Митио Каку

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

Переводчик Наталья Лисова

Научный редактор Владимир Сурдин, к. ф.-м. н.

Редактор Антон Никольский

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректоры Е. Аксёнова, М. Миловидова

Компьютерная верстка А. Фоминов

Дизайн обложки Ю. Буга

© Michio Kaku, 2004

First published as a Norton paperback 2005

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2016

Все права защищены. Произведение предназначено исключительно для частного использования. Никакая часть электронного экземпляра данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для публичного или коллективного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. За нарушение авторских прав законодательством предусмотрена выплата компенсации правообладателя в размере до 5 млн. рублей (ст. 49 ЗОАП), а также уголовная ответственность в виде лишения свободы на срок до 6 лет (ст. 146 УК РФ).

* * *

Эта книга посвящается Мишель и Элисон

Предисловие

Новый взгляд на наследие Альберта Эйнштейна

Гений. Рассеянный профессор. Отец теории относительности. Легендарная фигура Альберта Эйнштейна – с пышными белыми волосами, развевающимися на ветру, в туфлях на босу ногу, в просторном джемпере, попыхивающий трубкой, не замечающий ничего вокруг – навсегда отпечаталась в нашем сознании. «Поп-идол уровня Элвиса Пресли и Мэрилин Монро – загадочно смотрит на нас с открыток, журнальных обложек, футболок и огромных плакатов. Одно из агентств в Беверли-Хиллз предлагает его образ для использования в телевизионной рекламе. Ему все это очень бы не понравилось», – пишет биограф Эйнштейна Денис Брайан.

Эйнштейн принадлежит к числу величайших ученых всех времен, это грандиозная вершина, которую по вкладу в науку можно поставить в один ряд с Исааком Ньютоном. Неудивительно, что журнал Time именно его назвал Человеком столетия. Многие историки видят его среди ста самых влиятельных людей последней тысячи лет.

Учитывая место Эйнштейна в истории, можно назвать несколько причин для того, чтобы попытаться заново вспомнить и переосмыслить его жизнь. Во-первых, его теории столь глубоки и всеобъемлющи, что сделанные несколько десятилетий назад предсказания до сих пор будоражат общественность и мелькают в газетных заголовках, поэтому очень важно попытаться понять корни этих теорий. По мере того как новые поколения исследовательских инструментов, которые в 1920-е гг. даже представить себе было невозможно (среди них можно назвать, к примеру, спутники, лазеры, суперкомпьютеры, детекторы гравитационных волн), зондируют дальний космос и внутренний мир атома, предсказания Эйнштейна приносят Нобелевские премии другим ученым. Даже крошки с эйнштейнова стола открывают в науке новые горизонты. Так, Нобелевская премия 1993 г. досталась двум физикам, которые сумели косвенным образом, проанализировав движение двойной нейтронной звезды, подтвердить существование гравитационных волн, предсказанных Эйнштейном в 1916 г. Нобелевская премия 2001 г. была присуждена трем физикам, подтвердившим существование бозе-эйнштейновского конденсата – нового состояния вещества при температуре, близкой к абсолютному нулю; Эйнштейн предсказал его в 1924 г.

Сегодня подтверждаются и другие предсказания. Черные дыры, когда-то считавшиеся причудой теории Эйнштейна, обнаружены телескопом «Хаббл» и многоэлементным радиотелескопом VLA[1]. Кольца Эйнштейна и линзы Эйнштейна не только нашли практическое подтверждение, но и являются теперь основным инструментом астрономов при измерении невидимых объектов в дальнем космосе.

Даже «ошибки» Эйнштейна, по общему признанию, внесли большой вклад в наши знания о Вселенной. В 2001 г. астрономы получили убедительные доказательства того, что «космологическая константа», считавшаяся ранее величайшим просчетом Эйнштейна, в действительности олицетворяет максимальную концентрацию энергии во Вселенной и что именно она определит окончательную судьбу самой Вселенной. Таким образом, мы наблюдаем своеобразный ренессанс наследия Эйнштейна и накопление все большего числа доказательств, подтверждающих его предсказания.

Во-вторых, физики в настоящее время пересматривают наследие Эйнштейна и особенно стиль его мышления. Пока биографы в подробностях изучают его личную жизнь в поисках истоков блестящих теорий, физики все глубже осознают, что теории Эйнштейна основаны не столько на мудреной математике (и уж тем более не на его личной жизни!), сколько на простых и элегантных образах. Эйнштейн любил говорить, что новая теория, вероятно, никудышна, если не базируется на зримом образе, достаточно простом, чтобы понять его мог даже ребенок.

В этой книге такого рода картины – результат научного воображения Эйнштейна – становятся формальным организующим принципом, вокруг которого выстраиваются описания его мыслительного процесса и величайших достижений.

В первой части используется картина, которую Эйнштейн увидел в своем воображении, когда ему было 16 лет: как выглядел бы луч света, если бы можно было лететь рядом с ним. Эта картина, в свою очередь, возникла, вероятно, под влиянием детской книги, которую он прочел. Наглядно представив себе, что происходит, если лететь вместе с лучом света, Эйнштейн выделил ключевое противоречие между двумя основными физическими теориями того времени: законами Ньютона и электромагнитной теории Максвелла. В определенном смысле в этой картине заключена вся специальная теория относительности (которая со временем раскроет тайну звезд и ядерной энергии).

Во второй части мы увидим другую картину: Эйнштейн представил планеты в виде шариков, катающихся по искривленной поверхности с Солнцем в центре; это иллюстрация к мысли о том, что гравитация возникает в результате искривления пространства и времени. Заменив ровную поверхность и действующие в ней силы Ньютона искривленным пространством, Эйнштейн получил совершенно новую, революционную картину гравитации. В этих рамках ньютоновы «силы» были всего лишь иллюзией, вызванной искривлением самого пространства. Из этой простой картины со временем возникнут черные дыры, Большой взрыв и конечная судьба самой Вселенной.

В третьей части книги картинка отсутствует – эта часть в основном посвящена неудачной попытке предложить образ-основу для «единой теории поля» – той, что позволила бы Эйнштейну сформулировать итог двух тысяч лет исследования законов вещества и энергии. Здесь его интуиция начала спотыкаться, поскольку в то время о силах, управляющих ядром и элементарными частицами, почти ничего не было известно.

Незавершенную единую теорию поля и 30-летний поиск «теории всего» нельзя назвать неудачей, что признали лишь недавно. Современники же Эйнштейна видели в этих исследованиях «валяние дурака». Физик и биограф Эйнштейна Абрахам Пайс сетовал: «В последние 30 лет жизни он продолжал вести активную работу, но его слава не уменьшилась бы, а может, наоборот, выросла, если бы он вместо этого занялся рыбалкой». Иными словами, его наследие могло оказаться еще более величественным, если бы он оставил физику в 1925 г., а не в 1955-м.

Однако в последние годы с появлением новой теории, получившей название теории суперструн, или М-теории, ученые занялись переоценкой поздних трудов Эйнштейна и его наследия, поскольку на первое место в мире физики вышел поиск единой теории поля. «Теория всего» стала основной целью изысканий целого поколения молодых амбициозных ученых. Если раньше считалось, что обобщением могут заниматься только стареющие физики на излете карьеры, то сегодня это доминирующая тема теоретической физики.

В своей книге я надеюсь представить новый, свежий взгляд на новаторскую деятельность Эйнштейна и, возможно, более точное описание его непреходящего наследия при помощи простых физических образов. Его озарения, в свою очередь, дали энергию нынешнему поколению революционных экспериментов, которые проводятся в космосе и в передовых физических лабораториях; они дают толчок интенсивным исследованиям, направленным на исполнение его заветной мечты – создание теории всего. Мне кажется, что такой подход к его жизни и работе больше всего понравился бы самому Эйнштейну.

Благодарности

Я хотел бы поблагодарить за гостеприимство сотрудников библиотеки Принстонского университета, где проводились некоторые исследования для этой книги. В этой библиотеке доступны как оригинальные материалы, так и копии всех рукописей Эйнштейна. Я хотел бы поблагодарить также профессоров В. П. Нейра и Дэниела Гринберга из Городского колледжа Нью-Йорка за прочтение моей рукописи и конструктивные критические замечания. Кроме того, очень полезны были беседы с Фредом Джеромом, которому удалось получить из ФБР объемистое дело Эйнштейна. Я благодарен также Эдвину Барберу за поддержку и одобрение и Джесси Коэн за бесценные редакторские замечания и правку, которые заметно улучшили рукопись и помогли расставить акценты. Кроме того, я в глубоком долгу перед Стюартом Кричевски, представлявшему все эти годы многие из моих книг о науке.

Часть I

Картина первая

Верхом на луче

Глава 1

Физика до Эйнштейна

Однажды какой-то журналист попросил Альберта Эйнштейна – величайшего научного гения со времен Исаака Ньютона – раскрыть свою формулу успеха. Великий мыслитель секунду подумал и ответил: «Если A – это успех, то я бы сказал, что формула его вычисления A = X + Y + Z, где X – это работа, а Y – игра». «А что такое Z? – поинтересовался журналист. «Держать язык за зубами», – ответил Эйнштейн.

Физикам, королям и королевам, да и просто широкой публике очень нравились его человечность, великодушие и юмор, проявлявшиеся во всем, чем бы он ни занимался, – защищал ли дело мира или разгадывал тайны Вселенной.

Даже дети сбегались посмотреть, как великий физик разгуливает по улицам Принстона, а он в ответ шевелил ушами. Эйнштейн любил поболтать с одним пятилетним мальчиком, который часто сопровождал великого мыслителя до Института перспективных исследований. Однажды они неторопливо шли вдвоем, и вдруг Эйнштейн рассмеялся. Когда мать мальчика поинтересовалась, о чем они говорили, сын ответил: «Я спросил у Эйнштейна, ходил ли он сегодня в туалет». Мать была в ужасе, зато Эйнштейн ответил: «Приятно, когда хоть кто-то задает мне вопрос, на который я в состоянии ответить».

Физик Джереми Бернстайн как-то раз сказал: «Всякий, кто действительно общался с Эйнштейном, ощущал ошеломляющее благородство этого человека. Снова и снова звучит в описаниях слово “человечность”… простота и привлекательность его характера».

Эйнштейн, который всегда был одинаково вежлив с бродягами, детьми и членами царствующих фамилий, проявлял великодушие и к своим предшественникам по блистательному пантеону науки. Хотя ученые, как все творческие личности, могут быть ревнивы к соперникам и замечательно умеют разводить мелкие дрязги, Эйнштейн, напротив, всегда старался проследить возникновение идей, которые развивал, до самых истоков, до таких гигантов физики, как Исаак Ньютон и Джеймс Клерк Максвелл, портреты которых украшали его стол и стены. Более того, труды Ньютона по механике и гравитации и труды Максвелла по теории электромагнетизма в начале XX в. представляли собой два главных столпа физики. Замечательно, что достижения этих двух физиков на тот момент заключали в себе чуть ли не весь объем физического знания.

Трудно представить, что до Ньютона движение объектов на Земле и в небесах почти никак не объяснялось и многие верили, что судьба человека определяется злобными происками духов и демонов. Колдовство, чары и суеверия горячо обсуждались даже в самых ученых центрах Европы. Науки такой, какой мы ее знаем, еще не существовало.

Греческие философы и христианские теологи писали, что объекты движутся под влиянием желаний и эмоций, подобных человеческим. Для последователей Аристотеля объекты, находящиеся в движении, с течением времени замедлялись, потому что «уставали». Предметы падают на пол потому, что «жаждут» соединиться с землей, писали тогдашние ученые.

Человек, которому суждено было ввести порядок в этот хаотический мир духов, в определенном смысле был противоположностью Эйнштейна по темпераменту и характеру. Если Эйнштейн не жалел времени и всегда готов был дать краткий комментарий, чтобы порадовать прессу, то Ньютон был известен своей замкнутостью и склонностью к паранойе. Он был глубоко подозрителен к окружающим и постоянно конфликтовал с другими учеными по поводу научного приоритета. Его немногословность вошла в легенду: будучи в 1689–1690 гг. членом парламента Британии, он, судя по протоколам, произнес всего одну фразу: пожаловался на сквозняк и попросил пристава закрыть окно. По словам биографа Ричарда Уэстфолла, Ньютон был «раздражительным человеком, крайне невротической личностью и всегда, по крайней мере все свои зрелые годы, балансировал на грани нервного срыва».

Но в вопросах науки и Ньютон, и Эйнштейн были подлинными мастерами; их многое объединяло. Оба были готовы работать одержимо недели и месяцы напролет, ни на что не отвлекаясь, вплоть до физического истощения и обмороков. И оба умели выразить в простом рисунке тайны Вселенной.

В 1666 г., когда Ньютону было 23 года, он «изгнал демонов», населявших аристотелев мир, и ввел новую механику, основанную на силах. Ньютон сформулировал три закона движения, согласно которым тела (объекты) двигались потому, что их толкали или тянули силы, которые можно точно измерить и выразить простыми уравнениями. Вместо рассуждений о желаниях, которые заставляют тела двигаться, Ньютон готов был рассчитать траекторию любых тел – начиная от падающих листьев и заканчивая взлетающими ракетами, пушечными ядрами и облаками – путем сложения действующих на них сил. Вопрос, надо сказать, не был чисто академическим; подобные расчеты помогали закладывать фундамент промышленной революции, в ходе которой сила пара, двигавшая громадные локомотивы и суда, создала новые империи. Мосты, дамбы и высоченные небоскребы теперь можно было строить с полной уверенностью в их безопасности – ведь появился способ рассчитать напряжение в каждом кирпиче и каждой балке. Ньютонова теория сил оказалась настолько могучей и победоносной, что автора при жизни вознесли на пьедестал, и Александер Поп провозгласил:

Закон природы скрыт во тьме

Был много тысяч лет.

«Да будет Ньютон!» – Бог сказал.

И появился свет.

Ньютон приложил свою теорию сил к самой Вселенной – и предложил новую теорию гравитации. Он любил рассказывать о том, как вернулся в свое родовое имение Вулсторп в Линкольншире после эпидемии чумы, из-за которой был закрыт Кембриджский университет. Однажды, увидев у себя в имении, как с яблони падает яблоко, он задался судьбоносным вопросом: если яблоко падает, то что в таком случае делает Луна? Тоже падает? Может ли сила притяжения, действующая на яблоко на Земле, оказаться той же самой силой, которая управляет движением небесных тел? Вообще говоря, это была настоящая ересь, ведь традиционно считалось, что планеты закреплены на неподвижных сферах, а сферы эти подчиняются идеальным небесным законам, а не тем законам греха и воздаяния, по которым живет испорченное человечество.

В миг озарения Ньютон понял, что можно объединить земную и небесную физику в единую картину. Сила, притянувшая яблоко к земле, – это, должно быть, та самая сила, что притягивает Луну и управляет ее движением. Так Ньютон наткнулся на новое представление о гравитации. Он вообразил себя сидящим на вершине горы и бросающим камень. Ученый понял, что если бросать камень все сильнее и сильнее, то улетать он будет все дальше и дальше. Но затем его озарило: что произойдет, если бросить камень с такой силой, что он никогда не вернется? Ньютон понял, что камень, падая непрерывно под действием силы тяжести, не упадет на землю, но, обогнув ее по окружности, со временем вернется к хозяину и ударит его сзади по голове. В этой новой картине он заменил камень Луной – и получилось, что она постоянно падает, но никогда не достигает Земли, потому что, как брошенный камень, полностью огибает Землю по круговой орбите. Луна не возлежит недвижно на небесной сфере, как считала церковь, но, подобно камню или яблоку, находится вечно в свободном падении, ведомая силой тяготения. Так впервые было объяснено движение тел Солнечной системы.

Двумя десятилетиями позже, в 1682 г., весь Лондон в изумлении и ужасе наблюдал за яркой кометой, освещавшей ночное небо. Ньютон тщательно отследил ее движение при помощи телескопа-рефлектора (изобретенного им же) и обнаружил, что она движется в точном соответствии с его уравнениями, если считать, что комета находится в свободном падении под действием силы тяжести. Вместе с астрономом-любителем Эдмундом Галлеем он смог точно предсказать, когда эта комета (позже она была названа кометой Галлея) вновь вернется к Земле. Это было первое предсказание движения комет. Законы тяготения, опираясь на которые Ньютон рассчитал движение кометы Галлея и Луны, – это те же законы, при помощи которых NASA сегодня с невероятной точностью ведет свои межпланетные станции рядом с Ураном и Нептуном.

Согласно Ньютону, эти силы действуют мгновенно. Допустим, если бы Солнце внезапно исчезло, то, по мнению Ньютона, Земля в тот же миг сорвалась бы со своей орбиты, чтобы замерзнуть в дальнем космосе. Во всей Вселенной узнали бы об исчезновении Солнца в тот же самый миг. Следовательно, можно синхронизовать все часы во Вселенной, где бы они ни находились. Секунда на Земле по длительности в точности равна секунде на Марсе и Юпитере. Пространство так же абсолютно, как и время. Метровая линейка на Земле имеет ту же длину, что и метровая линейка на Марсе и Юпитере. Метровые линейки не меняют своей длины нигде во Вселенной. Таким образом, секунды и метры останутся теми же, где бы во Вселенной мы ни путешествовали.

Ньютон основывал свои идеи на здравом смысле и проистекающем из него представлении об абсолютном пространстве и абсолютном времени. Для Ньютона из пространства и времени складывалась абсолютная система отсчета, по которой мы можем судить о движении любых объектов. К примеру, если мы путешествуем на поезде, то верим, что поезд движется, а земля под ним неподвижна. Однако если посмотреть на деревья, проносящиеся за окнами вагона, то можно рассудить, что поезд, возможно, стоит на месте, а какая-то сила проносит деревья мимо наших окон. Поскольку все в поезде кажется неподвижным, мы можем задаться вопросом о том, что на самом деле движется – поезд или деревья? По мнению Ньютона, ответ можно было определить, основываясь на той самой абсолютной системе отсчета.

На протяжении почти 200 лет законы Ньютона служили фундаментом физики. Затем, ближе к концу XIX в., когда новые изобретения, такие как телеграф и электрическая лампочка, начали интенсивно менять жизнь в больших городах Европы, в физике благодаря исследованию электричества возникла совершенно новая теория. Пытаясь объяснить загадочные силы – электричество и магнетизм, – физик шотландец Джеймс Клерк Максвелл из Кембриджского университета разработал в 1860-е гг. теорию света, основанную не на ньютоновых силах, а на новой концепции так называемых полей. Эйнштейн писал, что идея поля – «самая глубокая и плодотворная концепция в физике со времен Ньютона».

Максвелловы поля можно визуализировать при помощи рассыпанных на листе бумаги железных опилок. Поднесите снизу к бумаге магнит, и опилки волшебным образом перестроятся, образовав узор, напоминающий паутину, где линии будут расходиться от северного полюса магнита и сходиться к южному. Мы увидим, что каждый магнит окружает магнитное поле – совокупность невидимых силовых линий, пронизывающих пространство и целиком его заполняющих.

Электричество тоже создает поле. На научных выставках дети хохочут, когда прикасаются рукой к источнику статического электричества, и волосы на их головах встают дыбом. При этом волосы выстраиваются по невидимым линиям электрического поля, исходящим из источника.

Эти поля, однако, сильно отличаются от сил или взаимодействий, открытых Ньютоном. Силы, утверждал Ньютон, действуют мгновенно по всему пространству, так что возмущение в одной части Вселенной мгновенно отразилось бы во всех ее уголках. Но одним из блестящих наблюдений Максвелла было то, что магнитное и электрическое действие переносится не мгновенно, как ньютоновы силы, а во времени и движется с определенной скоростью. Биограф Максвелла Мартин Гольдман пишет: «Мысль о времени магнитного действия… судя по всему, поразила Максвелла, как гром среди ясного неба». Максвелл показал, к примеру, что если кто-то встряхнет магнит, то близлежащим железным опилкам потребуется время, чтобы выстроиться по-новому.

Представьте себе паутину, колыхающуюся на ветру. Возмущение, как дуновение ветра на одну из частей паутины, вызывает рябь, которая затем распространяется по всей паутине. Поля и паутины, в отличие от сил, допускают колебания, путешествующие с определенной скоростью. Сделав это открытие, Максвелл решил вычислить скорость магнитного и электрического действия. Он использовал эту идею для разрешения загадки света, что стало одним из величайших научных прорывов XIX в.

Из предшествующих работ Майкла Фарадея и других ученых Максвелл знал, что движущееся магнитное поле может порождать электрическое поле и наоборот. Генераторы и двигатели, электрифицирующие наш мир, являются прямым следствием данной диалектики. (Этот принцип используется при освещении наших домов. Вода, падая с плотины, вращает колесо, которое, в свою очередь, вращает магнит. Движущееся магнитное поле приводит в движение электроны, которые затем по проводам попадают в розетки наших гостиных. Аналогично в электровентиляторе электричество, текущее из розетки, создает магнитное поле, которое заставляет вращаться лопасти электродвигателя.)

Гений Максвелла состоит в том, что он догадался соединить воедино оба эффекта. Если изменяющееся магнитное поле способно создавать электрическое поле и наоборот, то, может быть, оба эти поля способны образовать циклический процесс, в котором электрические и магнитные поля постоянно подпитывают друг друга и превращаются друг в друга. Максвелл быстро понял, что такой циклический рисунок породил бы движущуюся цепочку электрических и магнитных полей, колеблющихся в унисон и превращающихся одно в другое и обратно в бесконечной волне. Затем он вычислил скорость этой волны.

К собственному изумлению, он обнаружил, что эта скорость равна скорости света. Более того, Максвелл сделал самое революционное, возможно, заявление XIX в.: он объявил, что эта волна и есть свет. Максвелл пророчески заявил коллегам: «Мы едва ли можем избежать вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая суть причина электрических и магнитных явлений». Ученые, не одну тысячу лет пытавшиеся разгадать природу света, наконец проникли в глубочайшие его тайны. В отличие от ньютоновых сил, которые действуют мгновенно, эти поля распространяются с вполне определенной скоростью: скоростью света.

Изыскания Максвелла были сведены в восемь сложных дифференциальных уравнений в частных производных, известных как «уравнения Максвелла». Следующие полторы сотни лет каждому инженеру-электрику и каждому физику приходилось учить их наизусть. (Сегодня можно купить футболку, на которой эти восемь уравнений представлены во всей красе. Надпись на футболке начинается с утверждения «И сказал Бог…», а заканчивается фразой «…и стал свет».)

К концу XIX в. экспериментальные успехи последователей Ньютона и Максвелла были настолько велики и убедительны, что некоторые физики уверенно говорили, что эти два величественных столпа науки уже ответили на все основные вопросы Вселенной. Когда Макс Планк (основоположник квантовой теории) спросил у своего наставника, что тот думает по поводу профессии физика, ему посоветовали выбрать другое поле деятельности, потому что физика, по существу, уже закончена. Больше открывать уже нечего, сказали ему. Этим же мыслям вторил великий физик XIX в. лорд Кельвин, который объявил, что физика в основе своей уже завершена, осталось лишь несколько небольших «облачков» на горизонте, которые пока не удалось объяснить.

