, что предполагает в будущем открытие процессов радиоактивного распада, при котором исходная масса атома, преобразованная в различные виды излучений, окажется значительно большей того, что известно об этом атоме. Это было гениальное предвидение. Реакция атомного распада, открытая через 30 лет, полностью подтвердила предположения Эйнштейна.