На самом же деле «изъяны» ньютонова мира с каждым годом становились все очевиднее. Получение радия Марией Кюри и открытие радиоактивности потрясали научный мир и распаляли воображение публики. Всего несколько десятков грамм этой редкой светящейся субстанции могли слегка осветить темную комнату. Кюри показала, что из неизвестного источника в глубинах атома может исходить неограниченное, судя по всему, количество энергии – в нарушение закона сохранения энергии, согласно которому энергия не может ни возникать, ни исчезать. Этим небольшим «облачкам» в самом скором времени суждено было породить великую двойную революцию XX в. – теорию относительности и квантовую теорию.

Больше всего, похоже, физиков раздражало то, что все попытки объединить ньютонову механику с теорией Максвелла терпели неудачу. Теория Максвелла подтвердила тот факт, что свет представляет собой волну, однако открытым оставался вопрос: что, собственно, колеблется? Ученые знали, что свет может путешествовать в вакууме (более того, проходит миллионы световых лет от далеких звезд сквозь вакуум открытого космоса), но поскольку вакуум – это, по определению, пустота, «ничто», то получалось, как ни парадоксально, что колеблется именно это самое ничто!

Для ответа на этот вопрос последователи Ньютона пытались постулировать, что свет состоит из волн, колеблющих невидимый эфир – неподвижный газ, целиком заполняющий Вселенную. Предполагалось, что эфир служит абсолютной системой отсчета, по которой можно измерять любые скорости. Скептик мог бы сказать, что поскольку Земля обращается вокруг Солнца, а Солнце – вокруг центра Галактики, то невозможно сказать, что из них движется на самом деле. Последователи Ньютона в ответ утверждали, что Солнечная система перемещается по отношению к неподвижному эфиру, так что можно точно определить, что здесь на самом деле движется.

Однако чем дальше, тем больше эфир обретал волшебные и странные свойства. Физикам известно, что волны в плотной среде перемещаются быстрее. Так, звук в воде распространяется быстрее, чем в воздухе. Однако из того, что свет движется с фантастической скоростью (300 000 км/с), следует, что эфир должен быть невероятно плотным, чтобы передавать свет. Но как такое может быть – ведь считается, что эфир легче воздуха? Со временем эфир превратился чуть ли не в волшебную субстанцию: он был абсолютно неподвижен, невесом, невидим, обладал нулевой вязкостью, но при этом был прочнее стали; кроме того, его невозможно было обнаружить ни одним инструментом.

К 1900 г. объяснять недостатки ньютоновой механики становилось все труднее и труднее. Мир науки был готов к революции, но кто должен был ее возглавить? Физики, хотя и видели прорехи в теории эфира, тем не менее смиренно пытались залатать их в рамках теории Ньютона. Эйнштейн, которому нечего было терять, сумел нанести удар в самое сердце проблемы: а что если силы Ньютона и поля Максвелла несовместимы? Один из столпов физики должен был пасть. Когда этот столп наконец рухнул, ему суждено было обрушить все здание физической науки, построенное за два столетия, и кардинально изменить наш взгляд на Вселенную и реальность. Эйнштейн низверг ньютонову физику при помощи картинки, понятной даже ребенку.

Глава 2

Ранние годы

Человек, которому суждено было навсегда изменить наши представления о Вселенной, родился 14 марта 1879 г. в небольшом городке Ульм в Германии. Эйнштейны – Герман и Паулина (урожденная Кох) – очень расстроились, увидев деформированную головку новорожденного сына, и молились, чтобы он не оказался умственно неполноценным.

Родители Эйнштейна были в меру религиозными евреями среднего класса, изо всех сил старавшиеся обеспечить свое растущее семейство. Паулина была дочерью относительно богатого человека: ее отец Юлиус Дерцбахер (изменивший свою фамилию на Кох) заработал состояние, оставив ремесло пекаря и занявшись торговлей зерном. В семье Эйнштейнов именно Паулина заботилась о культурном воспитании детей. Она настаивала, чтобы дети занимались музыкой, и с ее подачи юный Альберт на всю жизнь влюбился в скрипку. Деловая карьера Германа Эйнштейна, в противоположность карьере его тестя, оказалась далеко не блестящей. Первоначально он занимался перинами, но затем брат Якоб убедил обратить внимание на нарождающуюся электрохимическую промышленность. Изобретения Фарадея, Максвелла и Томаса Эдисона, которым удалось обуздать мощь электричества, уже освещали города по всему миру, и Герман решил, что производство динамо-машин и устройство электрического освещения – очень перспективный бизнес. Однако бизнес оказался не только перспективным, но и рискованным, поскольку сопровождался периодическими финансовыми кризисами и банкротствами; только за годы детства Эйнштейна семье пришлось несколько раз переезжать, в том числе в Мюнхен через год после рождения Альберта.

Юный Эйнштейн поздно научился говорить – так поздно, что родители уже опасались, что мальчик растет умственно отсталым. Тем не менее он заговорил, причем сразу полными предложениями, хотя и в 9 лет все еще говорил не слишком хорошо. Кроме Альберта в семье был еще один ребенок – его сестра Майя, на два года младше. (Поначалу маленький Альберт очень удивился появлению в доме нового живого существа. Одной из первых сказанных им фраз было: «А где же колесики?») Быть младшей сестрой Альберта было непросто, поскольку у мальчика появилась вредная привычка швырять в голову сестренки чем попало. Позже она жаловалась: «Чтобы быть сестрой мыслителя, нужно иметь крепкий череп».

Вопреки распространенному мифу, в школе Эйнштейн учился хорошо, но только по тем предметам, которые его интересовали, – математике и физике. Немецкая школьная система в те времена поощряла учеников, дававших короткие ответы на основе вызубренного материала – в противном случае грозило наказание в виде болезненных ударов по пальцам. Альберт же говорил медленно, неуверенно, тщательно подбирая слова. Будучи далеко не идеальным учеником, он страдал под тяжким гнетом авторитарной системы, которая подавляла воображение и творческие порывы, заменяя все отупляющей зубрежкой. Когда Эйнштейн-старший спросил у директора школы, какую профессию он посоветовал бы выбрать Альберту, тот ответил: «Не важно; он ни в чем не достигнет успеха».

Характер Эйнштейна определился рано. Он был мечтательным юношей, часто погружался в свои мысли или в чтение. Школьники часто дразнили его, называя «бидермейером», что примерно означает «не от мира сего». Один из друзей Альберта позже вспоминал: «Одноклассники считали Альберта чудаком, потому что он не проявлял никакого интереса к спорту. Учителя считали его туповатым из-за неумения заучивать наизусть и из-за странного поведения». В 10 лет Альберт поступил в гимназию Луитпольда в Мюнхене, где самым страшным испытанием для него стало изучение древнегреческого языка. На уроках греческого он обычно сидел на своем стуле и безмятежно улыбался, чтобы скрыть скуку. В какой-то момент учитель греческого Йозеф Дегенхарт откровенно сказал семикласснику Эйнштейну, что лучше бы его просто не было на уроке. Когда же Альберт возразил, что он не делает ничего дурного, учитель резко ответил: «Да, это правда. Но вы сидите там на последнем ряду и улыбаетесь, и это разрушает то чувство почтения, которое нужно учителю от класса».

Даже несколько десятилетий спустя Эйнштейн не мог без горечи вспоминать те времена; не давали покоя рубцы на душе, оставленные авторитарной системой: «Почти чудо, что современные методы обучения окончательно не удушили святую любознательность поиска; ибо это нежное растеньице требует наряду с поощрением прежде всего свободы».

Интерес к физике проснулся у Эйнштейна рано и начался со встречи с магнетизмом, который он называл своим «первым чудом». Отец подарил ему компас, и мальчик был бесконечно очарован тем, что какие-то невидимые силы могут заставить стрелку поворачиваться. Он вспоминал с большой теплотой: «Чудо подобной природы я пережил ребенком лет четырех или пяти, когда папа показал мне стрелку компаса… я до сих пор помню… насколько глубокое впечатление произвел на меня этот опыт. За этими вещами должно было стоять что-то глубоко скрытое».

Когда Альберту было лет примерно одиннадцать, он проявил себя с неожиданной стороны – стал истово религиозен. Какой-то дальний родственник приходил в дом Эйнштейнов, чтобы наставить Альберта в иудейской вере, и тот неожиданно включился в процесс с большим энтузиазмом, чуть ли не с фанатизмом. Он отказывался есть свинину и даже сложил несколько гимнов в честь Господа, которые распевал по дороге в школу. Однако период религиозного рвения долго не продлился. Чем глубже мальчик проникал в суть иудейского учения, тем лучше понимал, что миры науки и религии конфликтуют между собой, а многие чудеса, описанные в религиозных текстах, нарушают законы природы. «Читая популярные книги, я скоро пришел к убеждению, что многие истории Священного Писания не могут быть правдивыми», – делает он вывод.

Альберт отказался от религии так же резко и неожиданно, как пришел в нее. Тем не менее религиозная фаза развития глубоко повлияла на его позднейшие взгляды. Уходя из религии, Эйнштейн впервые отверг бездумную веру и бездумное приятие авторитета; впервые проявилась черта, которая на всю жизнь стала одной из определяющих. Никогда больше Эйнштейн не принимал беспрекословно мнение авторитетного человека как истину в последней инстанции. Придя к выводу о невозможности примирения с наукой религиозного учения, изложенного в Священном Писании, он также решил, что во Вселенной есть целые области, не постижимые современным знанием, и что человеку следует глубоко понимать ограниченность науки и человеческой мысли.

Однако детский интерес Эйнштейна к компасам, науке и религии вполне мог угаснуть, не найди юный Альберт заботливого наставника, готового оттачивать его идеи. В 1889 г. бедный польский студент-медик по имени Макс Талмуд, учившийся в Мюнхене, еженедельно обедал в доме Эйнштейнов. Именно Макс познакомил Альберта с чудесами науки, не связанными с сухой и скучной зубрежкой, принятой в школе. Много лет спустя Талмуд тепло писал: «За все эти годы я ни разу не видел его читающим что-нибудь легкое. Не видел я его также в компании одноклассников или просто ровесников. Единственным его развлечением была музыка, он тогда уже играл сонаты Моцарта и Бетховена под аккомпанемент матери». Макс подарил Эйнштейну книгу по геометрии, которую тот проглотил в один присест. Эту книгу Альберт называл своим «вторым чудом». Он писал: «В возрасте 12 лет я пережил второе чудо совершенно иной природы: оно заключалось в тоненькой книжице по евклидовой геометрии на плоскости». Он называл эту книгу «священным геометрическим писанием» и относился к ней как к новой Библии.

Здесь наконец Эйнштейн познакомился с царством чистой мысли. Без дорогостоящих лабораторий и оборудования он мог исследовать универсальную истину, ограниченную лишь мощью человеческого разума. Математика, как заметила сестра Альберта Майя, стала для него бесконечным источником радости, особенно если речь шла об интригующих головоломках и задачках. Он хвастался сестре, что нашел независимое доказательство теоремы Пифагора о прямоугольном треугольнике.

Знакомство Эйнштейна с математикой этим не ограничилось; со временем он самостоятельно освоил дифференциальное исчисление, чем очень удивил наставника. Талмуд признавал: «Очень скоро полет его математического гения стал столь высок, что я уже не мог за ним угнаться… Темой наших разговоров в основном стала философия. Я рекомендовал ему почитать Канта». Знакомство по совету Талмуда с миром Иммануила Канта и его «Критикой чистого разума» вскормило интерес молодого Эйнштейна к философии, не оставлявший его до конца жизни. Он начал размышлять над вечными вопросами, с которыми сталкиваются все философы, такими как происхождение этики, существование Бога и природа войн. Кант, в частности, придерживался неортодоксальных взглядов по этим вопросам и даже высказывал сомнения в существовании Бога. Он посмеивался над напыщенным миром классической философии, где «обычно много пустословия». (Или, как сказал однажды римский оратор Цицерон, «Не знаю ничего настолько абсурдного, что не было бы сказано кем-нибудь из философов»). Кант писал, что для прекращения войн необходимо мировое правительство – позиция, которой Эйнштейн придерживался до конца жизни. В какой-то момент Эйнштейн был так тронут рассуждениями Канта, что даже задумался о том, чтобы стать философом. Его отец, мечтавший о более практичной профессии для сына, назвал эту идею «философской чепухой».

К счастью, благодаря электрохимическому бизнесу отца вокруг фабрики громоздилось достаточно электрических генераторов, двигателей и всевозможных приспособлений, чтобы возбудить любопытство юноши и стимулировать его интерес к физике. (Герман Эйнштейн вместе с братом Яковом пытались в то время заключить контракт на реализацию амбициозного проекта – электрификацию центра Мюнхена. Герман мечтал работать на переднем рубеже этого исторического предприятия. Получение такого подряда означало бы финансовую стабильность и серьезное расширение электрической фабрики.)

Близость огромных хитроумных электромагнитных устройств, несомненно, способствовала интуитивному пониманию природы электричества и магнетизма. Она же, вероятно, обострила замечательную способность Альберта придумывать визуальные физические образы, описывающие законы природы с необычайной точностью. Если другие ученые нередко прятались за абстрактной невразумительной математикой, то Эйнштейн видел законы физики так же ясно, как простые графические картинки. Возможно, эта его способность восходит к тому счастливому времени, когда он мог просто смотреть на устройства, окружавшие отцовскую фабрику, и размышлять над законами электричества и магнетизма. Этой черте – умению видеть все в форме физических картинок – суждено было стать одной из главных особенностей Эйнштейна как физика.

Когда Альберту было 15 лет, его образование пришлось прервать из-за очередного финансового кризиса в семье. Герман всегда был излишне великодушен и помогал тем, кто испытывал финансовые затруднения; он не был расчетливым, как большинство успешных бизнесменов (Альберт позже унаследовал от него это великодушие). Компания, не получив вожделенного контракта на освещение Мюнхена, обанкротилась. Богатая семья Паулины, жившая на тот момент в Италии, в Генуе, предложила свою помощь и финансовую поддержку при организации новой фирмы, но при одном условии. Они настаивали, чтобы Герман перевез свою семью в Италию (отчасти для того, чтобы сдерживать его излишне великодушные порывы). В итоге семья Эйнштейнов переехала в Милан, поближе к новой фабрике в Павии. Не желая вносить в образование сына еще большую неразбериху, Герман оставил Альберта в Мюнхене у каких-то дальних родственников.

Оставшись один, Альберт почувствовал себя несчастным. Школа-пансион, которую он ненавидел, показалась ему ловушкой, а впереди маячила пугающая служба в прусской армии. Учителя его не любили, и чувство это встречало с его стороны полную взаимность. Судя по всему, он был близок к исключению из школы. Поддавшись импульсу, Эйнштейн решил уехать к родным. Он уговорил семейного врача написать ему медицинское заключение, чтобы его отпустили из школы. Доктор написал, что, если юноша не воссоединится с родными, у него может случиться нервный срыв. После этого Альберт самостоятельно отправился в Италию и через некоторое время появился, совершенно неожиданно, у дверей родительского дома.

Герман и Паулина не знали, что делать с сыном, – ведь он не окончил школу, уклонялся от призыва на военную службу и ничего не умел, не имел ни профессии, ни будущего. Юноша вел долгие споры с отцом, который хотел, чтобы он приобрел какую-нибудь практическую профессию; сам же Альберт говорил, что предпочитает стать философом. Со временем отец и сын пришли к компромиссу, и Альберт объявил, что будет учиться в Швейцарии, в знаменитой Высшей технической школе Цюриха, несмотря на то, что был на тот момент на два года младше большинства из тех, кто сдавал вступительные экзамены. Серьезным преимуществом такого варианта было то, что в Политехникуме не нужен был документ об окончании средней школы, достаточно было получить проходной балл на сложном вступительном испытании.

К несчастью, Эйнштейн завалил вступительный экзамен. Он не сдал французский язык, химию и биологию, но так хорошо показал себя в математике и физике, что произвел впечатление на директора Высшей технической школы Альбина Герцога, который пообещал принять его в школу в следующем году без повторной сдачи экзамена. Глава физического отделения Генрих Вебер даже предложил разрешить Эйнштейну во время пребывания в Цюрихе посещать занятия по физике. Пока же Герцог посоветовал юноше поступить в выпускной класс средней школы в Арау, всего в получасе езды от Цюриха. Там Альберт поселился в качестве квартиранта в доме директора школы Йоста Винтелера, что положило начало многолетней дружбе между семьей Эйнштейна и Винтелерами. (Мало того, позже Майя вышла замуж за сына Винтелера Пауля, а друг Эйнштейна Микеле Бессо женился на его старшей дочери Анне.)

Эйнштейну очень понравилась спокойная и либеральная атмосфера школы в Арау. Здесь он был относительно свободен от угнетающих, авторитарных правил немецкой школьной системы. Он наслаждался великодушием швейцарцев, ценивших в людях терпимость и независимость духа. Позже Эйнштейн с теплотой вспоминал: «Я обожаю швейцарцев, потому что, в общем и целом, они более человечны, чем другие народы, среди которых мне приходилось жить». Помня неприятные впечатления, полученные им за годы учебы в Германии, он даже решил отказаться от немецкого гражданства – удивительный шаг для молодого человека, по существу, подростка. В течение пяти лет Эйнштейн оставался человеком без гражданства (пока не стал наконец гражданином Швейцарии).

Альберт, расцветая в более свободной атмосфере, начал сбрасывать с себя образ застенчивого, нервного, замкнутого одиночки, чтобы стать компанейским человеком, с которым легко общаться и который без труда заводит друзей. Майя, в частности, начала замечать в старшем брате перемены по мере того, как из него формировался зрелый, независимый мыслитель. В течение всей жизни личность Эйнштейна прошла через несколько четко очерченных фаз, первой из которых была фаза книжности, замкнутости и интроверсии. В Италии – и особенно в Швейцарии – она начала переходить во вторую фазу: он стал дерзким, напористым, уверенным в себе представителем богемы с тысячей колкостей на языке. Его каламбуры вызывали общий хохот, а остроумные, порой грубоватые шутки заставляли приятелей покатываться со смеху, что ему страшно нравилось.

Кое-кто называл его «нахальным швабом». Один из товарищей Эйнштейна по учебе Ганс Биланд очень точно охарактеризовал его формирующуюся личность: «Всякий, кто приближался к нему, был пленен широтой его личности. Насмешливая складка вокруг пухлого рта с выступающей нижней губой не советовала обывателю конфликтовать с ним. Не связанный традиционными ограничениями, он встречал дух общества смехом, как подобает философу, и его остроумный сарказм безжалостно бичевал всякую искусственность и тщеславие».

По многим отзывам, этот «смеющийся философ» ко всему прочему приобретал все большую популярность у девушек. С одной стороны, он был остроумным любителем флирта, но с другой – девушки находили в нем сочувствие, ему всегда легко было довериться. Одна подружка просила у него совета в любовной ситуации, связанной с ее парнем. Другая – написать что-нибудь в ее дневнике, и он писал собственные нескладные вирши. Его игра на скрипке многим нравилась и делала Альберта желанным гостем на вечеринках. Письма того периода показывают, что он был весьма популярен у женских музыкальных групп, которым нужен был струнный инструмент в пару к пианино. «Многие женщины, и молодые, и в годах, были очарованы не только его игрой на скрипке, но и его внешностью, которая могла принадлежать скорее страстному виртуозу-латиноамериканцу, чем невозмутимому студенту-физику», – писал биограф Эйнштейна Альбрехт Фольсинг.

Одна из девушек пленила его. В 16 лет Эйнштейн страстно влюбился в Марию, одну из дочерей Йоста Винтелера, которая была на два года его старше. (Мало того, все заметные женщины в его жизни будут старше его; эту же тенденцию унаследуют оба его сына.) Мария – добрая, чувственная и талантливая девушка – мечтала стать учителем, как ее отец. Альберт и Мария подолгу гуляли вместе, ездили наблюдать за птицами (это было в семье Винтелер любимым увлечением). Они с Марией много музицировали – он играл на скрипке, она на пианино.

Альберт признался ей в истинной любви: «Милая моя возлюбленная… Мне пришлось сейчас, мой ангел, узнать до конца смысл ностальгии и тоски. Но любовь дает гораздо больше счастья, чем тоска – боли. Я только сейчас понимаю, насколько необходимым для счастья стало мне мое дорогое маленькое солнышко». Мария отвечала Альберту взаимностью; она даже написала матери Эйнштейна, которая ответила ей одобрительным письмом. И Винтелеры, и Эйнштейны едва ли не со дня на день ждали от влюбленных объявления о скорой свадьбе. Мария, однако, чувствовала себя неуверенно, когда ей приходилось говорить с возлюбленным о науке, и считала, что это может стать помехой в отношениях с таким увлеченным и сосредоточенным молодым человеком. Она понимала, что ей придется сражаться за Эйнштейна с его первой подлинной любовью – физикой.

А внимание Эйнштейна в это время было поглощено не только растущим чувством к Марии, но и загадками света и электричества. Летом 1895 г. он написал независимый очерк, посвященный свету и эфиру и озаглавленный «Исследование состояния эфира в магнитном поле»; Альберт отослал его своему любимому дядюшке Цезарю Коху в Бельгию. В короткой статье на пяти страничках – самой первой научной работе Эйнштейна – утверждалось, что загадочную силу, известную как магнетизм и очаровавшую его еще ребенком, можно рассматривать как некое возмущение эфира. Несколькими годами раньше Макс Талмуд познакомил Эйнштейна с «Популярными книгами по естественным наукам» Аарона Бернштейна. Этой книге суждено было оказать на Альберта ключевое влияние, поскольку автор включил в нее рассуждение о загадках электричества. Бернштейн предлагал читателю предпринять фантастическое путешествие по телеграфным проводам, пронесясь вместе с электрическим сигналом на фантастической скорости через всю страну.

В возрасте 16 лет у Эйнштейна родилась некая мысль или скорее зрительный образ. Результатом стало озарение, которое позже изменило ход человеческой истории. Вспомнив, быть может, фантастическое путешествие из книги Бернштейна, Эйнштейн вообразил себя летящим рядом с лучом света и задал себе судьбоносный вопрос: Как выглядел бы при этом луч света? У Эйнштейна, как и у Ньютона, который представлял себе бросание камня с такой силой, что тот принимался, подобно Луне, летать вокруг Земли, попытка вообразить луч света тоже привела к удивительным результатам.

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».

Но особое внимание Эйнштейна привлекала студентка из той же группы Милева Марич – девушка из Сербии. В те времена в университете трудно было встретить студента-физика с Балкан, тем более – женщину. Милева была потрясающей девушкой. Представьте: она самостоятельно приняла решение поехать в Швейцарию, потому что в этой стране – единственной из немецкоговорящих стран – женщин принимали в университеты. В Политехникуме она стала всего лишь пятой женщиной, изучающей физику. Эйнштейн встретил подходящую пару – даму, способную говорить на языке его первой любви. Он не смог перед ней устоять и быстро разорвал отношения с Марией Винтелер. Он мечтал, что они с Милевой станут профессорами физики и совместно сделают великое открытие. Очень скоро они влюбились друг в друга по уши. Разлучаясь на каникулы, писали длинные страстные любовные письма, называя друг друга всевозможными милыми и забавными прозвищами, такими как «Джонни» и «Долли». Эйнштейн адресовал своей возлюбленной стихи и взывал к ней: «Я могу поехать куда захочу – но я везде чужой, и мне не хватает двух твоих маленьких ручек и пылких уст, полных нежности и поцелуев». Эйнштейн и Милева Марич обменялись примерно 430 письмами, которые сохранил один из их сыновей. (По иронии судьбы, хотя семья Эйнштейнов жила едва ли не в бедности и едва сводила концы с концами, недавно некоторые из этих писем были проданы на аукционе за $400 000.)

Друзья Эйнштейна не могли понять, что он нашел в Милеве. Если сам Эйнштейн был общительным человеком и обладал превосходным чувством юмора, то Милева, четырьмя годами его старше, не могла похвастать такой жизнерадостностью. Она была замкнутой, часто бывала не в духе и никому не доверяла. Кроме того, она заметно хромала (у нее от рождения одна нога была короче другой), что еще сильнее отдаляло ее от окружающих. Друзья перешептывались у нее за спиной по поводу странного поведения ее сестры Зорки, которая вела себя не всегда адекватно и позже была помещена в клинику с диагнозом «шизофрения». К тому же, что самое важное, социальный статус Милевы вызывал серьезные сомнения. Если швейцарцы посматривали на евреев сверху вниз, то сами евреи, в свою очередь, сверху вниз смотрели на обитателей юга Европы, особенно выходцев из Балканских стран.

Милева не питала по поводу Эйнштейна никаких иллюзий. Его блестящий талант, как и непочтительное отношение к любым авторитетам, успели уже стать легендой. Она знала, что он отказался от немецкого гражданства и придерживался непопулярных взглядов по вопросам войны и мира. Она писала: «Язычок у моего милого весьма язвительный, к тому же он еще и еврей».

Растущая привязанность Эйнштейна к Милеве проложила трещину в его отношениях с родителями. Его мать, одобрительно смотревшая на отношения сына с Марией, сильно невзлюбила Милеву. Она была уверена, что девушка недостойна Альберта и наверняка погубит и его самого, и их репутацию. Попросту говоря, по мнению матери, она была слишком старой, слишком больной, слишком неженственной и… слишком сербкой. «Из-за этой мисс Марич я переживаю самые горькие часы в своей жизни, – признавалась она подруге. – Если бы это было в моих силах, я сделала бы все, чтобы удалить ее с нашего горизонта. Я ее по-настоящему не люблю. Но я потеряла всякое влияние на Альберта». Она предупреждала сына: «К тому времени, когда тебе будет 30, она превратится в старую ведьму».

Но Эйнштейн твердо решил встречаться с Милевой, даже если это грозило разладом их дружной семье. Однажды, приехав в гости к сыну, мать спросила у Эйнштейна: «Что же из нее получится?» – и, услышав в ответ «Моя жена», неожиданно бросилась на постель и горько разрыдалась. Она обвинила Эйнштейна в том, что он губит свое будущее ради женщины, «которая не может войти в приличную семью». В конце концов, столкнувшись с яростным неприятием со стороны родителей, Эйнштейн вынужден был отложить свои планы женитьбы на Милеве до окончания учебы и получения хорошо оплачиваемой работы.

В 1900 г., когда Эйнштейн окончил Политехникум с дипломом по физике и математике, удача от него отвернулась. Считалось, что он получит место ассистента. Это было нормальной ситуацией, особенно с учетом того, что все экзамены он сдал и курс окончил с хорошими результатами. Но поскольку профессор Вебер отозвал свое предложение о работе, Эйнштейну, единственному с его курса, отказали в должности ассистента – по существу, демонстративно дали пощечину. Нахальный студент внезапно обнаружил себя в весьма непростых обстоятельствах, особенно с учетом того, что ручеек материальной помощи от состоятельной тетки в Генуе пересох в связи с окончанием университета.

Эйнштейн, не подозревавший о глубине и силе антипатии Вебера, сослался на него как на рекомендателя, не догадываясь о том, что это может окончательно подорвать его будущее. Постепенно он, хотя и неохотно, начал понимать, что эта ошибка, вероятно, положила конец его карьере еще до ее начала. Он горько жаловался: «Я давно бы нашел [работу], если бы Вебер не вел со мной нечестную игру. Но я все равно делаю все возможное и не теряю чувство юмора… Бог создал осла и дал ему толстую шкуру».

Примерно тогда же Эйнштейн попросил о швейцарском гражданстве, но получить его было невозможно, пока он не мог доказать, что имеет работу. Его мир рушился. В голову уже приходили мысли о том, что он мог бы, как бродяга, играть на скрипке на улицах.

Его отец, поняв отчаянное положение сына, написал профессору Вильгельму Оствальду в Лейпциг, умоляя взять сына ассистентом. (Оствальд даже не ответил на это письмо. По иронии судьбы через 10 лет именно Оствальд первым выдвинул Эйнштейна на Нобелевскую премию по физике.) В те времена Эйнштейн часто жаловался на то, каким несправедливым стал вдруг мир: «Просто потому, что у каждого из нас есть желудок, мы все обречены на участие в этой гонке». Он грустно писал: «Родным я в тягость, и никак иначе… Было бы наверняка лучше, если бы меня вообще не было».

В довершение всех прочих неприятностей предприятие его отца снова обанкротилось. Более того, отец Эйнштейна растратил все наследство жены и залез в долги к ее семье. Альберт остался без всякой финансовой поддержки, ему ничего не оставалось, кроме как искать место учителя, хотя бы самое скромное. В отчаянии он начал просматривать газеты в поисках любых намеков на хоть сколько-нибудь подходящую работу. В какой-то момент Эйнштейн почти отказался от надежды стать когда-нибудь физиком и всерьез задумался о работе в страховой компании.

В 1901 г. он устроился преподавателем математики в Винтертурскую техническую школу. В промежутках между изматывающими занятиями Альберт умудрился выкроить немного времени и написать свою первую статью «Следствия теории капиллярности», которая, как Эйнштейн понимал и сам, не потрясла основы мироздания. На следующий год он устроился на временную работу тьютором в школу-пансионат в Шафхаузене. Верный себе, Альберт не смог найти общий язык с авторитарным директором школы Якобом Нюшем и в конце концов был уволен. (Директор был так разъярен, что обвинил Эйнштейна в подстрекательстве к революции.)

Эйнштейн начинал думать, что всю оставшуюся жизнь ему придется влачить жалкое существование, наставляя нерадивых школьников и просматривая объявления в газетах. Его друг Фридрих Адлер вспоминал, что в то время Альберт жил практически впроголодь. Он потерпел полный крах. Тем не менее отказывался выпрашивать подачки у родных. И в это же время на Эйнштейна обрушились еще две проблемы. Милева во второй раз завалила выпускные экзамены в Политехникуме. Это означало, что ее карьера как физика, по существу, закончилась не начавшись. С такими удручающими результатами никто и никогда не принял бы ее на следующую ступень обучения. Испытав болезненное разочарование, она потеряла интерес к физике. Романтическим мечтам молодых людей о совместном исследовании Вселенной пришел конец. А затем, в ноябре 1901 г., когда Милева была уже дома, Альберт получил от нее письмо с известием о том, что она беременна!

Несмотря на полное отсутствие перспектив, Эйнштейн был счастлив узнать, что скоро станет отцом. Разлука с Милевой была мучительна, но они неистово, почти ежедневно, обменивались письмами. 4 февраля 1902 г. он узнал, что стал отцом девочки, которая родилась в доме родителей Милевы в Нови-Саде и получила имя Лизерль. Эйнштейн был в восторге и хотел знать о малышке все. Он даже умолял Милеву прислать ему фотографию или портрет девочки. Удивительно, но никто точно не знает, что произошло с этим ребенком. Последний раз она упоминается в письме за сентябрь 1903 г., где говорилось, что она больна скарлатиной. Историки считают, что девочка, скорее всего, умерла от этой болезни или, может быть, немного позже была отдана в приемную семью.

И тут, когда уже казалось, что удача окончательно отвернулась от Эйнштейна, он получил неожиданную весточку. Добрый друг Марсель Гроссман сумел выхлопотать для него место мелкого служащего в Бернском патентном бюро. Начав с этой скромной должности, Эйнштейну суждено было изменить мир. (Пытаясь поддержать гаснущие надежды на карьеру физика и профессорство когда-нибудь в будущем, он тогда же уговорил профессора Альфреда Кляйнера из Цюрихского университета стать его консультантом в работе над диссертацией.)

23 июня 1902 г. Эйнштейн начал работать в патентном бюро техническим экспертом третьего класса с весьма скромным жалованьем. Сегодня, задним числом, можно отметить, что в этой работе было по крайней мере три скрытых преимущества. Во-первых, он должен был находить базовые физические принципы, на которых основывалось то или иное изобретение. Днем он оттачивал свои и без того мощные навыки физика, учился отбрасывать все ненужные подробности и выделять в каждом патенте главное, а затем писать по этому поводу отчет. Его отчеты были настолько длинными и содержали такой подробный анализ, что он писал друзьям, что зарабатывает себе на жизнь, «писая чернилами». Во-вторых, во многих заявках речь шла об изобретении всевозможных электромеханических устройств, так что ему очень пригодился старый опыт созерцания внутреннего устройства и работы генераторов и электрических моторов, приобретенный на фабрике отца. И наконец, работа освободила его от тревог и посторонних мыслей и дала время для размышлений над глубокими проблемами света и движения. Часто ему удавалось быстро выполнить свои обязанности, и тогда в свободное время он вновь предавался мечтам, которые преследовали его в юности. В процессе работы, и особенно по ночам, он возвращался к любимой физике. Спокойная атмосфера патентного бюро подходила Эйнштейну, он называл его своим «светским монастырем».

Едва успев освоиться в патентном бюро, Эйнштейн внезапно узнал, что его отец умирает от сердечной болезни. В октябре ему пришлось срочно ехать в Милан. На смертном одре Герман наконец благословил Альберта на брак с Милевой. Смерть отца заставила молодого человека с новой силой почувствовать, как он подвел и разочаровал отца и семью. Это чувство останется с ним навсегда. Его секретарь Хелен Дукас писала: «Много лет спустя он все еще живо помнил то оглушительное ощущение потери. В самом деле, однажды он написал, что смерть отца стала для него самым большим потрясением, какой ему приходилось испытывать в жизни». Майя, в частности, горько замечала, что «печальная судьба не позволила [ее отцу] даже заподозрить, что через два года его сын заложит фундамент своего будущего величия и славы».

В январе 1903 г. Эйнштейн счел наконец свое положение достаточно надежным, чтобы жениться на Милеве. Через год у них родился сын Ганс. Для Эйнштейна началась скромная жизнь ничем не примечательного мелкого чиновника в Берне, мужа и отца. Его друг Давид Райхинштейн живо вспоминал встречу с Эйнштейном в этот период: «Дверь в квартиру была распахнута, чтобы только что вымытый пол и выстиранное белье, развешанное в коридоре, лучше сохли. Я вошел в комнату Эйнштейна. Одной рукой он стоически качал колыбель с ребенком. Во рту у него была плохая, очень плохая сигара, а в другой руке – раскрытая книга. Печь жутко дымила».

Пытаясь подработать, Эйнштейн разместил в местной газете объявление с предложением «частных уроков по математике и физике». Это первое известное упоминание Эйнштейна в какой бы то ни было газете. Первым на объявление откликнулся студент-философ Морис Соловин, румынский еврей. К своей радости, Эйнштейн очень быстро обнаружил, что Соловин – прекрасный собеседник для обсуждения многочисленных идей, имеющих отношение к пространству, времени и свету. Чтобы не дать себе замкнуться и отгородиться от основных физических течений, Эйнштейн придумал остроумный ход: собрать неформальную группу, которую сам он насмешливо называл «Олимпийской академией» для изучения и обсуждения крупнейших вопросов дня.

Задним числом можно сказать, что время, проведенное с этой «академической» группой, было, вероятно, самым счастливым в жизни Эйнштейна. Даже несколько десятилетий спустя воспоминания о ярких и дерзких идеях, которые они выдвигали, жадно поглощая все крупные научные работы того времени, вызывали на его глазах слезы. Их ожесточенные дебаты и споры до хрипоты наполняли кофейни и пивные старого Цюриха. Они готовы были поклясться, что слова Эпикура «Как прекрасна радостная бедность!» относятся непосредственно к ним.

В частности, они бились над противоречивой работой венского физика и философа Эрнста Маха, который был тогда своего рода оводом от науки и нападал на любого физика, говорившего о вещах, недоступных нашим ощущениям. Мах изложил свои теории в книге «Механика»[2], которая приобрела большую популярность. Он поставил под сомнение концепцию атома, поскольку считал, что она выходит далеко за пределы сферы измерений. Но сильнее всего внимание Эйнштейна привлекла уничтожающая критика Маха в адрес эфира и абсолютного движения. По мнению Маха, внушительное строение ньютоновой механики зиждилось на песке, поскольку концепции абсолютного пространства и абсолютного времени неизмеримы и недоказуемы. Мах считал, что относительное движение может быть измерено, а абсолютное – нет. Никому и никогда не удавалось отыскать ту самую мистическую абсолютную шкалу, по которой можно определять движение планет и звезд; кроме того, никому и никогда не удавалось найти ни малейших экспериментальных доказательств существования эфира.

Одну серию экспериментов, указавших на фатальную слабость ньютоновой картины мира, провели в 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли, решившие измерить с максимально возможной точностью свойства пресловутого невидимого эфира. Они рассуждали так: Земля движется в море эфира, обдуваемая «эфирным ветром», поэтому скорость света, по идее, должна меняться в зависимости от направления движения Земли.

Представьте себе, к примеру, ситуацию, когда ветер попутный. Если вы движетесь в том же направлении, в каком дует ветер, то вы чувствуете, как ветер подталкивает вас сзади. С попутным ветром вы движетесь быстрее – ваша скорость возрастает на скорость ветра. Если вы движетесь навстречу ветру, ваше движение замедляется, скорость снижается на скорость ветра. Аналогично если вы движетесь поперек ветра, под прямым углом к нему, то вас сносит в сторону со скоростью ветра. Главное, что ваша скорость изменяется в зависимости от того, в каком направлении вы движетесь по отношению к ветру.

Майкельсон и Морли разработали хитроумный эксперимент: луч света расщеплялся на два отдельных луча, которые затем направлялись в разные стороны под прямым углом друг к другу. Зеркала отражали оба эти луча и направляли их обратно к источнику, где они вновь смешивались и интерферировали между собой. Весь аппарат был помещен на подушку из жидкой ртути и мог свободно вращаться; он был настолько чувствителен, что легко регистрировал движение проезжающих мимо конных экипажей.

Согласно теории эфира, два луча в описанной ситуации должны были бы двигаться с разными скоростями. Если один из них, к примеру, двигался в направлении, попутном движению Земли в эфирном океане, то другой – под прямым углом к эфирному ветру. Тогда после возвращения к источнику лучи должны были различаться по фазе[3].

Однако Майкельсон и Морли, к собственному изумлению, обнаружили, что скорость света оставалась идентичной во всех случаях, вне зависимости от того, в каком направлении они направляли интерферометр. Такой результат сильно их встревожил, поскольку означал, что никакого эфирного ветра не существует, а скорость света никогда не меняется.

Это поставило физиков перед выбором из двух равно неприятных вариантов. Один состоял в том, что Земля совершенно неподвижна относительно эфира. Этот вариант, казалось, нарушал все, что было известно из астрономии начиная с Коперника, который обнаружил, что Земля не занимает во Вселенной никакого особого положения. Второй вариант состоял в том, чтобы отказаться от теории эфира и ньютоновой механики вместе с ней.

Для спасения теории эфира были предприняты героические усилия. Ближе всего к решению этой головоломки подошли голландский физик Хендрик Лоренц и ирландский физик Джордж Фицджеральд. Они рассуждали так: Земля в своем движении в эфире физически сжимается эфирным ветром, так что все линейки и измерители в эксперименте Майкельсона – Морли также были сжаты. Эфир, уже и без того обладавший чуть ли не волшебными свойствами – невидимостью, несжимаемостью, необычайной плотностью и т. д., обрел еще одно: проходя сквозь атомы, он мог механически сжимать их. Это удобно объяснило бы отрицательный результат эксперимента. В такой картине скорость света менялась на самом деле, но измерить это было невозможно, потому что всякий раз, когда вы пытались воспользоваться для этого линейкой, под воздействием эфира менялась не только скорость света, но и длина линейки, причем в том же направлении и в точно такой же степени.

Лоренц и Фицджеральд независимо друг от друга вычислили степень сжатия, получив то, что сегодня называется «сокращением Лоренца – Фицджеральда». Ни тому, ни другому результат этот не особенно понравился; это была просто «заплатка», способ заделать дыру в ньютоновой механике, но сверх этого они ничего не могли сделать. Большинству физиков, надо отметить, сжатие Лоренца – Фицджеральда тоже не понравилось, поскольку имело отчетливый привкус ad hoc, то есть решением, специально подобранным для конкретного случая и призванным укрепить шатающийся бастион эфирной теории. Эйнштейну же идея эфира с его почти волшебными свойствами казалась искусственной и надуманной.

Когда-то Коперник разрушил геоцентрическую Солнечную систему Птолемея, которая требовала, чтобы движение планет представляло собой чрезвычайно сложную комбинацию круговых движений одновременно по малой – «эпициклу» и большой – «деференту» окружностям. Воспользовавшись бритвой Оккама, Коперник срезал верхушки эпициклов, нужных для латания дыр в системе Птолемея, и поместил Солнце в центр Солнечной системы.

Подобно Копернику, Эйнштейн применил бритву Оккама, чтобы срезать и удалить многочисленные претензии эфирной теории. Он воспользовался детским рисунком.

Глава 3

Специальная теория относительности и «год чудес»

Заинтригованный критикой Маха теории Ньютона, Эйнштейн вернулся к образу, который преследовал его с 16 лет, – к полету рядом со световым лучом. Он вспомнил забавный, но важный факт, который открыл для себя во время учебы в Политехникуме: в теории Максвелла скорость света оставалась неизменной и не зависела от того, как ее измеряли. Много лет он ломал голову над тем, как такое вообще может быть, поскольку в ньютоновом «мире здравого смысла» любой движущийся объект можно догнать.

Опять представьте себе полицейского в погоне за автомобилем-нарушителем. Полицейский знает, что если поедет достаточно быстро, то сможет его догнать. Всякий, кого хоть раз штрафовали за превышение скорости, это знает. Но, если мы заменим несущийся автомобиль световым лучом и поместим рядом наблюдателя, который будет видеть всю картину со стороны, тот увидит, что полицейский едет чуть позади светового луча и движется почти так же быстро, как свет. Мы уверены: полицейский знает, что едет практически вровень со световым лучом. Однако позже, встретившись с ним, мы слышим странный рассказ. Он утверждает, что не двигался почти рядом с лучом, как мы только что видели; световой луч, по его словам, унесся прочь и оставил его глотать пыль. Полицейский рассказывает, что, как бы он ни газовал и какую бы мощность ни выжимал из своего движка, луч удалялся от него и уносился прочь со все той же, совершенно одинаковой скоростью. Мало того, он клянется, что не мог даже чуть-чуть приблизиться к световому лучу. Как бы быстро он ни двигался, световой луч все равно уходил от него со скоростью света, как будто сам он стоял на месте, а не несся в полицейском автомобиле на громадной скорости.

Вы начинаете убеждать его в том, что видели, как он летел почти вровень со световым лучом и лишь чуть-чуть его не догнал; он говорит, что вы сошли с ума: ему не удалось даже приблизиться. Для Эйнштейна именно этот момент представлял главную, мучительную загадку: как так может быть, чтобы два человека видели одно и то же событие настолько по-разному? Если скорость света и правда представляет собой природную константу, то как может наблюдатель утверждать, что полицейский шел почти вровень с лучом света, а сам полицейский – клясться, что не сумел даже приблизиться к нему?

Эйнштейн давно понял, что картина по Ньютону (где скорости можно складывать и вычитать) и картина по Максвеллу (где скорость света постоянна) полностью противоречат одна другой. Теория Ньютона – самодостаточная система, основанная на нескольких допущениях. Если хотя бы одно из этих допущений нарушается, вся теория расползается, как может распуститься свитер от одной упущенной нити. Фантазии Эйнштейна о полете вместе с лучом света суждено было стать для ньютоновой теории именно такой упущенной нитью.

Однажды в мае 1905 г. Эйнштейн отправился к своему доброму другу Микеле Бессо, который тоже работал в патентном бюро, и изложил ему в общих чертах вопрос, мучивший его чуть ли не десять лет. Используя Бессо как любимого собеседника для проверки своих идей, Эйнштейн изложил суть дела: механика Ньютона и уравнения Максвелла – два столпа физики – несовместимы между собой. Неверно либо одно, либо другое. Какая бы теория ни оказалась верной, для окончательного разрешения вопроса потребуется полная реорганизация всей физики. Эйнштейн вновь и вновь разбирал парадокс погони за световым лучом. Позже он вспоминал: «В этом парадоксе уже присутствовал зародыш специальной теории относительности». Друзья проговорили несколько часов, подробно обсуждая каждый аспект проблемы, включая и ньютонову концепцию абсолютного пространства и времени, которая на первый взгляд противоречила неизменности скорости света по Максвеллу. В конце концов Эйнштейн, совершенно измотанный, объявил, что признает свое поражение и сдается и что больше не будет размышлять над этим вопросом. Все бесполезно; у него ничего не получилось.

Эйнштейн, конечно, был подавлен, но, когда он в тот вечер возвращался домой, мысли его по-прежнему вращались вокруг все того же вопроса. В частности, он запомнил, как ехал в автобусе по Берну и смотрел на знаменитую башню с часами, возвышающуюся над городом. Он представил себе, что произойдет, если вдруг автобус разгонится до скорости света и начнет уноситься прочь от башни. Тут он понял, что часы на башне показались бы ему остановившимися, поскольку свет от них не смог бы догнать автобус, но что его собственные часы в автобусе шли бы совершенно нормально.

Его внезапно осенило, появился ключ к решению всего парадокса. «В голове разразилась настоящая буря», – вспоминал Эйнштейн. Ответ оказался простым и элегантным: время в разных точках Вселенной может идти с разной скоростью в зависимости от того, как быстро вы движетесь. Представьте себе множество часов, разбросанных по всей Вселенной, причем каждые часы показывают свое время и идут с собственной скоростью. Секунда на Земле отличается по длительности от секунды на Луне или на Юпитере. Более того, чем быстрее вы движетесь, тем сильнее замедляется время. (Эйнштейн однажды пошутил, что, размышляя над теорией относительности, он поместил отдельные часы в разные точки Вселенной и все они шли с разной скоростью, а в реальной жизни у него не было денег даже на одни часы.) Это означало, что события, происходящие в одной системе отсчета, не обязательно происходили одновременно и в другой, как считал Ньютон. Наконец-то он сумел проникнуть «в мысли Бога». Позже он вспоминал с неизменным возбуждением: «Решение пришло ко мне внезапно с мыслью о том, что наши концепции и законы пространства и времени могут претендовать на верность в той мере, в какой они состоят в ясных отношениях с нашим опытом… Пересмотрев концепцию одновременности и преобразовав ее в более гибкую форму, я добрался таким образом до теории относительности».

Вспомните, как в парадоксе с полицией и нарушителем полицейский для внешнего наблюдателя двигался вплотную за удирающим световым лучом, тогда как преследователь утверждал, что, как бы он ни разгонялся, луч уносился от него в точности со скоростью света. Единственный способ примирить эти две картины – заставить мозг полицейского замедлить работу. Время для полицейского замедляется. Если бы мы с обочины могли видеть, что показывают часы на руке полицейского, то увидели бы, что они почти остановились и что лицо его тоже застыло во времени. Таким образом, с нашей точки зрения было бы видно, что он несется «голова к голове» с лучом света, но его часы (и его мозг) почти остановились. Позже, поговорив с полицейским, мы выяснили, что, с его точки зрения, луч света стремительно уносился прочь только потому, что его мозг и часы работали во время погони намного медленнее.

Для завершения своей теории Эйнштейн включил в нее и сокращение Лоренца – Фицджеральда, но сжимались при этом само пространство, а не атомы, как думали Лоренц и Фицджеральд. (Суммарный эффект сжатия пространства и растяжения времени в настоящее время называется «преобразованием Лоренца».) Таким образом ему удалось окончательно разделаться с эфирной теорией. Подводя итоги своего пути к теории относительности, Эйнштейн напишет: «Максвеллу я обязан больше, чем кому-либо другому». Хотя Эйнштейн, вероятно, слышал что-то об эксперименте Майкельсона – Морли, озарение по поводу теории относительности пришло не со стороны эфирного ветра, а непосредственно от уравнений Максвелла[4].

На следующий день после откровения Эйнштейн вновь отправился к Бессо домой и, даже не поздоровавшись, выпалил: «Спасибо, я полностью решил ту задачку». Позже он с гордостью вспоминал: «Моим решением был анализ концепции времени. Время не может быть определено абсолютно, и существует неразрывная связь между временем и скоростью сигнала». Следующие шесть недель он яростно прорабатывал все математические детали своего блестящего озарения и писал статью, которая, несомненно, представляет собой одну из важнейших научных работ в истории человечества. По словам сына, после этого Эйнштейн отдал работу Милеве для проверки и поиска всевозможных математических неточностей – и свалился на две недели больным. Окончательный вариант статьи «К электродинамике движущихся тел»[5] представлял собой тридцать одну страницу не слишком разборчивого текста, но этим страницам суждено было изменить мировую историю.

В статье Эйнштейн не ссылается ни на какого из физиков; он только благодарит Микеле Бессо. (Эйнштейн был знаком с ранней работой Лоренца по этому предмету, но ничего не знал непосредственно о сокращении Лоренца, к которому пришел независимо от него.) В конце концов статья была опубликована в 17-м томе «Анналов физики» в сентябре 1905 г. Более того, в том знаменитом томе (то есть в комплекте выпусков журнала за год) были опубликованы одна за другой три выдающихся статьи Эйнштейна. Его коллега Макс Борн писал, что том 17 представляет собой «один из самых замечательных томов среди всей научной литературы. Он содержит три статьи Эйнштейна, каждая из которых посвящена отдельному вопросу и признана сегодня шедевром». (Несколько экземпляров этого знаменитого тома в 1994 г. были проданы с аукциона за $15 000.)

С захватывающим дух размахом Эйнштейн начал свою статью с заявления о том, что его теории не только описывают свойства света, но раскрывают истины о самой Вселенной. Замечательно, что он сделал все выводы из двух простых постулатов, относящихся к инерциальным системам отсчета (то есть к объектам, движущимся с постоянной скоростью относительно друг друга):

1. Законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

2. Скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета.

Эти два обманчиво простых принципа знаменуют глубочайшее проникновение в природу Вселенной со времен Ньютона. Из них можно вывести совершенно новую картину пространства и времени.

Одним мастерским ударом Эйнштейн элегантно доказал, что если скорость света действительно является физической константой, то самым общим решением является преобразование Лоренца. Затем он показал, что уравнения Максвелла в самом деле удовлетворяют этому принципу и, наконец, что скорости складываются довольно необычным образом. Хотя Ньютон, наблюдая за движением парусных судов, сделал вывод о том, что скорости можно складывать без ограничений, Эйнштейн заключил, что скорость света – это максимально возможная во Вселенной скорость. Представьте на мгновение, что вы находитесь в ракете, несущейся прочь от Земли со скоростью, равной 90 % скорости света. А теперь выстрелите внутри ракеты пулей, скорость которой тоже составляет 90 % скорости света. Согласно физике Ньютона, пуля должна лететь относительно Земли со скоростью, равной 180 % скорости света, то есть намного обгонять свет. Но Эйнштейн показал, что, поскольку длины всех объектов в ракете уменьшаются, а время замедляется, сумма этих скоростей для внешнего наблюдателя на самом деле будет близка к 99 % скорости света. Более того, Эйнштейн сумел показать, что, как бы вы ни старались, вам никогда и ни при каких обстоятельствах не удастся разогнаться до скорости, превышающей скорость света. Скорость света – абсолютный предел скорости во Вселенной.

Мы никогда не видели этих странных искажений в собственной жизни, потому что мы не умеем передвигаться со скоростями, близкими к скорости света. Для привычных нам скоростей законы Ньютона прекрасно работают. В этом и состоит главная причина того, что первую поправку к законам Ньютона нашли только через пару сотен лет. Но представьте, как обернулось бы дело, если бы скорость света равнялась всего лишь 30 км/ч. Тогда машина, ехавшая по улице, казалась бы сплюснутой в направлении движения; она была бы сжата, как меха аккордеона, и была бы в длину, возможно, всего пару сантиметров, хотя по высоте оставалась бы прежней. Поскольку пассажиры при этом были бы сплюснуты вместе с машиной до толщины в пару сантиметров, можно было бы ожидать, что они будут вопить и визжать, чувствуя, как дробятся кости. На самом же деле пассажиры при этом не замечают ничего необычного, поскольку все внутри автомобиля, включая и атомы в человеческих телах, тоже сжимается в этой плоскости.

При торможении и остановке автомобиля он медленно расширился бы обратно от пары сантиметров до нескольких метров, и пассажиры вышли бы наружу как ни в чем ни бывало. Кто на самом деле был сжат? Вы или автомобиль? Согласно теории относительности, определить это невозможно, потому что концепция длины не имеет абсолютного смысла.

Задним числом понятно, что другие ученые подходили к открытию теории относительности невероятно близко. Лоренц и Фицджеральд получили ту же формулу, но совершенно неверно интерпретировали результат; они решили, что происходит электромеханическая деформация атомов, а не тонкое изменение самого пространства и времени. Анри Пуанкаре, признанный величайшим французским математиком своего времени, тоже приблизился к открытию. Он понял, что скорость света должна быть константой во всех инерциальных системах, и даже показал, что уравнения Максвелла сохраняют форму при преобразовании Лоренца. Однако он тоже не смог отказаться от ньютоновского подхода, от эфира, и считал, что все эти искажения связаны исключительно с электричеством и магнетизмом.

Эйнштейн же пошел дальше и совершил следующий судьбоносный прыжок. В конце 1905 г. он написал небольшую, почти тезисную статью, которой суждено было изменить мировую историю. Если линейки и показания часов искажаются тем сильнее, чем быстрее вы движетесь, то все, что можно измерить при помощи линейки и часов, тоже должно искажаться, включая вещество и энергию. Более того, вещество и энергия могут превращаться друг в друга. Эйнштейн сумел показать, что масса объекта увеличивается тем сильнее, чем быстрее он движется. (Мало того, его масса станет бесконечной, если он разгонится до скорости света – что невозможно и доказывает недостижимость скорости света.) Это означает, что энергия движения каким-то образом трансформируется в увеличение массы объекта[6]. Таким образом, вещество и энергия взаимозаменяемы. Если расписать математически, сколько энергии переходит в массу, то в несколько простых строк можно получить, что E = mc2. Это самое знаменитое уравнение в истории. Поскольку скорость света – фантастически большое число, а его квадрат еще больше, получается, что даже из крохотного количества вещества может высвободиться громадное количество энергии. Так, в нескольких чайных ложечках вещества содержится энергия нескольких водородных бомб. А объема вещества размером с дом может оказаться достаточно, чтобы расколоть Землю пополам.

Формула Эйнштейна была не просто академическим упражнением. Он считал, что с ее помощью можно объяснить занятный факт, обнаруженный Марией Кюри: то, что всего 28 г радия излучают 4000 калории в час в течение неопределенно долгого времени, нарушая, казалось бы, первый закон термодинамики, который гласит, что полное количество энергии всегда постоянно, то есть сохраняется. Эйнштейн заключил, что масса радия по мере излучения энергии должна чуть-чуть уменьшаться (настолько чуть-чуть, что измерить это уменьшение средствами 1905 г. было невозможно). «Это удивительная и соблазнительная мысль; но не смеется ли над ней Всевышний и не мистифицирует ли меня – этого я не могу знать», – писал он. В конце следовал вывод о том, что непосредственная проверка его гипотезы «пока, вероятно, лежит за пределами возможного».

Но почему раньше никто не задумывался о таких запасах энергии? Эйнштейн сравнил это с ситуацией, когда сказочно богатый человек держит свое добро в секрете и никогда не тратит из него ни единого цента.

Банеш Хоффман, бывший студент, писал: «Представьте себе дерзость такого шага… Любой комок земли, любое перо, любая пылинка становится чудесным резервуаром неосвоенной энергии. В то время не было никакого способа это проверить. Тем не менее, представляя в 1907 г. свое уравнение, Эйнштейн говорил о нем как о важнейшем следствии теории относительности. Его необычайная способность видеть далеко вперед подтверждается тем фактом, что это уравнение было проверено… только через 25 лет».

Принцип относительности заставил кардинально пересмотреть классическую физику. Прежде физики верили в сохранение энергии, в первый закон термодинамики, согласно которому энергия не появляется и не исчезает. Теперь же они рассматривали как постоянную величину суммарное количество вещества и энергии.

В том же году беспокойный ум Эйнштейна разобрался еще с одной проблемой – проблемой фотоэлектрического эффекта. Еще в 1887 г. Генрих Герц заметил, что луч света, падая на металл, при определенных обстоятельствах вызывает слабый электрический ток. Здесь работает тот самый принцип, на котором основана значительная часть современной электроники. Солнечные батареи преобразуют обычный солнечный свет в электрическую энергию, которой питаются, к примеру, наши калькуляторы. Телекамеры воспринимают световые лучи от объекта и превращают их в электрические токи, которые в конечном итоге образуют телевизионную картинку на экране.

Однако в начале XX в. все это было полной загадкой. Луч света каким-то образом вышибал электроны из металла, но как он это делал? Ньютон в свое время считал, что свет состоит из крохотных частиц, которые он называл «корпускулами», но теперь физики убедились в том, что свет – это волна и, согласно классической волновой теории, его энергия не зависит от его частоты. К примеру, хотя частоты красного и зеленого света различны, сами лучи должны, по идее, обладать одинаковой энергией, а следовательно, когда они падают на металл, энергия выбиваемых электронов тоже должна быть одинаковой. Аналогично классическая волновая теория утверждала, что если увеличить интенсивность света, просто добавив ламп, то энергия этих электронов должна возрасти. Работа Филиппа Ленарда, однако, продемонстрировала, что энергия выбиваемых из металла электронов строго зависит от частоты или цвета светового луча, а не от его интенсивности, что противоречило утверждениям волновой теории.

Эйнштейн попытался объяснить фотоэлектронный эффект при помощи новой «квантовой теории», которую в 1900 г. предложил в Берлине Макс Планк. Надо отметить, Планк предпринял едва ли не самый радикальный отход от классической физики; он предположил, что энергия – не непрерывная величина, подобная жидкости; она существует в виде определенных дискретных пакетов, называемых «квантами». Энергия каждого кванта пропорциональна частоте света, а коэффициент пропорциональности представляет собой новую физическую константу, известную сегодня как «постоянная Планка». Одна из причин того, что мир атома и кванта такой причудливый, заключается в том, что постоянная Планка – очень маленькое число. Эйнштейн рассуждал, что если энергия существует в виде дискретных пакетов, то и свет может оказаться квантованным. (Пакет, или «квант света» по Эйнштейну, позже, в 1926 г., химик Гильберт Льюис окрестил «фотоном», или частицей света.) Эйнштейн рассуждал, что если энергия фотона пропорциональна соответствующей частоте света, то энергия выбитого из металла электрона тоже должна быть пропорциональна этой частоте, в противоположность классической физике. (Забавно отметить, что в популярном телесериале «Звездный путь» экипаж «Энтерпрайза» выпускает во врага «фотонные торпеды». В реальности простейшим пусковым устройством для фотонных торпед является обычный фонарик.)

Предложенная Эйнштейном новая картина – квантовая теория света позволяла делать прямые предсказания, которые можно было проверить экспериментально. Увеличивая частоту светового луча, можно было, если верить этой теории, измерить плавный рост генерируемого в металле напряжения. Эта историческая статья (которая со временем удостоится Нобелевской премии по физике) была опубликована 9 июня 1905 г. под заголовком «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». Выход этой статьи означал «рождение фотона», а также квантовой теории света.

Еще в одной статье, написанной все в том же 1905 «чудесном году», Эйнштейн разобрал проблему атома. Хотя атомная теория показывала замечательные результаты в определении свойств газов и химических реакций, прямых доказательств существования атомов по-прежнему не было, на что любили указывать Мах и другие критики. Эйнштейн рассудил, что существование атомов, возможно, удастся доказать, понаблюдав их действие на крохотные частицы в жидкости. Понятие «броуновское движение», к примеру, относится к небольшим случайным перемещениям маленьких частиц, взвешенных в жидкости. Это явление было открыто в 1828 г. ботаником Робертом Броуном, который, наблюдая пыльцу под микроскопом, заметил, что мельчайшие зерна пыльцы совершают странные хаотичные движения. Поначалу он решил, что эти зигзагообразные движения аналогичны движению мужских половых клеток – сперматозоидов, но затем обнаружил, что такие же странные дерганые движения можно наблюдать во взвеси крохотных зерен стекла или гранита.

Некоторые ученые предполагали, что броуновское движение, возможно, вызывается случайными столкновениями молекул, но никто не мог сформулировать разумную теорию этого явления. Однако Эйнштейн сделал следующий шаг, который оказался решающим. Он рассудил, что, хотя атомы слишком малы, чтобы их можно было видеть, их размер и поведение можно оценить исходя из суммарного воздействия на более крупные объекты. Если всерьез поверить в атомную теорию и разумно применить ее, то можно, анализируя броуновское движение, рассчитать физические размеры атомов. Предполагая, что случайные движения частички пыли в воде вызваны случайными ударами триллионов и триллионов молекул воды, он сумел вычислить размер и вес атомов, получив таким образом экспериментальное доказательство существования атомов.

Это было по меньшей мере поразительно! При помощи простого микроскопа Эйнштейн сумел вычислить, что в одном грамме водорода содержится 3,03 × 1023 атомов, что достаточно близко к реальной величине. Статья называлась «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» (18 июля 1905 г.). В этой несложной статье, по существу, было дано первое экспериментальное доказательство существования атомов. (По иронии судьбы всего через год после того, как Эйнштейн вычислил размер атомов, физик Людвиг Больцман покончил с собой, отчасти из-за постоянных насмешек, которым он подвергался за развитие атомной теории.)

После написания этих трех исторических статей Эйнштейн передал одну из своих более ранних работ (о размере молекул) своему консультанту профессору Альфреду Кляйнеру в качестве диссертации. В тот вечер они прилично выпили вместе с Милевой.

Поначалу диссертация Эйнштейна была отвергнута. Однако 15 января 1906 г. Цюрихский университет присвоил-таки Эйнштейну степень доктора философии. Теперь он мог называть себя «д-р Эйнштейн». Рождение новой физики произошло в жилище Эйнштейнов по адресу Берн, улица Крамгассе, 49. («Дом Эйнштейна» можно увидеть там и сегодня. Можно заглянуть в красивое эркерное окно, выходящее на улицу, и прочесть надпись на табличке, в которой говорится, что за этим окном была создана теория относительности. На другой стене можно увидеть изображение атомной бомбы.)

Таким образом, 1905 г. стал в истории науки настоящим annus mirabilis[7]. Если мы попытаемся отыскать еще один чудесный год, сравнимый с этим, нам придется вернуться в 1666 г., когда 23-летний Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, предложил интегральное и дифференциальное исчисление, формулу бинома и теорию цвета.

Эйнштейн за 1905 г. успел изложить фотонную теорию, дать доказательство существования атомов и обрушить основы ньютоновой физики. Каждое из этих достижений было достойно международного признания. Однако, к разочарованию автора, все это было встречено оглушительным молчанием. Казалось, его работу попросту никто не заметил. Обескураженный Эйнштейн продолжал жить своей жизнью, растить ребенка и спокойно работать в патентном бюро. Может быть, мысль об открытии новых миров в физике – всего лишь несбыточная мечта.

В начале 1906 г., однако, внимание Эйнштейна привлек первый проблеск реакции. Он получил одно-единственное письмо, но пришло оно от самого, может быть, значительного физика того времени Макса Планка, мгновенно разглядевшего радикальные следствия работ Эйнштейна. В теории относительности Планка привлекло то, что некая величина – скорость света – возводилась в ранг фундаментальной физической константы. Постоянная Планка, к примеру, отделяла мир классической физики от субатомного квантового мира. Мы, люди, защищены от странных свойств атомов благодаря тому, что постоянная Планка очень мала. Планк почувствовал, что Эйнштейн тоже сделал из скорости света новую физическую константу. Получалось, что мы защищены от не менее причудливого мира космической физики громадностью этой константы.

По мнению Планка, эти две константы – постоянная Планка и скорость света – обозначили границы территории, на которой действовали «здравый смысл» и ньютонова физика. Мы не в состоянии увидеть таинственную и непонятную по природе своей физическую реальность из-за того, что постоянная Планка так мала, а скорость света так огромна. Если теория относительности и квантовая теория противоречили здравому смыслу, то только потому, что мы проживаем всю свою жизнь в крохотном уголке Вселенной – в защищенном мире, где скорости малы по сравнению со скоростью света, а объекты настолько велики, что мы никогда не сталкиваемся с постоянной Планка. Природе, однако, нет дела до нашего здравого смысла, она создала Вселенную на основе элементарных частиц, которые постоянно летают со скоростями, близкими к скорости света, и подчиняются формуле Планка.

Летом 1906 г. Планк поручил своему помощнику Максу фон Лауэ посетить скромного государственного служащего, который вынырнул, казалось, ниоткуда, чтобы бросить вызов наследию Исаака Ньютона. Они должны были встретиться в приемной патентного бюро, но, как ни смешно, не обратили друг на друга внимания, потому что фон Лауэ ожидал увидеть перед собой внушительного авторитетного мужчину. Когда же Эйнштейн наконец представился, фон Лауэ был удивлен: перед ним стоял совершенно другой, удивительно молодой и небрежно одетый чиновник. Они подружились на всю жизнь. (Однако фон Лауэ разбирался в сигарах. Когда Эйнштейн предложил ему сигару, фон Лауэ постарался незаметно выбросить ее в реку Ааре, когда тот отвернулся; в этот момент молодые люди, беседуя, шли по мосту.)

Получив благословение Макса Планка, работа Эйнштейна начала постепенно привлекать внимание и других физиков. По иронии судьбы особенно сильно работой бывшего студента заинтересовался один из старых профессоров Эйнштейна из Политехникума, называвший его в свое время за пропуски лекций «ленивой собакой». Математик Герман Минковский тоже взялся за дело и доработал уравнения относительности, пытаясь переформулировать наблюдение Эйнштейна о том, что по мере разгона время превращается в пространство, и наоборот. Минковский перевел все это на язык математики и пришел к выводу, что пространство и время образуют некую четырехмерную сущность. Внезапно все вокруг заговорили о четвертом измерении.

На карте для определения положения точки необходимы две координаты (широта и долгота). Если добавить третье измерение – высоту, можно определить положение в пространстве любого объекта, хоть кончика собственного носа, хоть конца Вселенной. Таким образом, видимый мир вокруг нас трехмерен. Некоторые писатели, такие как Герберт Уэллс, и раньше в своих книгах рассматривали время как четвертое измерение; в этом случае любое событие можно определить тремя координатами и моментом времени, в который это событие произошло. Например, если вы хотите встретиться с кем-то в Нью-Йорке, можно сказать: «Встречаемся в доме на углу 42-й улицы и Пятой авеню, на двенадцатом этаже, в полдень». Четыре числа точно определяют любое событие. Но четвертое измерение Уэллса было всего лишь идеей без всякого математического или физического содержания.

Минковский переписал уравнения Эйнштейна таким образом, чтобы раскрыть эту красивую четырехмерную структуру, навсегда увязав пространство и время в единую четырехмерную ткань. Минковский писал: «Теперь и навсегда пространство и время растворились до состояния легчайших теней, и только их союз сохранит хоть какую-то реальность».

Поначалу Эйнштейн не был особенно впечатлен этим результатом. Более того, он саркастически написал: «Главное – содержание, а не математика. Математикой можно доказать что угодно». Эйнштейн считал, что в основе теории относительности лежат базовые физические принципы, а не красивая, но бессмысленная четырехмерная математика, которую он именовал «лишней эрудицией». Для него главным было получить ясную и простую картинку (вспомните поезда, падающие лифты, ракеты), а математика приходила позже. В то время он считал, что математика – всего лишь бухгалтерия, необходимая для фиксирования происходящего на картинке.

Эйнштейн писал полушутя: «С тех пор как на теорию относительности набросились математики, я сам перестал ее понимать». Со временем, однако, он в полной мере оценил мощь работы Минковского и ее глубокие философские следствия. Минковский, по существу, показал возможность объединения двух на первый взгляд разных концепций при помощи симметрии. Пространство и время теперь следовало рассматривать как различные состояния одного и того же объекта. Аналогично энергию и вещество, а также электричество и магнетизм можно было связать через четвертое измерение. Объединение через симметрию стало одним из ведущих принципов Эйнштейна на всю оставшуюся жизнь.

Представьте себе снежинку. Если повернуть ее на 60°, форма снежинки останется прежней. Математики говорят, что объекты, сохраняющие форму при вращении, «ковариантны». Минковский показал, что уравнения Эйнштейна, подобно снежинке, остаются ковариантными при повороте пространства и времени как четырехмерных объектов.

Иными словами, рождался новый физический принцип, который дополнительно прояснял работу Эйнштейна: уравнения физики должны быть ковариантны относительно преобразований Лоренца (то есть сохранять свою форму при преобразованиях Лоренца). Эйнштейн позже признает, что без четырехмерной математики Минковского теория относительности «могла надолго остаться в пеленках». Замечательно, кстати, что новая четырехмерная физика позволяла ученым сжать все уравнения теории относительности до удивительно компактной формы. Каждый студент-электротехник или физик, впервые столкнувшийся с серией Максвелла в виде восьми дифференциальных уравнений в частных производных, уверен в их невероятной сложности. А новая математика Минковского сжала уравнения Максвелла и сократила их число до всего лишь двух. (Более того, при помощи четырехмерной математики можно доказать, что уравнения Максвелла представляют собой простейшие уравнения, описывающие свет.) Впервые физики смогли оценить мощь симметрии в своих уравнениях. Ученые, говоря о «красоте и элегантности» в физике, очень часто имеют в виду, что симметрия позволяет объединить большое количество различных явлений и концепций в единую, замечательно компактную форму. Чем красивее уравнение, тем большей симметрией оно обладает и тем большее число явлений может описать в кратчайшей форме.

Таким образом, сила симметрии позволяет нам объединить разрозненные события в гармоничное неделимое целое. Поворот снежинки, к примеру, позволяет увидеть единство всех ее точек. Поворот в четырехмерном пространстве объединяет концепции пространства и времени, превращает одно в другое по мере увеличения скорости. Красивая, элегантная концепция, согласно которой симметрия объединяет несопоставимые, казалось бы, сущности в гармоничное целое, вела Эйнштейна вперед следующие 50 лет.

Парадоксально, но Эйнштейн, завершив создание специальной теории относительности, начал терять к ней интерес; он предпочитал размышлять о другом, более глубоком вопросе – о проблеме гравитации и ускорения, выходивших на первый взгляд за пределы специальной теории относительности. Эйнштейн дал жизнь теории относительности, но, как любящий родитель, сразу же заметил в ней потенциальные недостатки и попытался их исправить. (Об этом мы подробнее поговорим позже.)

Тем временем начали появляться экспериментальные доказательства некоторых его идей, что, естественно, сделало автора более заметным членом физического сообщества. Эксперимент Майкельсона – Морли был не единожды повторен, каждый раз выдавая один и тот же отрицательный результат и бросая таким образом тень сомнения на всю эфирную теорию. Эксперименты по фотоэффекту подтвердили уравнения Эйнштейна. Более того, в 1908 г. эксперименты с высокоскоростными электронами подтвердили вроде бы, что масса электрона увеличивается с ростом скорости. Вдохновленный постепенно скапливавшимися экспериментальными результатами в пользу его теорий, Эйнштейн подал документы на должность лектора (приват-доцента) в соседнем Бернском университете. Приват-доцент – должность ниже профессорской, но у нее было преимущество: можно было параллельно продолжать работу в патентном бюро. Помимо печатных работ, Эйнштейн представил и свою диссертацию по теории относительности. Поначалу глава кафедры Айме Фостер ответил ему отказом, заявив, что теория относительности невразумительна, однако вторая попытка Эйнштейна увенчалась успехом.

В 1908 г., когда доказательства того, что Эйнштейн совершил крупный прорыв в физике, появлялись одно за другим, его кандидатура всерьез рассматривалась в качестве претендента на куда более престижный пост в Цюрихском университете. Однако тут Эйнштейн столкнулся с серьезной конкуренцией со стороны старого знакомого Фридриха Адлера. Оба претендента на этот пост были евреями, что работало против них, но Адлер был сыном основателя Австрийской социал-демократической партии, которой симпатизировали многие члены факультета, и было похоже, что Эйнштейна в этой гонке обойдут. Поэтому заявление самого Адлера, который решительно высказался в пользу Эйнштейна, вызвало общее удивление. Адлер хорошо разбирался в людях и верно оценил масштаб личности Эйнштейна. Он красноречиво описал выдающиеся качества Эйнштейна как физика, но отметил: «Еще студентом он вызывал презрительное отношение профессоров… Он не понимает, как находить общий язык с важными людьми». Благодаря необычайному самопожертвованию Адлера Эйнштейн получил место в университете и начал свое стремительное восхождение по академической лестнице. Он вернулся в Цюрих, но уже не безработным физиком, неудачником и «белой вороной», а профессором. Сняв в Цюрихе квартиру, он с радостью узнал, что Адлер живет в этом же доме этажом ниже; они стали хорошими друзьями.

В 1909 г. Эйнштейн прочел свою первую лекцию на своей первой крупной конференции по физике в Зальцбурге, где присутствовали многие знаменитости, включая и Макса Планка. В докладе «Развитие наших взглядов на природу и состав излучения» он убедительно представил миру формулу E = mc2. Эйнштейн, привыкший экономить на завтраках, изумлялся роскоши, царившей на той конференции. Он вспоминал: «Празднества завершились в отеле “Националь” самым роскошным банкетом, какой мне приходилось видеть в жизни. Это заставило меня сказать женевскому аристократу, сидевшему рядом со мной: “Знаете, что сделал бы Кальвин, окажись он здесь?.. Он воздвиг бы громадный столб и сжег бы всех нас за грешную расточительность”. Тот человек больше не сказал мне ни слова».

В докладе Эйнштейна впервые в истории была ясно и четко представлена слушателям концепция дуализма в физике – концепция, согласно которой свет может обладать одновременно свойствами и волны, как полагал Максвелл в предыдущем веке, и частицы, как полагал Ньютон. Частицей или волной увидит свет наблюдатель, зависит от эксперимента. В низкоэнергетических экспериментах, где длина волны света велика, полезнее волновая картина. Для высокоэнергетического луча, где длина волны света чрезвычайно мала, лучше подходит картина частицы. Позже выяснилось, что эта концепция (которую несколько десятилетий спустя припишут датскому физику Нильсу Бору) отражает фундаментальную природу вещества и энергии и дает богатейший материал для исследований в квантовой теории.

Став профессором, Эйнштейн остался человеком богемы. Один из студентов живо вспоминал его первую лекцию в Цюрихском университете: «Он появился в аудитории одетым довольно бедно, в слишком коротких брюках и с листочком бумаги размером с визитную карточку, на котором он набросал свои заметки к лекции».

В 1910 г. у Эйнштейна родился второй сын Эдуард. Эйнштейн, никогда не любивший подолгу сидеть на одном месте, уже занимался поисками новой работы, в частности потому, что некоторые профессора хотели удалить его из университета. В следующем году ему предложили должность с более высоким жалованьем в Немецком университете Пражского института теоретической физики. По иронии судьбы его кабинет там располагался рядом с лечебницей для душевнобольных. Размышляя над загадками физики, он нередко задумывался и над тем, кто на самом деле здоров – так называемые нормальные люди или обитатели лечебницы.

Тот же 1911 г. был ознаменован первым Сольвеевским конгрессом в Брюсселе, организованным на деньги богатого бельгийского промышленника Эрнеста Сольве, который хотел представить миру работы ведущих ученых. Эта конференция стала важнейшим научным событием своего времени и дала Эйнштейну шанс встретиться и обменяться идеями с гигантами физики. Он увиделся с Марией Кюри, дважды лауреатом Нобелевской премии, и завязал с ней добрые отношения на всю жизнь. В центре внимания ученых на конференции были теория относительности и фотонная теория Эйнштейна. Темой конференции была «Теория излучения и кванты».

Одним из вопросов, живо обсуждавшихся на конгрессе, был знаменитый «парадокс близнецов». Эйнштейн и прежде упоминал о странных парадоксах, связанных с замедлением времени. О парадоксе близнецов первым заговорил физик Поль Ланжевен; он предложил простой мысленный эксперимент, призванный прояснить некоторые кажущиеся противоречия теории относительности. (В то время газеты были полны сенсационными историями про Ланжевена, который был несчастливо женат, и про его скандальный роман с овдовевшей Марией Кюри.) Ланжевен рассматривал двух близнецов, живущих на Земле. Один из близнецов перемещается некоторое время со скоростью, близкой к скорости света, а затем возвращается на Землю. На Земле, допустим, прошло 50 лет, но близнец в ракете за счет замедления времени постарел всего на 10 лет. Когда близнецы наконец встречаются, они оказываются разного возраста – тот из них, кто летал в ракете, на 40 лет моложе своего брата.

А теперь посмотрите на ситуацию с точки зрения того близнеца, который летал в ракете. Он может сказать, что сам он находился в покое, а прочь уносилась Земля, так что часы должны были замедлиться у земного близнеца. В этом случае при будущей встрече моложе окажется земной, а не ракетный близнец. Но, поскольку движение относительно, какой же из близнецов на самом деле окажется моложе? Поскольку на первый взгляд две ситуации представляются симметричными, эта задачка и сегодня остается болезненной занозой для любого студента, который пытается разобраться с теорией относительности.

Для разрешения этой загадки, как указал Эйнштейн, надо учесть тот факт, что ускоряется близнец в ракете, а не на Земле. Ракете придется замедлиться, остановиться, а затем двинуться в обратную сторону, что, очевидно, создаст серьезный стресс для близнеца в ракете. Иными словами, ситуации не симметричны, потому что ускорения, не подпадающие под постулаты, на которых основана теория относительности, переживает только один близнец – тот, который в ракете; он и будет на самом деле моложе.

Однако ситуация становится сложнее и непонятнее, если улетевший на ракете близнец не возвращается. В этом сценарии каждый из близнецов видит в телескоп, как другой замедляется во времени. Здесь ситуации полностью симметричны, и каждый близнец убежден, что для другого время идет медленнее и что именно другой близнец остается моложе. Точно так же каждый из близнецов убежден, что второй сжат в направлении движения. Но в итоге-то – кто из близнецов моложе и тоньше? Какой бы парадоксальной ни казалась эта ситуация, в теории относительности действительно возможно существование двух близнецов, каждый из которых моложе и тоньше другого. Простейший способ определить во всех этих парадоксах, кто из них на самом деле тоньше или моложе, состоит в том, чтобы свести близнецов вместе. Для этого потребуется сдернуть одного из близнецов с пути и доставить ко второму; при этом, строго говоря, и определится, который из близнецов двигался «на самом деле».

Хотя эти головоломные парадоксы удалось косвенным образом разрешить в пользу Эйнштейна, на атомном уровне при изучении космических лучей и в экспериментах на ускорителях ядерных частиц, этот эффект настолько слаб, что непосредственно увидеть его в лаборатории удалось только в 1971 г., когда самолеты с атомными часами долго летали на больших скоростях. Атомные часы способны измерять временны́е интервалы с астрономической точностью, поэтому ученые, сравнивая показания двух часов, могли убедиться в том, что чем быстрее движутся часы, тем медленнее для них идет время, в точности как предсказал Эйнштейн.

В другом парадоксе фигурируют два объекта, каждый из которых короче другого[8]. Представьте себе охотника, который пытается поймать трехметрового тигра в клетку длиной не более полуметра. В обычных условиях это невозможно. А теперь представьте, что тигр движется так быстро, что сжимается до полуметра, так что, если опустить на него клетку, он окажется внутри. Естественно, после этого тигр резко затормозится – и удлинится. Если клетка сделана из сетки, тигр, увеличиваясь, ее разорвет. Если клетка сделана из бетона, то бедный тигр будет раздавлен.

А теперь взгляните на ситуацию с точки зрения тигра. Если тигр неподвижен, то клетка находится в движении и сжата до трех сантиметров. Как в такую маленькую клетку можно поймать трехметрового тигра? Ответ в том, что клетка, опускаясь, сжимается в направлении движения и становится параллелограммом, перекошенным квадратом. Таким образом, два конца клетки необязательно попадают в тигра одновременно. То, что одновременно для охотника, не является одновременным для тигра. Если клетка сетчатая, то передняя ее часть опустится на нос тигра первой и начнет рваться. По мере дальнейшего падения клетка будет рваться дальше вдоль тела тигра, пока задний ее конец не опустится зверю на хвост. Если клетка бетонная, то первым будет раздавлен нос тигра, а затем, по мере опускания клетки, все остальное последовательно до самого хвоста.

Эти парадоксы захватили воображение не только ученых, но и широкой публики. В юмористическом журнале Punch даже появился следующий шуточный лимерик:

Юная леди по имени Кэт

Двигалась много быстрее, чем свет.

Но попадала всегда не туда:

Быстро помчишься – придешь во вчера[9].

(Перевод А. И. Базя)

В это время друг Эйнштейна Марсель Гроссман, который был на тот момент профессором в Политехникуме, поинтересовался у Эйнштейна, не хочет ли тот поработать в своей alma mater в качестве ординарного профессора. Рекомендательные письма характеризовали Эйнштейна в самых лучших выражениях. Мария Кюри, например, писала, что «специалисты по математической физике единодушно оценивают его работу как первоклассную».

В результате через шестнадцать месяцев после переселения в Прагу Эйнштейн вновь вернулся в Цюрих и старый Политехникум. Возвращение в Политехникум (который с 1911 г. стал называться Швейцарским федеральным технологическим институтом), на этот раз в качестве знаменитого профессора, означало для Эйнштейна личную победу. Когда он покидал университет, его имя было запятнано, а профессора, такие как Вебер, активно противодействовали его карьере. Вернулся же он вождем новой революции в физике. В том же году он был в первый раз номинирован на Нобелевскую премию. Правда, Шведская академия по-прежнему считала его идеи слишком радикальными, да и среди нобелевских лауреатов раздавались голоса несогласных, которые выступали против номинирования его на премию. В результате Нобелевская премия 1912 г. досталась не Эйнштейну, а Нильсу Густаву Далену за работу по улучшению маяков. (По иронии судьбы сегодня маяки в значительной мере устарели благодаря появлению спутниковых систем навигации, в работе которых теория относительности Эйнштейна играет далеко не последнюю роль.)

В следующем году репутация Эйнштейна росла так стремительно, что им начали интересоваться в Берлине. Макс Планк жаждал заполучить эту восходящую звезду физики к себе, а Германия в то время была бесспорным мировым лидером в физических исследованиях, главный центр которых находился в Берлине. Эйнштейн некоторое время колебался – ведь он отказался от немецкого гражданства и до сих пор хранил горькие воспоминания юности, но предложение было слишком соблазнительным.

В 1913 г. Эйнштейн был избран в Прусскую академию наук, а чуть позже ему было предложено занять пост в Берлинском университете. Предполагалось сделать его директором Института физики Общества кайзера Вильгельма. Помимо громких должностей, которые мало что для него значили, это предложение было особенно привлекательным для Эйнштейна еще по одной причине: там от него не требовалось преподавать. (Хотя лекции Эйнштейна пользовались популярностью, так как было известно, что он доброжелательно и с уважением относится к своим студентам, преподавание отвлекало от главного, что его интересовало, – от общей теории относительности.)

В 1914 г. Эйнштейн прибыл в Берлин для встречи с членами факультета. Он немного нервничал под их внимательными и оценивающими взглядами. Позже Эйнштейн напишет: «Господа в Берлине ставят на меня как на призовую курицу-несушку. Что же до меня, то я даже не знаю, смогу ли снести еще хоть одно яйцо». Тридцатипятилетний бунтарь со странными политическими взглядами и еще более странным внешним видом вскоре вынужден был приспосабливаться к строгим чопорным порядкам Прусской академии наук, члены которой обращались друг к другу «тайный советник» и «ваше превосходительство». Эйнштейн задумчиво писал: «Кажется, большинство членов ограничиваются тем, что демонстрируют какое-то петушиное величие на письме; в остальном они вполне похожи на людей».

Триумфальное восхождение из патентного бюро в Берне к вершинам немецкой физики недешево обошлось Эйнштейну в личном плане. По мере того как начала расти его слава в физическом сообществе, личная жизнь начала разваливаться. Для Эйнштейна эти годы были самыми продуктивными, они принесли плоды, которым со временем суждено было изменить историю человечества. Однако ученый совершенно не имел свободного времени, и он заметно отдалился от жены и детей.

Эйнштейн писал, что жизнь с Милевой была подобна жизни на кладбище, он избегал находиться с ней наедине. Его друзья разошлись во мнениях о том, кто из супругов был в первую очередь виноват в разрыве. Многие считали, что Милева все сильнее замыкалась в себе и злилась на своего знаменитого мужа. Даже друзья Милевы с грустью признавали, что за эти годы она сильно постарела и заметно сдала. Она становилась все более скандальной и холодной и ревновала мужа даже к коллегам. Обнаружив письмо с поздравлением, присланное Эйнштейну Анной Шмид (которая познакомилась с Эйнштейном во время его недолгой учебы в Арау и после благополучно вышла замуж), она сорвалась и устроила Альберту самый, может быть, громкий скандал за все время их и без того уже непрочного брака.

В то же время некоторые считали, что Эйнштейн определенно не был идеальным мужем; он постоянно куда-то спешил, оставляя Милеву практически в одиночку воспитывать двоих детей. Не секрет, что путешествия в начале XX в. были делом непростым и небыстрым, поэтому Эйнштейн часто отсутствовал дома по несколько дней и даже недель. Как корабли в ночном море, они встречались ненадолго, когда Эйнштейн оказывался дома, обедали вместе или посещали театр. Он был настолько погружен в абстрактный мир математики, что энергии (в первую очередь эмоциональной) на общение с женой и поиск подходов к ней у него почти не оставалось. Хуже того, чем больше она жаловалась ему на одиночество и на то, что его почти никогда не бывает рядом, тем больше он удалялся от нее в мир физики.

Вероятно, мы будем правы, если скажем, что в той и другой позиции была, безусловно, доля истины и что обвинять кого-то одного бессмысленно. Задним числом можно сказать, что такой брак был обречен на невыносимые перегрузки. Возможно, их друзья много лет спустя были правы, говоря, что эти двое были попросту несовместимы.

Однако окончательный разрыв стал неизбежен после того, как Эйнштейн принял предложение из Берлина. Милеве не хотелось ехать в Берлин. Возможно, она, как славянка, очень скованно чувствовала себя в центре тевтонской культуры; что еще важнее, в Берлине жили многие родственники Эйнштейна, и Милева боялась оказаться под их суровыми неодобрительными взглядами. Ни для кого не было секретом, что родственники мужа ее ненавидят. Поначалу Милева и дети все же поехали в Берлин с Эйнштейном, но затем она внезапно взяла детей и уехала в Цюрих. Больше они никогда не жили вместе. Эйнштейн, обожавший своих детей, был опустошен. После этого он вынужден был поддерживать отношения с сыновьями на расстоянии; чтобы увидеться, ему нужно было совершить изматывающее десятичасовое путешествие из Берлина в Цюрих. (Когда со временем права на воспитание детей были признаны за Милевой, Эйнштейн, по словам его секретаря Хелен Дукас, проплакал всю дорогу домой.)

Был, вероятно, еще один фактор, заметно ускоривший разрыв, – все более заметное присутствие в Берлине рядом с Эйнштейном некоей его кузины. Он признавался: «Я живу очень замкнутой жизнью, но вовсе не одинокой, благодаря заботе одной моей кузины, которая, собственно, и перетянула меня в Берлин».

Эльза Лёвенталь была Эйнштейну двойной кузиной: матери ее и Эйнштейна были сестрами, а деды – братьями. Она была разведена и жила с двумя дочерьми, Марго и Илзой, этажом выше своих родителей (приходившихся Эйнштейну дядей и тетей). Они с Альбертом встречались мельком в 1912 г., когда он ненадолго приезжал в Берлин. К тому моменту Эйнштейн уже решил, по всей видимости, что его брак с Милевой рухнул и разрыв неизбежен, но боялся, что развод может отрицательно сказаться на его маленьких детях.

Эльзе Альберт нравился с детства. Она призналась, что влюбилась в него еще ребенком, когда услышала, как он играет Моцарта. Но больше всего, похоже, ее привлекал в нем статус восходящей звезды научного мира и уважение, которое испытывали к нему физики всего мира. Более того, она не скрывала, что ей очень нравится купаться в лучах его славы. Как и Милева, она была на четыре года старше Эйнштейна. На этом, однако, сходство между этими двумя женщинами заканчивалось, скорее они были полярно противоположны друг другу. Эйнштейн в своем бегстве от Милевы, судя по всему, бросился в другую крайность. Если Милева не слишком заботилась о своей внешности и постоянно выглядела загнанной, то Эльза отличалась мещанством и остро чувствовала социальные различия. Она постоянно заводила знакомства в интеллектуальных кругах Берлина и с гордостью демонстрировала Эйнштейна всем своим друзьям из высшего общества. В отличие от Милевы, которая была немногословна, замкнута и склонна к дурному настроению, Эльза была светской бабочкой, порхающей между приемами, раутами и театральными премьерами. И в отличие от Милевы, которая быстро отказалась от попыток переделать мужа, Эльза вела себя по отношению к нему скорее как мать, постоянно поправляла его манеры и всеми силами стремилась помочь ему сделать карьеру. Один русский журналист позже так охарактеризовал отношения между Эйнштейном и Эльзой: «Она полна любви к своему великому мужу, всегда готова заслонить его от грубого вмешательства жизни и обеспечить душевное спокойствие, необходимое для созревания великих идей. Она проникнута сознанием его великого предназначения как мыслителя и самыми нежными чувствами спутницы, жены и матери к этому замечательному, тонкому взрослому ребенку».

После того как Милева в гневе покинула Берлин в 1915 г., взяв с собой детей, Эйнштейн и Эльза сблизились еще сильнее. Однако внимание Эйнштейна в этот важный для него период было поглощено не любовью, а самой Вселенной.

Часть II

Картина вторая

Искривленное пространство-время

Глава 4

Общая теория относительности и «счастливейшая мысль моей жизни»

Эйнштейн не чувствовал себя удовлетворенным. Он уже был в рядах лучших физиков своего времени, но по-прежнему не находил себе покоя. Он понимал, что в теории относительности имеется по крайней мере две зияющие дыры. Во-первых, она основывалась исключительно на инерциальном движении. В природе, однако, не существует почти ничего инерциального. Все находится в состоянии постоянного ускорения: стучат по рельсам поезда, падают зигзагом осенние листья, обращается Земля вокруг Солнца, движутся небесные тела. А теория относительности не сумела объяснить природу даже самых обычных ускорений, которые можно наблюдать на Земле.

Во-вторых, теория ничего не говорила о гравитации. Она утверждала в самом общем плане, что это универсальная симметрия природы, действующая во всех уголках Вселенной, но само понятие гравитации, оставалось ей неподвластно, что было весьма неприятно, ведь гравитация присутствует везде. В общем, недостатки теории относительности были очевидны. Поскольку скорость света – абсолютный предел скорости во Вселенной, то, согласно теории относительности, любое возмущение на Солнце могло достичь Землю не раньше, чем через восемь минут. Однако это противоречило теории всемирного тяготения Ньютона, согласно которой гравитационные эффекты действуют мгновенно. (Скорость распространения гравитации, по Ньютону, бесконечна, а скорость света в ньютоновых уравнениях не фигурирует.) Таким образом, Эйнштейну нужно было полностью переписать уравнения Ньютона, чтобы включить в них скорость света.

Иначе говоря, Эйнштейн понимал масштаб проблемы обобщения теории относительности таким образом, чтобы она включала также ускорение и гравитацию. В 1905 г. он начал называть свою теорию «специальной теорией относительности», чтобы отличать ее от всеохватывающей «общей теории относительности», необходимой для описания гравитации. Когда он рассказал Максу Планку о своих амбициозных замыслах, Планк предостерег: «Как старший друг, я должен посоветовать вам не браться за это дело, потому что вы не добьетесь успеха, но даже если добьетесь, вам никто не поверит». Но Планк понимал и важность этой проблемы, когда добавил: «Если вы добьетесь успеха, вас назовут новым Коперником».

Озарение, связанное с новой теорией гравитации, снизошло на Эйнштейна еще в 1907 г., когда он, будучи мелким государственным служащим, корпел над патентными заявками. Позже он вспоминал: «Я сидел в кресле в патентном бюро в Берне, когда совершенно неожиданно у меня возникла мысль: человек в свободном падении не ощущает собственного веса. Я был поражен. Эта простая мысль произвела на меня глубокое впечатление. Она подтолкнула меня к теории гравитации».

В одно мгновение Эйнштейн осознал, что, случись ему упасть с кресла, он на мгновение потеряет вес. Например, если вы едете в лифте и трос внезапно обрывается, вы оказываетесь в свободном падении; вы падаете с той же скоростью, что и пол лифта. А поскольку и вы, и лифт падаете с одной и той же скоростью, то выглядеть все будет так, как будто вы лишились веса и свободно плаваете в воздухе. Аналогично Эйнштейн представил себе, что, упав с кресла, он на мгновение оказался бы в свободном падении и действие гравитации было бы полностью компенсировано ускорением, благодаря чему он стал бы невесомым.

Сама по себе эта концепция не нова. Она была знакома еще Галилею, который, согласно канонической истории, бросал с падающей Пизанской башни одновременно маленький камушек и тяжелое пушечное ядро. Он первым показал, что все объекты на Земле ускоряются под действием гравитации абсолютно одинаково (9,81 м/с2). Ньютону этот факт тоже был известен; кроме того, он понял, что планеты и Луна, двигаясь по орбите вокруг Солнца или Земли, на самом деле находятся в состоянии свободного падения. Любой космонавт также понимает, что гравитация может быть компенсирована ускорением. Все внутри космического корабля, включая пол, инструменты и вас самих, падает с одинаковой скоростью. Поэтому, оглянувшись вокруг, вы увидите, что все плавает в воздухе. Ваши ноги всплывают над полом, и возникает иллюзия того, что гравитация вообще исчезла, поскольку пол падает вместе с вашим телом. А если космонавт выходит из корабля в открытый космос, то он не падает внезапно на Землю, но плывет вместо этого спокойно рядом, так как и космический корабль и сам космонавт падают в унисон, огибая Землю. (Гравитация не исчезает в открытом космосе, как ошибочно утверждают многие научно-популярные книги. Тяготение Солнца обладает достаточной мощью, чтобы гонять Плутон по орбите за миллиарды километров от Земли. Гравитация никуда не делась; она просто компенсируется падением космического корабля под вашими ногами.)

Это называется «принципом эквивалентности», согласно которому все массы падают под действием гравитации с одинаковой скоростью (или, точнее, заявляется, что инерциальная масса эквивалентна гравитационной массе[10]). Идея и правда не нова, но если для Галилея и Ньютона это было просто любопытным фактом, то в руках такого маститого физика, как Эйнштейн, ей суждено было стать фундаментом новой релятивистской теории гравитации. Эйнштейн продвинулся на один гигантский шаг дальше, чем Галилей или Ньютон. Он сформулировал следующий постулат, который затем лег в основу общей теории относительности: законы природы в ускоряющейся системе отсчета и в системе отсчета с гравитацией неразличимы. Удивительно, но это простое утверждение стало в руках Эйнштейна основой теории, которая позже подарила нам искривленное пространство, черные дыры и картину рождения Вселенной.

После блестящего озарения в патентном бюро в 1907 г. эйнштейновой теории гравитации потребовалось несколько лет, чтоб окончательно сформироваться. Новая картина тяготения постепенно вырастала из принципа эквивалентности, но только в 1911 г. Эйнштейн начал публиковать плоды своих размышлений. Первое следствие принципа эквивалентности – тот факт, что свет под действием силы тяготения должен искривляться. Мысль о том, что гравитация, возможно, действует на световые лучи, не нова и восходит по крайней мере ко временам Исаака Ньютона. Ньютон в своей книге «Оптика» задается вопросом: может ли гравитация оказывать влияние на свет звезд? «Действуют ли тела на свет на расстоянии и изгибают ли своим действием его лучи и не является ли это действие сильнейшим на самом малом расстоянии?» К несчастью, технологии XVII в. не позволяли получить ответ на этот вопрос.

Но теперь, через две с лишним сотни лет, Эйнштейн вернулся к этому вопросу. Представьте себе, что внутри космического корабля, поднимающегося с Земли с ускорением, зажигается фонарик. Свет его направляется горизонтально поверхности Земли. Поскольку ускорение ракеты направлено вверх, световой луч загибается книзу. А теперь применим принцип эквивалентности. Физика внутри корабля должна быть неотличима от физики на Земле; это означает, что сила тяготения, помимо всего прочего, должна отклонять свет и искривлять его лучи. В несколько коротких шагов Эйнштейн подошел к новому физическому явлению – изгибанию луча света под действием гравитации. Он сразу же понял, что такой эффект можно рассчитать.

Самое сильное гравитационное поле в Солнечной системе генерируется Солнцем, поэтому Эйнштейн задался вопросом: достаточно ли притяжения Солнца, чтобы отклонять лучи далеких звезд? В принципе, это можно было бы проверить, сняв одни и те же звезды в разные времена года. Первую фотографию нужно сделать ночью, когда свет звезд проходит без помех; вторую – через несколько месяцев, когда свет этих звезд будет проходить рядом с Солнцем. Сравнив две фотографии, можно, по идее, измерить, как изображения звезд слегка сдвинулись под действием тяготения Солнца. Конечно, Солнце своим светом подавляет свет звезд, поэтому любые эксперименты на тему искривления света необходимо проводить во время солнечного затмения, когда Луна заслоняет свет Солнца, а звезды становятся видимыми днем. Эйнштейн рассудил, что фотографии дневного неба, сделанные во время затмения, в сравнении с фотографиями того же участка неба, сделанными ночью, должны показать легкое искажение положения звезд вблизи Солнца. (Близость Луны тоже слегка искривляет свет звезд, но по сравнению с искажением, вызванным массой Солнца, это искажение очень и очень мало. Таким образом, присутствие Луны практически не влияет на искривление света звезд во время затмения.)

Принцип эквивалентности помог Эйнштейну вычислить приблизительный сдвиг лучей света под действием гравитации, но ничего не говорил о гравитации как таковой. Недоставало полевой теории гравитации. Вы помните, что уравнения Максвелла описывают теорию поля, в которой силовые линии напоминают паутину, способную колебаться и поддерживать волны, движущиеся вдоль этих линий. Эйнштейн же занимался поисками гравитационного поля, силовые линии которого способны поддерживать гравитационные колебания, движущиеся со скоростью света.

Около 1912 г., после нескольких лет усиленных размышлений, Эйнштейн постепенно начал понимать, что наши представления о пространстве и времени придется перетряхивать; для этого требовалась новая геометрия, помимо той, что современная наука унаследовала от древних греков. Основным фактором, подтолкнувшим его к мысли об искривлении пространства-времени, стал парадокс, иногда называемый «парадоксом Эренфеста», с которым Эйнштейна познакомил его друг Пауль Эренфест. Представьте себе простую карусель на вращающемся диске. Известно, что длина окружности этого диска в покое равняется его диаметру, взятому π раз. Однако, когда карусель кружится, ее внешний край движется быстрее, чем внутренние части, следовательно, согласно теории относительности, и сжимается он сильнее, чем внутренность диска, искажая форму карусели. Это означает, что окружность диска съежилась и теперь меньше, чем π диаметров; то есть поверхность перестала быть плоской. Пространство искривлено. Поверхность карусели можно сравнить с областью внутри Северного полярного круга. Мы можем измерить диаметр полярного круга, пройдя от одной точки на окружности прямо через Северный полюс до противоположной ее точки. Затем мы можем измерить длину Полярного круга, пройдя вдоль линии. Сравнив то и другое, мы обнаружим, что длина окружности меньше, чем π диаметров, поскольку поверхность Земли искривлена. Но последние две тысячи лет физики и математики полагались исключительно на евклидову геометрию, основанную на плоских поверхностях. Что произойдет, если представить себе геометрию, основанную на искривленных поверхностях?

Стоит только понять, что пространство может быть искривлено, как на свет появляется поразительная картина. Представьте себе тяжелый камень, лежащий на упругой кровати. Естественно, этот камень продавит кровать под собой. А теперь киньте на кровать маленький шарик. Он будет катиться не по прямой, а по кривой линии вокруг большого камня. Существует два способа проанализировать этот эффект. Глядя со стороны, сторонник теории Ньютона мог бы сказать, что существует загадочная «сила», которая исходит от камня и действует на шарик, заставляя его менять направление движения. Однако релятивист увидел бы совершенно иную картину. Посмотрев на кровать внимательно, релятивист заметил бы, что никакой силы, которая действовала бы на шарик, нет. А есть только вмятина в кровати, которая и задает движение шарика. Сама поверхность кровати «подталкивает» шарик и заставляет его катиться вокруг камня.

Теперь заменим камень на Солнце, шарик на Землю, а кровать – на пространство и время. Ньютон сказал бы, что Землю к Солнцу притягивает невидимая сила, именуемая тяготением. Эйнштейн ответил бы, что гравитационного притяжения не существует. Земля обращается вокруг Солнца, потому что ее толкает кривизна самого пространства. В определенном смысле можно сказать, что не гравитация притягивает, а пространство подталкивает.

В этой картине Эйнштейн вполне мог объяснить, почему любое возмущение на Солнце доходит до Земли за восемь минут. Если внезапно убрать с кровати камень, то ее поверхность начнет возвращаться к нормальной плоской форме, породив при этом круговые волны, которые разойдутся по поверхности кровати с определенной скоростью. Точно так же, если бы Солнце вдруг исчезло, возникла бы ударная волна искривленного пространства, которая двигалась бы со скоростью света. Эта картина была настолько проста и элегантна, что суть ее Эйнштейн смог объяснить даже своему второму сыну Эдуарду, спросившему отца, почему тот так знаменит. Эйнштейн ответил: «Когда слепой жук ползет по изогнутой ветке, он не замечает, что путь, по которому он движется, в самом деле искривлен. Мне повезло заметить то, чего не замечал этот жук».

Ньютон в своей эпохальной книге «Математические начала натуральной философии»[11] признавался, что не в состоянии объяснить происхождение этого загадочного притяжения, которое действует мгновенно во всей Вселенной. Он пустил в обращение знаменитую фразу «hypotheses non fingo» («гипотез не измышляю») именно потому, что был не в состоянии объяснить, откуда берется гравитация. У Эйнштейна, как мы видим, гравитацию вызывает искривление пространства и времени. Выясняется, что «сила» – всего лишь иллюзия, побочный продукт геометрии. Согласно этой картине, причина того, что мы стоим на поверхности Земли, заключается не в том, что тяготение Земли притягивает нас. По Эйнштейну, гравитационного притяжения не существует. Земля искривляет пространственно-временной континуум вокруг наших тел, так что само пространство толкает нас вниз, к полу. Таким образом, все дело в присутствии вещества, которое искривляет пространство вокруг него и дает нам иллюзию существования некоей гравитационной силы, притягивающей близлежащие объекты друг к другу.

Искривление пространства, разумеется, невидимо, и с некоторого расстояния ньютонова картина представляется вполне корректной. Представьте себе муравьев, прогуливающихся по смятому листу бумаги. Пытаясь идти по прямой, они замечают, что их то и дело тянет то влево, то вправо, когда они преодолевают складки бумаги. Муравьям кажется, что существует какая-то загадочная сила, тянущая их в обоих направлениях. Однако человеку, наблюдающему за муравьями со стороны, очевидно, что никакой силы нет, что все дело в складках бумаги, которые, собственно, и порождают иллюзию силы. Вспомните, кстати, что Ньютон считал пространство и время абсолютной системой отсчета для любого движения. Однако, по Эйнштейну, пространство и время могут играть и динамическую роль. Если пространство искривлено, любому, кто движется по этой сцене, покажется, что на его тело действует загадочная сила, толкающая его то туда, то сюда.

Сравнив пространство-время с натянутой тканью, способной растягиваться и изгибаться, Эйнштейн вынужден был заняться изучением математики искривленных поверхностей. Он очень быстро утонул в математической трясине и понял, что не в состоянии отыскать инструменты, подходящие для анализа его новой гравитационной картины. В определенном смысле Эйнштейн, когда-то называвший математику «лишней эрудицией», теперь расплачивался за те годы, когда он беззаботно прогуливал математические курсы в Политехникуме.

В отчаянии он обратился к своему другу Марселю Гроссману. «Гроссман, ты должен помочь мне, или я сойду с ума! – признавался Эйнштейн. – Никогда в жизни я так не мучился, как сейчас, и подумать только, я проникся великим уважением к математике, коей даже простейшие части считал когда-то чистым излишеством! В сравнении с этой проблемой первоначальная теория относительности всего лишь детская игрушка».

Гроссман просмотрел литературу и выяснил, что, как ни смешно, базовую математику, нужную Эйнштейну, в самом деле преподавали в Политехникуме. В геометрии Бернхарда Римана, разработанной в 1854 г., Эйнштейн обнаружил наконец достаточно мощную основу для описания искривления пространства-времени. (Много лет спустя, вспоминая, как трудно было овладевать новой математикой, Эйнштейн заметил в разговоре со школьниками: «Не обращайте внимания на свои трудности с математикой; могу вас заверить, что мои еще больше».)

До Римана вся математика основывалась на евклидовой геометрии – геометрии плоских поверхностей. Тысячи лет школьников мучили проверенными временем теоремами греческой геометрии, где сумма внутренних углов треугольника всегда равняется 180°, а параллельные прямые не пересекаются. Два математика – русский Николай Лобачевский и венгр Янош Бойяи – подошли очень близко к созданию неевклидовой геометрии, то есть такой геометрии, где сумма углов в треугольнике может быть больше или меньше 180°. Но по-настоящему теорию неевклидовой геометрии разработали «король математики» Карл Фридрих Гаусс и особенно его ученик Риман. (Гаусс подозревал, что теория Евклида может оказаться неверной по физическим причинам. По его указаниям помощники светили прожекторами с вершин гор Гарца, а сам он пытался экспериментально выяснить сумму углов треугольника, образованного тремя вершинами. К несчастью, результат эксперимента оказался отрицательным. Кроме того, Гаусс был настолько политически осторожным человеком, что так и не опубликовал своей работы по этому тонкому вопросу, опасаясь реакции консерваторов от науки, готовых клясться теоремами евклидовой геометрии.)

Риман же открыл совершенно новые математические миры – геометрию искривленных поверхностей любой размерности, не только двумерных или трехмерных. Эйнштейн был убежден, что при помощи этих геометрий высоких порядков можно получить более точное описание Вселенной. Впервые математический язык «дифференциальной геометрии» прокладывал себе путь в мир физики. Дифференциальная геометрия, или тензорное исчисление, – математика искривленных поверхностей любой размерности, когда-то считалась самой бесполезной областью математики, лишенной всякого физического содержания. Внезапно, однако, она превратилась в язык самой Вселенной.

В большинстве биографий Эйнштейна общая теория относительности возникает как полностью готовая в 1915 г., как будто он безошибочно, волшебным образом нашел эту теорию уже полностью сформированной. Только в последние десятилетия были проанализированы некоторые из «потерянных записных книжек» Эйнштейна, которые позволили заполнить многие пробелы в промежутке между 1912 и 1915 г. Теперь можно восстановить, иногда помесячно, основные вехи эволюции одной из величайших теорий в истории. В частности, Эйнштейн хотел обобщить понятие ковариантности. Специальная теория относительности, как мы видели, была основана на идее Лоренц-ковариантности; это означало, что уравнения физики сохраняют свою форму при преобразованиях Лоренца. Теперь Эйнштейн хотел обобщить это на все возможные ускорения и трансформации, а не только на инерциальные. Иными словами, он хотел найти уравнения, которые сохраняли бы свою форму в любой системе отсчета, какой бы она ни была, ускорялась она или двигалась с постоянной скоростью. Каждой системе отсчета, в свою очередь, необходима координатная сетка, которая позволила бы измерить длину по трем пространственным измерениям и времени. Эйнштейну нужна была теория, которая сохраняла бы форму, какая бы координатная сетка ни использовалась в данной системе отсчета. Этот поиск привел его к знаменитому принципу общей ковариантности: уравнения физики должны быть общековариантны (то есть они должны сохранять форму при любом преобразовании координат).

Представьте себе рыболовную сеть, наброшенную на стол. Рыболовная сеть представляет произвольную систему координат, а поверхность столешницы – объект, который сохраняет форму при любом искажении формы сети. Как бы мы ни перетягивали или крутили сеть, поверхность столешницы под ней останется прежней.

В 1912 г. Эйнштейн был уже уверен, что риманова математика – подходящий язык для гравитации. Опираясь на закон общей ковариантности, он начал искать внутри римановой геометрии подходящие, то есть общековариантные, объекты. Как ни удивительно, таких объектов оказалось всего два: объем искривленного пространства и кривизна (или, как ее называют, «кривизна Риччи») такого пространства. Это была чрезвычайно важная находка: серьезно ограничив состав возможных строительных блоков для сооружения теории гравитации, принцип общей ковариантности помог Эйнштейну сформулировать корректную в основном теорию в 1912 г., всего через несколько месяцев изучения работы Римана по кривизне Риччи. Однако по какой-то причине он отбросил верную теорию и двинулся по ложному пути. Почему он отказался от корректной теории, оставалось для ученых загадкой до самого последнего времени, когда были обнаружены потерянные записные книжки. В тот год, когда он в основном выстроил верную теорию гравитации на основе кривизны Риччи, он совершил очень серьезную ошибку – решил, что эта верная теория нарушает принцип, известный как «принцип Маха»[12]. В одном из вариантов этого принципа постулируется, что присутствие вещества и энергии во Вселенной однозначно определяет окружающее ее гравитационное поле. Если зафиксировать определенную конфигурацию планет и звезд, то гравитация, окружающая эти планеты и звезды, тоже окажется фиксированной. Представьте, как кидают камешек в пруд. Чем крупнее камешек, тем заметнее будет рябь на воде. Таким образом, зная точный размер камешка, искажение поверхности пруда можно однозначно вычислить. Точно так же, зная массу Солнца, можно однозначно определить окружающее его гравитационное поле.

Именно здесь Эйнштейн совершил свою ошибку. Он решил, что теория, основанная на кривизне Риччи, нарушает принцип Маха, поскольку присутствие вещества и энергии не определяет однозначно окружающее их гравитационное поле. Вместе с Марселем Гроссманом он попытался разработать более скромную теорию, ковариантную только по отношению к вращению (но не к любому ускорению). Однако, отказавшись от принципа ковариантности, он потерял путеводную звезду и три грустных года скитался в дебрях теории Эйнштейна – Гроссмана, которая не была ни элегантной, ни полезной – к примеру, из нее не получались уравнения Ньютона для слабых гравитационных полей. Обладая лучшей, может быть, на всей Земле интуицией физика, Эйнштейн упрямо игнорировал ее.

Пытаясь нащупать окончательные уравнения, он сосредоточился на трех ключевых экспериментах, которые теоретически могли помочь доказать идеи, связанные с искривлением пространства и гравитацией: это отклонение света звезд, которые можно увидеть во время затмения, красное смещение и перигелий Меркурия. В 1911 г., еще до работы по искривленному пространству, Эйнштейн надеялся, что удастся отправить в Сибирь экспедицию для наблюдения солнечного затмения 21 августа 1914 г., целью которой было бы зафиксировать отклонение света звезд Солнцем.

Наблюдение должен был проводить астроном Эрвин Финлей-Фройндлих. Сам Эйнштейн был настолько уверен в корректности его работы, что поначалу предложил профинансировать этот амбициозный проект из собственного кармана. «Если ничего не получится, я заплачу из своих собственных небольших сбережений, по крайней мере первые 2000 марок», – написал он. Правда, позже нашелся богатый промышленник, готовый профинансировать это предприятие. Фройндлих отправился в Сибирь[13] за месяц до затмения, но 1 августа Германия объявила России войну, вследствие чего астроном и его помощник были арестованы, а их оборудование конфисковано. (Задним числом заметим, что Эйнштейну, можно сказать, повезло, что экспедиция 1914 г. сорвалась. Если бы эксперимент удалось провести, результат, конечно, не сошелся бы с величиной, предсказанной ошибочной теорией Эйнштейна, и это дискредитировало бы всю идею.)

Далее, Эйнштейн рассчитал, как гравитация должна влиять на частоту светового луча. Если с Земли запустить ракету и направить ее в космос, то тяготение Земли будет тормозить ее и тянуть назад. В сражении с гравитационной силой, таким образом, расходуется энергия ракеты. Точно так же, рассуждал Эйнштейн, когда луч света, излучаемый Солнцем, удаляется от него, тяготение должно тормозить его и заставлять терять энергию. Световой луч не сможет замедлиться, но потеря энергии, вызванная преодолением солнечной гравитации, вызовет уменьшение частоты. Так, частота желтого солнечного света снизится, луч, покидая область гравитационного притяжения Солнца, станет краснее. Однако гравитационное красное смещение – чрезвычайно слабый эффект, и Эйнштейн не питал иллюзий и не надеялся, что его удастся в каком-то обозримом будущем проверить в лаборатории. (В самом деле, пройдет еще четыре десятка лет, прежде чем гравитационное красное смещение удастся увидеть.)

И наконец, он стремился решить давнюю проблему: определить, почему орбита Меркурия «плывет» и слегка отклоняется от параметров, предписанных законами Ньютона. В обычных условиях планеты в своем движении вокруг Солнца описывают идеальный эллипс с легкими возмущениями, вызванными притяжением ближайших планет, и в целом их траектория напоминает лепестки цветка. Однако в орбите Меркурия, даже с учетом влияния на него ближайших планет, наблюдается небольшое, но заметное отклонение от законов Ньютона. Это отклонение, известное как «прецессия перигелия», первым наблюдал в 1859 г. астроном Урбен Леверье; его расчеты дали крохотный сдвиг перигелия орбиты Меркурия, равный 43,5 угловые секунды за столетие, который было невозможно объяснить законами Ньютона. Сам по себе факт существования в ньютоновых законах движения очевидных нестыковок новостью не был. В начале XIX в., когда астрономы ломали головы над аналогичными возмущениями орбиты Урана, перед ними встал непростой выбор: либо отказаться от известных законов движения, либо постулировать существование еще одной, неоткрытой планеты, действующей на орбиту Урана. В 1846 г., когда в том самом месте, где должна была находиться эта планета согласно законам Ньютона, действительно обнаружили новую планету – Нептун, физики вздохнули с облегчением.

Но Меркурий по-прежнему оставался загадкой. Не желая отказываться от законов Ньютона, астрономы по традиции постулировали существование еще одной планеты и даже дали ей название Вулкан; подразумевалось, что эта неизвестная планета обращается вокруг Солнца внутри орбиты Меркурия. Однако как ни всматривались астрономы в ночное небо, они не могли отыскать никаких экспериментальных доказательств ее существования.

Эйнштейн был готов принять более радикальную интерпретацию: возможно, сами законы Ньютона неверны или по крайней мере неполны. В ноябре 1915 г. после трех лет, растраченных впустую на теорию Эйнштейна – Гроссмана, он вернулся к кривизне Риччи, от которой отказался в 1912 г., – и заметил свою ключевую ошибку. Эйнштейн отбросил кривизну Риччи[14] потому, что, исходя из нее, для произвольного материального объекта можно было получить больше одного гравитационного поля, что казалось нарушением принципа Маха. Но затем общая ковариантность помогла ему понять, что на самом деле эти гравитационные поля математически эквивалентны и дают один и тот же физический результат. Мощь общей ковариантности произвела на Эйнштейна сильное впечатление: она не только серьезно ограничила возможные теории гравитации, но обеспечила единственно возможный физический результат, поскольку многие гравитационные решения оказались эквивалентными.

После этого для Эйнштейна начался период величайших (возможно, во всей его жизни) ментальных усилий – поиска окончательного уравнения. Он отбросил все постороннее и напряженно трудился, пытаясь рассчитать прецессию перигелия Меркурия. Найденные записные книжки показывают, что он раз за разом предлагал решение, а затем тщательнейшим образом проверял, получается ли из него в пределе при малых гравитационных полях старая теория Ньютона. Задача оказалась чрезвычайно трудоемкой, так как тензорные уравнения включали в себя десять отдельных уравнений вместо одного у Ньютона. Если предложенное решение не давало в пределе уравнения Ньютона, Эйнштейн брал следующее и проверял, не получится ли из него нужный результат. Этот изматывающий, почти геркулесов труд был наконец завершен в конце ноября 1915 г. Эйнштейн чувствовал себя совершенно измученным. После долгих утомительных вычислений по старой теории 1912 г. выяснилось, что предсказанная ей прецессия орбиты Меркурия составляет 42,9 угловой секунды за столетие, что с вполне приемлемой точностью совпадало с экспериментальной величиной. Эйнштейн был потрясен. Первое надежное экспериментальное доказательство в пользу новой теории буквально опьяняло его. «Несколько дней я был вне себя от возбуждения, – вспоминал он. – Мои самые дерзкие мечты сбылись». Сбылась мечта всей жизни – найти релятивистские уравнения для гравитации.

Эйнштейна потрясло, что при помощи абстрактного физико-математического принципа общей ковариантности ему удалось получить надежный и убедительный результат, совпадающий с экспериментальными данными: «Представьте себе, как я радовался практической применимости общей ковариантности и тому, что в результате из уравнений мне удалось корректно вывести смещение перигелия Меркурия».

Воспользовавшись новой теорией, он заново рассчитал отклонение света звезд Солнцем. Добавление к его теории искривленного пространства означало, что конечный результат составит 1,7 угловой секунды (около 1/2000 доли градуса), то есть вдвое больше, чем он считал ранее.

Эйнштейн был убежден, что его новая теория настолько проста, элегантна и мощна, что ни один физик не сможет устоять перед ее гипнотическим притяжением. «Вряд ли кто-нибудь, кто по-настоящему понял эту теорию, сможет устоять перед ее очарованием, – напишет он позже. – Это теория несравненной красоты». Поразительно, но принцип общей ковариантности оказался настолько мощным инструментом, что окончательное уравнение, описывающее структуру самой Вселенной, получилось совсем коротким, его длина не дотягивает даже до трех сантиметров. (Физики и сегодня удивляются, что такое короткое уравнение может описать возникновение и эволюцию Вселенной. Физик Виктор Вайскопф сравнил свой восторг с чувствами крестьянина, впервые в жизни увидевшего трактор. Облазив трактор вдоль и поперек и заглянув под капот, он ошеломленно спрашивает: «А где же лошадь?»)

Единственное, что омрачало Эйнштейну триумф, это мелкий спор за приоритет с Давидом Гильбертом – величайшим, наверное, математиком того времени. Когда теория находилась в последней, финальной стадии доработки, Эйнштейн прочел в Гёттингене шесть двухчасовых лекций, на которых присутствовал и Гильберт. Эйнштейну по-прежнему недоставало некоторых математических инструментов (известных как «тождество Бьянки»), и это не позволяло ему вывести уравнения из простой формы, известной как «действие». Позже Гильберт заполнил пробел в вычислениях Эйнштейна, записал необходимое действие и опубликовал окончательный результат от своего имени, всего за шесть дней до Эйнштейна. Эйнштейн был недоволен. Более того, он решил, что Гильберт, осуществив последний шаг и приписав себе всю работу, пытался украсть у него общую теорию относительности. Со временем напряжение в отношениях между Эйнштейном и Гильбертом прошло, но Эйнштейн стал осторожнее и уже неохотно делился своими результатами. Сегодня действие, посредством которого выводится общая теория относительности, известно как «действие Эйнштейна – Гильберта». Вероятно, завершить теорию Эйнштейна последним крохотным шажком Гильберта побудило то, что, как он часто говорил, «физика слишком важна, чтобы оставлять ее физикам»; скорее всего, он имел в виду, что физики недостаточно сведущи в математике, чтобы исследовать тайны природы. Очевидно, взгляды Гильберта в этом отношении разделяли и остальные математики. Так, математик Феликс Клейн сетовал, что Эйнштейн по сути своей не математик, а работал под влиянием неведомых физико-философских импульсов. В этом и состоит, вероятно, принципиальная разница между математиками и физиками и причина того, что первые никогда не открывают новые законы природы. Математики имеют дело со множеством маленьких внутренне непротиворечивых областей, напоминающих изолированные провинции. Физики, напротив – с горсткой простых физических принципов, причем для разрешения любого из них может потребоваться множество математических символов. Хотя язык природы – это математика, ее движущей силой, похоже, являются эти самые физические принципы, такие как теория относительности и квантовая теория.

Распространение сообщения о новой теории гравитации Эйнштейна было прервано началом войны. Убийство в 1914 г. наследника австро-венгерского престола послужило поводом для кровопролитнейших событий того времени и втянуло Британскую, Австро-Венгерскую, Российскую и Прусскую империи в катастрофический конфликт, жертвами которого стали десятки миллионов молодых людей. Чуть ли не мгновенно тихие, достойные профессора германских университетов превратились в кровожадных националистов. Почти весь факультет Берлинского университета заразился военной лихорадкой и направил все свои усилия на войну. В поддержку кайзера девяносто три немецких интеллектуала подписали известный манифест «К цивилизованному миру», в котором призвали весь народ сплотиться вокруг кайзера и угрожающе заявили, что немецкий народ должен отразить «русские орды вкупе с монголами и неграми, которых натравливают на белую расу». Манифест оправдывал германское вторжение в Бельгию и гордо заявлял: «Немецкое войско и немецкий народ едины. Это сознание связывает сегодня семьдесят миллионов немцев без различия образования, положения и партийности». Даже благожелатель Эйнштейна Макс Планк подписал этот манифест вместе с известным математиком Феликсом Клейном и физиками Вильгельмом Рентгеном (открывшим рентгеновское излучение), Вальтером Нернстом и Вильгельмом Оствальдом.

Эйнштейн, убежденный пацифист, отказался подписать манифест. Георг Николаи, врач Эльзы и известный антивоенный активист, попросил сто других интеллектуалов подписать контрманифест, но из-за ошеломляющей военной истерии, охватившей Германию, только четверо действительно подписали его, и среди них Эйнштейн. Происходящее вызвало в нем тяжелое чувство. Он написал: «Европа в своем безумии совершила нечто невероятное, – и грустно добавил: – В такое время каждому становится ясно, к сколь жалкой породе животных принадлежит человек».

В 1916 г. мир Эйнштейна вновь покачнулся, на этот раз от поразительной вести о том, что его близкий друг-идеалист Фридрих Адлер – тот самый физик, который великодушно отказался от светившей ему профессорской должности в Цюрихском университете в пользу Эйнштейна, убил в переполненном венском ресторане австрийского премьер-министра графа Карла фон Штюргка с криком «Долой тиранию! Мы хотим мира!». Вся страна замерла, услышав, что сын основателя австрийской социал-демократической партии совершил такое неописуемое преступление против государства. Адлера тут же отправили в тюрьму, ему грозила смертная казнь. В ожидании суда он вновь обратился к любимому развлечению – физике и начал писать длинную статью, посвященную критике эйнштейновой теории относительности. В центре переполоха, возникшего в связи с убийством премьер-министра и его потенциальными последствиями, он целиком отдался мысли о том, что ему удалось отыскать в теории относительности критическую ошибку!

Отец Адлера Виктор ухватился за единственную стратегию защиты, доступную его сыну. Понимая, что душевная болезнь передается по наследству, Виктор объявил, что его сын психически неуравновешен, и попросил о снисхождении. В качестве доказательства безумия Виктор указал, что его сын пытался опровергнуть общепринятую теорию относительности Эйнштейна. Сам Эйнштейн предложил выступить в суде с показаниями о поведении и репутации Адлера-младшего, но его так и не вызвали.

Первоначально суд признал Адлера виновным и приговорил к смерти через повешение, однако позже приговор заменили на пожизненное заключение, отчасти благодаря петициям Эйнштейна и других представителей общественности. (По иронии судьбы в 1918 г., когда после Первой мировой войны правительство рухнуло, Адлер был освобожден; даже избран в Австрийскую национальную ассамблею и стал одной из самых популярных фигур в рабочем движении.)

Война и громадные умственные усилия[15], необходимые для создания общей теории относительности, отрицательно сказались на здоровье Эйнштейна, которое никогда не было особенно крепким. В 1917 г. он свалился с болями в желудке и был близок к нервному срыву. Он так был ослаблен титаническим умственным трудом, что не мог даже выйти из дома. За два месяца похудел на 25 кг и превратился буквально в тень самого себя. Эйнштейн был уверен, что умирает от рака, но врачи обнаружили у него лишь язву желудка и рекомендовали полный покой и смену рациона питания. В этот период Эльза стала его постоянной спутницей; она ухаживала за больным Эйнштейном, помогая постепенно восстанавливать здоровье. Он очень сблизился и с Эльзой, и с ее дочерьми, особенно после того как поселился в соседней с ними квартире.

В июне 1919 г. Эйнштейн наконец женился на Эльзе. Надо сказать, что эта женщина обладала очень четкими представлениями о том, как должен одеваться и выглядеть уважаемый профессор; она помогла Эйнштейну превратиться из холостого профессора, представителя богемы, в элегантного одомашненного супруга. В какой-то степени это стало подготовкой к следующему этапу его жизни – очень скоро ему предстояло героическое появление на мировой сцене.

Глава 5

Новый Коперник

Приходя в себя после разрухи и хаоса Первой мировой, Эйнштейн с нетерпением ждал возможность проанализировать данные следующего солнечного затмения, ожидавшегося 2 мая 1919 г. Британский ученый Артур Эддингтон жаждал провести решающий эксперимент по проверке теории Эйнштейна. Эддингтон был секретарем английского Королевского астрономического общества и чувствовал себя одинаково свободно в обсерватории во время астрономических наблюдений, и в окружении математических формул общей теории относительности. Была у него и другая причина для проведения эксперимента с солнечным затмением: он был квакером и пацифистские убеждения не позволили ему воевать в британской армии в Первую мировую. Более того, он готов был скорее сесть в тюрьму, чем отправиться на войну. Администрация Кембриджского университета опасалась скандала в случае, если кто-то из восходящих светил отправится в тюрьму как уклонист, поэтому Кембридж выговорил у правительства отсрочку для Эддингтона на том основании, что ученый выполнит свой гражданский долг – возглавит экспедицию для наблюдения солнечного затмения 1919 г. и проверки теории Эйнштейна. Так что экспедиция стала для него официальным патриотическим долгом, приравненным к участию в военных действиях.

Артур Эддингтон обосновался на время затмения на острове Принсипи в Гвинейском заливе, у берегов Западной Африки; еще одна команда, которую возглавил Эндрю Кроммелин, отправилась в Собраль на север Бразилии. Плохие погодные условия – дождевые облака, заслонившие солнце, – чуть не погубили весь эксперимент. Но в нужный момент, в 13:30, тучи чудесным образом разошлись и позволили сфотографировать звезды.

Однако до возвращения обеих команд в Англию и возможности тщательно проанализировать полученные данные должен был пройти еще не один месяц. Сравнив, наконец, свои фотографии с фотографиями, сделанными в тот же телескоп в Англии несколькими месяцами раньше, Эддингтон обнаружил среднее отклонение в 1,61 угловую секунду; у собральской команды отклонение составило 1,98 угловой секунды. Усреднив, они получили отклонение 1,79 угловой секунды, что совпало, в пределах экспериментальной погрешности, с предсказанием Эйнштейна (1,74 угловой секунды). Позже Эддингтон будет с гордостью вспоминать, что проверка (и подтверждение) теории стала величайшим моментом его жизни.

22 сентября 1919 г. Эйнштейн получил телеграмму от Хендрика Лоренца, информирующую его о фантастических новостях. Эйнштейн возбужденно писал матери: «Дорогая мама… Сегодня хорошие новости. Х. А. Лоренц телеграфировал мне, что английская экспедиция действительно доказала отклонение Cолнцем света звезд». Макс Планк, судя по всему, не спал всю ночь, чтобы как можно скорее узнать, подтвердили ли данные солнечного затмения общую теорию относительности. Позже Эйнштейн шутил: «Если бы он на самом деле понял общую теорию относительности, он поступил бы так же, как я, – лег спать».

Научное сообщество гудело от поразительных новостей о новой теории гравитации Эйнштейна, но на публике гром прогремел лишь после совместного заседания Королевского общества[16] и Королевского астрономического общества в Лондоне 6 ноября 1919 г. Эйнштейн внезапно превратился из почтенного берлинского профессора физики в фигуру мирового масштаба, достойного преемника Исаака Ньютона. На этом заседании, по замечанию философа Альфреда Уайтхеда, «царила атмосфера напряженного интереса, в точности такая, как в греческой драме». Первым выступал сэр Фрэнк Дайсон. Он сказал: «После тщательного изучения фотопластинок я готов сказать, что они, без всякого сомнения, подтверждают предсказание Эйнштейна. Получен вполне однозначный результат, что свет отклоняется в соответствии с законом гравитации Эйнштейна». Президент Королевского общества Нобелевский лауреат Дж. Томсон торжественно заявил, что это «одно из величайших достижений в истории человеческой мысли. Открыт не случайный изолированный остров, а целый континент новых научных идей. Это величайшее открытие, связанное с гравитацией, с тех пор, как Ньютон сформулировал свои принципы».

Согласно легенде, к Эддингтону, когда тот покидал заседание, подошел другой ученый и сказал: «Ходят слухи, что теорию Эйнштейна понимают только три человека во всем мире. Должно быть, вы один из них». Эддингтон молчал, и ученый добавил: «Не скромничайте, Эддингтон». Тот пожал плечами и ответил: «Дело не в скромности. Я пытаюсь понять, кто же третий».

На следующий день лондонская Times вышла с заголовком «Революция в науке – Новая теория Вселенной – Идеи Ньютона повержены – Историческое заявление – Пространство “искривлено”». (Эддингтон писал Эйнштейну: «Вся Англия говорит о вашей теории… Для научных отношений между Англией и Германией это лучшее, что только могло случиться». Кроме того, лондонские газеты одобрительно отмечали, что Эйнштейн не подписал в начале войны печально известный манифест девяноста трех, от которого британские интеллектуалы пришли в ярость.)

Надо сказать, что Эддингтон и дальше будет служить главным проводником идей Эйнштейна и «хранителем огня» в англоязычном мире, будет защищать общую теорию относительности от всех нападок. Подобно Томасу Гексли, служившему в предыдущем столетии «бульдогом Дарвина» и продвигавшем теорию эволюции в глубоко религиозной викторианской Англии, Эддингтон будет на всю мощь использовать свою научную репутацию и значительные полемические навыки для продвижения теории относительности. Этот странный союз двух пацифистов – квакера и еврея – помог донести теорию относительности до англоязычных людей.

Эта новость настолько внезапно вспыхнула в СМИ, что многие газеты оказались застигнуты врасплох и метались в поисках хоть кого-нибудь, кто разбирался бы в физике. The New York Times спешно задействовала своего специалиста по гольфу Генри Крауча; он писал репортажи об этом судьбоносном научном событии, добавляя по ходу дела множество ошибок. Manchester Guardian поручила писать об открытии своему музыкальному критику. Позже лондонская Times попросила Эйнштейна рассказать о своей новой теории в статье. Чтобы проиллюстрировать принцип относительности, Эйнштейн писал: «Сегодня в Германии меня называют немецким ученым, а в Англии представляют как швейцарского еврея. Если я вдруг превращусь в объект общей ненависти, то описания поменяются местами, и я стану швейцарским евреем для немцев и немецким ученым для англичан».

Вскоре сотни газет требовали эксклюзивного интервью с этим признанным гением, преемником Коперника и Ньютона. Эйнштейна буквально осаждали репортеры, жаждавшие выполнить задание редакции в срок. Казалось, новость красуется на первых страницах всех без исключения газет в мире. Наверное, публика, уставшая от кровопролития и бессмысленной дикости Первой мировой войны, была готова к появлению легендарной фигуры, коснувшейся глубочайших мифов и легенд о далеких звездах, загадка которых испокон веков тревожила человечество. Более того, Эйнштейн заново определил образ гения. Вместо сухого отшельника публика с радостью увидела в этом посланнике звезд молодого Бетховена, вплоть до рыжих непослушных волос и мятой одежды, человека, способного перешучиваться с журналистами и завораживать толпу мудрыми афоризмами и колкими замечаниями.

Он писал друзьям: «В настоящий момент каждый кучер и каждый официант без конца спорит о том, верна ли теория относительности. Мнение же по этому пункту зависит от того, к какой политической партии он принадлежит». Но по мере того как уходило очарование новизны, он начинал видеть в популярности и отрицательные стороны. «С тех пор как газеты наводнены статьями, – писал он, – меня так завалили вопросам, приглашениями, вызовами, что мне теперь снится, что я горю в аду, а почтальон – это дьявол, который вечно орет на меня и швыряет новые связки писем в голову, потому что я не ответил на старые». Эйнштейн приходит к выводу, что «этот мир – забавный сумасшедший дом» с ним самим в центре «релятивистского цирка», как он это называл. Эйнштейн жаловался: «Я чувствую себя сейчас немного шлюхой. Каждый хочет знать, что я делаю». Охотники за диковинками, чудаки, цирковые антрепренеры – все претендовали на кусочек Альберта Эйнштейна. Газета Berliner Illustrirte Zeitung писала о некоторых проблемах, с которыми столкнулся столь внезапно прославившийся ученый; так, он отказался от щедрого предложения импресарио лондонского театра Palladium включить его в программу представления вместе с комиками, канатоходцами и пожирателями огня. Конечно, Эйнштейн всегда мог вежливо отказаться от предложений, которые превратили бы его в диковинку, но он ничего не мог поделать с теми, кто в его честь называл не только детей, но даже сорта сигар.

Любое значительное научное открытие, подобное открытию Эйнштейна, неизменно привлекает к себе армии скептиков, готовых контратаковать. В данном случае скептиков возглавила The New York Times. Оправившись от первоначального шока – как же, ведь британская пресса первой опубликовала сенсационные новости, – редакторы американской газеты принялись высмеивать британцев за доверчивость – готовность с легкостью принять на веру теории Эйнштейна. Газета писала, что британцев, «кажется, охватила интеллектуальная паника, когда они услышали о фотографическом подтверждении теории Эйнштейна… Они медленно приходят в себя, когда понимают, что солнце по-прежнему встает – видимым образом – на востоке». Особенно задевало нью-йоркских редакторов и подогревало их недоверие то, что очень мало кто, во всем мире, способен был хоть сколько-то разобраться в этой теории. Редакторы причитали и жаловались, что все это граничит с антиамериканизмом и антидемократичностью. Может быть, мир пал жертвой дерзкого шутника?

В научном мире скептиков возглавил профессор Колумбийского университета, специалист по небесной механике Чарльз Лейн Пур. Он попытался придать наукообразие критике, ошибочно заявив: «Предполагаемых астрономических доказательств теории, о которых заявляет Эйнштейн, не существует». Пур сравнил автора теории относительности с героями Льюиса Кэрролла: «Я читал разные статьи по четвертому измерению, теории относительности Эйнштейна и другим психологическим спекуляциям о структуре Вселенной; и после их прочтения я ощущаю себя как сенатор Брэндиджи[17] после торжественного обеда в Вашингтоне. “Я чувствую себя, – сказал он, – как будто бродил с Алисой по Стране чудес и пил чай с Безумным Шляпником”». Инженер Джордж Фрэнсис Джиллетт сердито жаловался, что теория относительности – это «косая физика… совершенно безумная… слабоумное дитя ментальных колик… низшая точка совершенной бессмыслицы… и шаманская чепуха. К 1940 г. теорию относительности будут считать шуткой. Эйнштейн уже мертв и похоронен рядом с Андерсоном, братьями Гримм и Безумным Шляпником». По иронии судьбы, единственная причина, по которой историки до сих пор помнят этих людей, – их бессильные тирады против теории относительности. Отличительная черта настоящей науки – то, что законы физики подтверждаются не победами на популярных конкурсах, не редакционными статьям The New York Times, но только в результате тщательно поставленных экспериментов. Макс Планк однажды сказал, имея в виду беспощадную критику, обрушившуюся на него после выдвижения квантовой теории: «Новая научная истина, как правило, побеждает не потому, что ее оппоненты признают свою неправоту, а потому, что эти оппоненты постепенно вымирают, а молодое поколение знакомится с истиной и принимает ее с самого начала». Сам Эйнштейн однажды заметил: «Великие умы всегда встречают яростное сопротивление посредственностей».

К несчастью, превознесение Эйнштейна в прессе лишь подстегнуло ненависть, ревность и нетерпимость растущей армии его недоброжелателей. Самым известным ненавистником евреев в среде физиков был нобелевский лауреат Филипп Ленард – успешный физик, установивший зависимость энергии электронов от частоты света при фотоэлектрическом эффекте; его результат получил объяснение лишь после появления эйнштейновой теории кванта света – фотона. Милева во время визитов в Гейдельберг даже посещала лекции Ленарда. В обличающих статьях Ленард объявил, что Эйнштейн – «еврейский мошенник», а появление теории относительности «можно было предсказать с самого начала – если бы расовая теория была распространена шире, – поскольку Эйнштейн еврей». Со временем Ленард стал ведущим членом организации, получившей название «Антирелятивистской лиги», нацеленной на изгнание «еврейской физики» из Германии и установление чистоты арийской физики. И он ни в коем случае не был одинок в мире физики. К нему присоединились многие члены германского научного истеблишмента, включая нобелевских лауреатов Йоханнеса Штарка и Ганса Гейгера (изобретателя счетчика Гейгера).

В августе 1920 г. эта одержимая ненавистью толпа клеветников сняла громадный берлинский Филармонический зал специально для того, чтобы разоблачить теорию относительности. Примечательно, что Эйнштейн тоже присутствовал в зале. Он храбро вынес бесконечную череду гневных обличителей, которые в лицо называли его охотником за славой, плагиатором и шарлатаном. В следующем месяце состоялось еще одно подобное столкновение, на этот раз на заседании Общества немецких ученых в Бад-Наухайме. Вход в зал охраняла вооруженная полиция, призванная предотвратить любые демонстрации и насилие. Эйнштейну не давали говорить, его попытки ответить на провокационные вопросы Ленарда заглушались криками и свистом. Новость об этой бурной дискуссии попала в лондонские газеты, и слухи о том, что великого немецкого ученого выживают из Германии, встревожила британцев. Лондонский представитель Министерства иностранных дел Германии сказал, пытаясь погасить эти слухи, что отъезд Эйнштейна стал бы катастрофой для германской науки и что «не следовало бы изгонять такого человека… которого мы можем использовать в эффективной культурной пропаганде».

В апреле 1921 г. Эйнштейн, приглашения которому поступали из всех уголков мира, решил использовать свою славу для продвижения не только теории относительности, но и своих убеждений, в число которых к тому моменту входили пацифизм и сионизм. Он открыл наконец для себя свои еврейские корни[18]. В результате долгих разговоров с другом Куртом Блюменфельдом он начал в полной мере осознавать глубину страданий, которые еврейский народ испытывал сотни лет. Блюменфельд, писал Эйнштейн, «заставил меня ощутить мою еврейскую душу». Лидер сионистов Хаим Вейцман сосредоточился на идее использовать Эйнштейна в качестве магнита для привлечения средств для Еврейского университета в Иерусалиме. Для выполнения этого плана предполагалось отправить Эйнштейна в турне по основным штатам Америки.

Как только судно, на котором прибыл Эйнштейн, вошло в гавань Нью-Йорка, ученого начали осаждать репортеры, жаждущие взглянуть на него хотя бы краешком глаза. Толпы выстраивались вдоль улиц Нью-Йорка, встречая его кортеж, и громко приветствовали ученого, когда он махал им из открытого лимузина. «Как в цирке Барнума!» – сказала Эльза, когда кто-то в толпе бросил ей букет цветов. Эйнштейн задумчиво отозвался: «Дамы Нью-Йорка хотят, чтобы модный стиль менялся каждый год. В этом году в моде теория относительности». Немного помолчав, он добавил: «Может, во мне есть что-то от шарлатана или гипнотизера, что я притягиваю к себе людей, как цирковой клоун?»

Как и ожидалось, Эйнштейн вызвал острый интерес публики и заметно оживил дело сионизма. Доброжелатели, любители диковинок и поклонники еврейства до предела заполняли любую аудиторию, где он выступал. Восьмитысячная толпа втиснулась в арсенал 69-го полка на Манхэттене, а еще три тысячи пришлось завернуть на входе, где они с нетерпением ожидали появления гения. Одним из основных событий турне стал прием в честь Эйнштейна в Городском колледже Нью-Йорка. Исидор Исаак Раби, позже удостоенный Нобелевской премии, подробно записывал лекцию заезжей знаменитости и вслух удивлялся тому, что Эйнштейн, в отличие от других физиков, обладал мощной харизмой и нравился толпе. (Фотография студентов Городского колледжа, столпившихся вокруг Эйнштейна, до сих пор висит в кабинете председателя этого учебного заведения.)

После отъезда из Нью-Йорка турне Эйнштейна по США очень напоминало разъездную агитационную кампанию какого-нибудь политика, проходящую через несколько крупных городов. В Кливленде Эйнштейна окружила трехтысячная толпа. Ему удалось избежать возможных серьезных увечий только благодаря напряженным усилиям группы евреев – ветеранов войны, которые сдерживали людей в их безумном стремлении увидеть его. В Вашингтоне он встретился с президентом США Уорреном Гардингом. К несчастью, толком пообщаться они не смогли, поскольку Эйнштейн не говорил по-английски, а Гардинг не владел ни немецким, ни французским. (В целом ураганное турне Эйнштейна принесло организаторам почти миллион долларов, причем 250 000 из них было собрано на одном только обеде в отеле Waldorf Astoria, где Эйнштейн выступил перед восемью тысячами врачей-евреев.)

Путешествие Эйнштейна в Америку не только познакомило миллионы американцев с загадкой пространства и времени, но и дополнительно укрепило глубокую и искреннюю приверженность ученого еврейскому делу. Сам он вырос в европейской семье, принадлежавшей к среднему классу, всегда жил в достатке и не сталкивался непосредственно со страданиями несчастных евреев по всему миру. «Впервые в жизни, – замечает он, – я видел евреев в таком количестве. Только попав в Америку, я открыл для себя еврейский народ. Я и прежде встречал евреев, и немало, но ни в Берлине, ни вообще в Германии не встречал еврейского народа. Еврейский народ, который я видел в Америке, прибыл туда из России, из Польши или просто откуда-то из Восточной Европы».

После Соединенных Штатов Эйнштейн поехал в Англию, где встретился с архиепископом Кентерберийским. К облегчению духовенства, ученый заверил предстоятеля англиканской церкви, что теория относительности не подрывает человеческой морали и религиозности. Эйнштейн обедал у Ротшильдов и встречался с великим физиком лордом Рэлеем[19], который сказал ему: «Если ваши теории обоснованны, то, насколько я понимаю… события, скажем, норманнского завоевания, еще не произошли». Когда Эйнштейна представили лорду Холдейну и его дочери, та при виде его лишилась чувств. Позже Эйнштейн отдал дань уважения Исааку Ньютону, посетив его могилу в самой почитаемой усыпальнице Англии – Вестминстерском аббатстве – и возложив венок.

В марте 1922 г. Эйнштейн получил приглашение выступить в Коллеж де Франс, где на него набросилась парижская пресса и собирались громадные толпы. Один журналист заметил: «Он вошел в большую моду. Академики, политики, художники, полицейские, таксисты и уличные воришки знают, где и когда Эйнштейн читает лекции. Весь Париж знает про Эйнштейна все, а рассказывает больше, чем знает». Поездку Эйнштейна сопровождали противоречия: некоторые ученые, не оправившиеся от ран Первой мировой войны, бойкотировали его выступления, оправдываясь тем, что не могут туда пойти, поскольку Германия не является членом Лиги Наций. (В ответ одна парижская газета саркастически заметила: «Если бы какой-нибудь немец открыл лекарство от рака или туберкулеза, стали бы эти тридцать академиков дожидаться, пока Германия вступит в Лигу Наций, прежде чем им воспользоваться?»)

Возвращение Эйнштейна в Германию, однако, было омрачено политической нестабильностью послевоенного Берлина, который превратился в арену многочисленных политических убийств. В 1919 г. были убиты лидеры социалистов Роза Люксембург и Карл Либкнехт. В апреле 1922 г. Вальтер Ратенау – еврей-физик и коллега Эйнштейна, поднявшийся до поста министра иностранных дел Германии, был застрелен из автоматов, когда ехал в своей машине. Несколькими днями позже еще один видный еврей – Максимилиан Гарден – был серьезно ранен в результате покушения.

После убийства Ратенау был объявлен день национального траура, когда из уважения к покойному были закрыты театры, школы и университеты. Миллион человек собрался у здания Парламента, где проводилась погребальная служба; люди стояли молча. Однако Филипп Ленард отказался отменить свои занятия в Институте физики в Гейдельберге. (До этого он даже пытался оправдать убийство Ратенау. В день национального траура группа рабочих пыталась убедить Ленарда отменить занятия, но просителей облили водой со второго этажа дома. Тогда рабочие ворвались в институт и выволокли Ленарда на улицу. Они уже собирались бросить его в реку, когда вмешалась полиция.)

В том же году в Берлине молодой немец Рудольф Лейбус был обвинен в том, что предложил вознаграждение за убийство Эйнштейна и других интеллектуалов, заявив, что «застрелить этих лидеров пацифистского чувства – патриотический долг». Суд признал его виновным, но всего лишь оштрафовал на сумму, эквивалентную $16. (Эйнштейн серьезно воспринял эти угрозы как со стороны антисемитов, так и со стороны психически больных. Одна неуравновешенная русская иммигрантка Евгения Диксон написала Эйнштейну серию угрожающих писем, в которых клеймила его как самозванца, притворяющегося настоящим Эйнштейном; однажды она ворвалась в его дом и попыталась убить его. Но ей не удалось добраться до Эйнштейна: Эльза сумела перехватить сумасшедшую в дверях, обезвредить и вызвать полицию.)

Эйнштейн, видя опасную волну антисемитизма, воспользовался возможностью и отправился в новое мировое турне, на этот раз на Восток. Философ и математик Бертран Рассел в то время ездил с лекциями по Японии, и принимавшие хозяева попросили его назвать несколько самых известных людей современности, которые тоже могли бы выступить в Японии. Он сразу назвал Ленина и Эйнштейна. Поскольку Ленин, разумеется, был недоступен, приглашение было направлено Эйнштейну. Тот ответил согласием и в январе 1923 г. начал свою одиссею. «Жизнь – как езда на велосипеде. Чтобы удерживать равновесие, необходимо двигаться», – написал он.

По дороге в Японию и Китай Эйнштейн получил давно запоздавшее, по мнению многих, известие из Стокгольма. В телеграмме сообщалось, что ему присуждена Нобелевская премия по физике, но не за теорию относительности – его высшее достижение, – а за объяснение фотоэффекта. На следующий год, произнося с некоторым опозданием свою нобелевскую речь, Эйнштейн вновь, как это часто бывало, шокировал слушателей. Даже не упомянув (как все ожидали) в своей речи фотоэлектрический эффект, он говорил только о теории относительности.

Почему Эйнштейну, несомненно, самой заметной и выдающейся фигуре физической науки, так долго не присуждали Нобелевскую премию? Как ни смешно, его кандидатура отвергалась Нобелевским комитетом восемь раз, с 1910 по 1921 г. За это время было проведено множество экспериментов, подтвердивших верность теории относительности. Свен Гедин, член Нобелевского комитета по выдвижению на премию, позже признался, что проблема была в Ленарде, который имел в то время огромное влияние на остальных членов комитета, включая и Гедина. Лауреат Нобелевской премии по физике Роберт Милликен также вспоминал, что Нобелевский комитет по выдвижению, будучи не в состоянии прийти к согласию по вопросу теории относительности, в конце концов дал одному из своих членов поручение оценить эту теорию. «Он тратил все свое время на изучение теории относительности Эйнштейна, но не мог ее понять. Мы не смели присудить премию, опасаясь ошибочности теории относительности».

Как и обещал, Эйнштейн отослал всю сумму Нобелевской премии ($32 000 по курсу 1923 г.) Милеве в счет денег, полагавшихся ей при разводе. Она использовала эти деньги на покупку трех многоквартирных домов в Цюрихе.

В 1920–1930 гг. слава Эйнштейна гремела по всему миру[20]. Газеты добивались от него интервью, его лицо улыбалось с новостных экранов, его заваливали приглашениями выступить, а журналисты готовы были, не моргнув глазом, напечатать любой, даже самый тривиальный факт его биографии. Эйнштейн шутя сравнивал себя с царем Мидасом, только все, к чему прикасался он, превращалось в газетные заголовки. В 1930 г. студенты Нью-Йоркского университета в качестве самой популярной фигуры в мире первым назвали Чарльза Линдберга[21], а вторым – Альберта Эйнштейна, оставив за бортом всех голливудских кинозвезд. Везде, где бы ни появлялся Эйнштейн, одно его присутствие в мгновение ока собирало громадные толпы. Так, 4000 человек устроили едва ли не мятеж, пытаясь раскритиковать фильм, объясняющий теорию относительности, в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке. Группа промышленников даже спонсировала строительство в Потсдаме Башни Эйнштейна – весьма футуристической солнечной обсерватории с вертикальным телескопом высотой около 17 м; строительство было завершено в 1924 г. Эйнштейн пользовался таким спросом у художников и фотографов, мечтавших запечатлеть облик гения, что иногда писал про свою работу: «натурщик».

На этот раз, однако, он не стал повторять собственную ошибку, которую совершил с Милевой, – не пренебрегал женой во время мировых турне. К удовольствию Эльзы, он брал ее с собой на встречи со знаменитостями, членами королевских семей, власть имущими. Эльза, в свою очередь, обожала мужа и буквально купалась в его всемирной славе. Она была «нежной, теплой, по-матерински опекающей, типично буржуазной, [и] обожала заботиться о своем Альбертике».

В 1930 г. Эйнштейн совершил второе триумфальное турне по Соединенным Штатам. Во время посещения Сан-Диего известный юморист Уилл Роджерс заметил: «Он ел с каждым, разговаривал с каждым, позировал каждому, у кого еще оставалась пленка, посещал каждый завтрак, каждый обед, каждую кинопремьеру, каждую свадьбу и две трети разводов. В общем, он показал себя таким хорошим парнем, что ни у кого не хватало духу спросить, в чем же состоит его теория». Он посетил Калифорнийский технологический институт и обсерваторию Маунт-Вилсон, встретился с астрономом Эдвином Хабблом, которому удалось проверить некоторые теории Эйнштейна об устройстве Вселенной. Кроме того, он побывал в Голливуде и получил блестящий прием, достойный суперзвезды. В 1931 г. он и Эльза посетили мировую премьеру фильма Чарли Чаплина «Огни большого города». Толпы людей стремились увидеть хотя бы мельком знаменитого на весь мир ученого в окружении голливудского высшего общества. На премьере, когда аудитория громко приветствовала Чаплина и Эйнштейна, Чаплин заметил: «Люди аплодируют мне потому, что меня понимает каждый, а вам – потому, что вас не понимает никто». Эйнштейн, пораженный накалом чувств, которые способны возбуждать знаменитости, спросил, что все это значит. Чаплин мудро ответил: «Ничего». (Оказавшись в Нью-Йорке в знаменитой Риверсайдской церкви, Эйнштейн увидел свое изображение на витражном окне, рядом с великими философами, вождями и учеными мира. Он не смог не пошутить: «Я мог бы представить, что из меня сделают еврейского святого, но никогда бы не подумал, что стану протестантским святым!»)

Помимо непосредственно физики, у Эйнштейна часто спрашивали мнение по философским и религиозным вопросам. Его встреча в 1930 г. с другим нобелевским лауреатом, индийским мистиком Рабиндранатом Тагором привлекла значительное внимание прессы. Они составили замечательную пару – Эйнштейн с непослушной белой шевелюрой и Тагор с длинной белой бородой. Один журналист заметил: «Было интересно увидеть их вместе – Тагора, поэта с головой мыслителя, и Эйнштейна, мыслителя с головой поэта. Со стороны казалось, что это две планеты сошлись в разговоре». Еще ребенком, прочитав Канта, Эйнштейн начал сомневаться в традиционной философии, которая, как он считал, давно выродилась в напыщенный, но по сути своей упрощенческий балаган. Он писал: «Разве вся философия не написана как будто медом? Выглядит замечательно, пока рассматриваешь, но стоит вглядеться второй раз – и ничего уже нет. Остается каша какая-то». Тагор и Эйнштейн разошлись во мнениях по вопросу о том, может ли мир существовать независимо от существования человека. Если Тагор, как мистик, верил, что человеческое существование принципиально важно для реальности, то Эйнштейн отвечал на это: «Мир, рассматриваемый в физическом аспекте, существует независимо от человеческого сознания». Тем не менее, несмотря на расхождения по вопросу физической реальности, у них обнаружилось немало общего в вопросах религии и морали. В области этики Эйнштейн был убежден, что источником морали является человечество, а не Бог. «Мораль имеет величайшее значение – но для нас, не для Бога, – писал Эйнштейн. – Я не верю в бессмертие личности и считаю этику исключительно человеческим делом, без всякой сверхчеловеческой власти за ней».

Несмотря на скепсис в отношении традиционной философии, Эйнштейн питал глубочайшее уважение к тайнам религии, особенно к природе бытия. Он писал: «Наука без религии хрома, религия без науки слепа». Кроме того, он считал источником всякой науки благоговение перед тайной: «Все тонкие рассуждения в царстве науки проистекают из глубокого религиозного чувства». Эйнштейн писал: «Самый красивый и глубокий опыт, который может получить человек, – это ощущение загадочного. Это базовый принцип религии, а также любых серьезных начинаний в искусстве и науке». И в заключение: «Если во мне есть что-то, что можно назвать религиозностью, то это безграничное восхищение устройством мира, насколько наука в состоянии его постичь». Самое, возможно, элегантное и недвусмысленное высказывание Эйнштейна о религии относится к 1929 г.: «Я не атеист, и я не думаю, что могу назвать себя пантеистом. Мы находимся в положении дитя, вступающего в огромную библиотеку, заполненную книгами на многих языках. Ребенок знает, что кто-то должен был написать эти книги. Он не знает как. Он не понимает языков, на которых они написаны. Дитя смутно подозревает, что в расстановке книг есть какой-то загадочный порядок, но не знает, какой именно. Таково, мне кажется, отношение даже самого умного человеческого существа к Богу. Мы видим, что Вселенная чудесно организована и подчиняется определенным законам, но лишь смутно понимаем, что это за законы. Наш ограниченный ум не в состоянии охватить ту загадочную силу, что движет созвездиями. Я очарован пантеизмом Спинозы, но еще более восхищаюсь его вкладом в современную мысль, поскольку он первым из философов начал рассматривать душу и тело в единстве, а не как отдельные сущности».

Эйнштейн нередко указывал на различие между двумя проявлениями Бога, которые часто путают в спорах о религии. С одной стороны – это персональный Бог, тот Бог, который отвечает на молитвы, раздвигает воды и совершает чудеса. Это библейский Бог, Бог вмешательства. С другой стороны – Бог, в которого верил Эйнштейн, – Бог Спинозы, тот Бог, что создал простые и элегантные законы, управляющие Вселенной.

Даже находясь в самом центре медийного тайфуна, Эйнштейн чудесным образом никогда не терял сосредоточенности и направлял свои усилия на постижение этих законов Вселенной. Во время трансатлантических путешествий или долгих железнодорожных переездов ему хватало дисциплины, чтобы отвлечься от внешних раздражителей и сосредоточиться на работе. В этот период Эйнштейна больше всего поражала способность его уравнений разрешать, ни много ни мало, устройство самой Вселенной.

Глава 6

Большой взрыв и черные дыры

Было ли у Вселенной начало? Будет ли у нее конец? Есть ли у Вселенной пределы? Задумавшись о том, что может его теория рассказать о космосе, Эйнштейн, как до него Ньютон, столкнулся с теми же вопросами, которые не одну сотню лет волновали физиков.

В 1692 г., через 5 лет после завершения работы над «Математическими началами натуральной философии», Ньютон получил письмо от пастора Ричарда Бентли, очень его встревожившее. Бентли указывал, что если гравитация может только притягивать, но не отталкивать, то любая группа звезд схлопнется в конечном итоге. Это простое, но убедительное наблюдение озадачивало, поскольку Вселенная казалась достаточно стабильной, и тем не менее универсальная гравитация Ньютона должна была рано или поздно привести к коллапсу всю Вселенную! Бентли выделил ключевую проблему, стоящую перед любой космологической системой, в которой гравитация – это сила притяжения: конечная Вселенная должна обязательно быть нестабильной и динамичной.

Обдумав этот тревожный вопрос, Ньютон написал Бентли ответное письмо, в котором утверждал, что Вселенная, чтобы избежать коллапса, должна состоять из бесконечного однородного набора звезд. В таком случае каждая звезда испытывает равное притяжение во всех направлениях, поэтому Вселенная может быть стабильной, даже если гравитация является исключительно силой притяжения. Ньютон писал: «Если бы вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству, то оно никогда не смогло бы собраться в единую массу… а именно так могли сформироваться Солнце и неподвижные звезды».

Но если принять такой постулат, возникала другая, еще более глубокая задача, известная как «парадокс Ольберса», или фотометрический парадокс. По существу, это очень простой вопрос: «Почему ночью небо темное?» Если Вселенная в самом деле бесконечна, статична и однородна, то, куда бы мы ни посмотрели, наш взгляд должен был бы видеть в этой точке звезду. Таким образом, в наши глаза со всех направлений должно было бы приходить бесконечное количество звездного света и ночное небо было бы ярким, а не темным. Получается, что, если Вселенная однородна и конечна, она должна схлопнуться, а если бесконечна, то небеса в любое время суток должны гореть огнем!

Через двести с лишним лет после Ньютона Эйнштейн столкнулся с теми же проблемами, но в завуалированной форме. В 1915 г. Вселенная представлялась довольно уютным местом и состояла, как считалось, из одной-единственной статичной галактики под названием Млечный Путь. Эта светлая полоса через все небо содержит миллиарды звезд. Однако Эйнштейн, начав решать свои уравнения, обнаружил кое-что неожиданное и тревожное, когда представил звезды и пылевые облака в виде однородного газа, заполняющего Вселенную. К ужасу своему, он увидел, что такая Вселенная динамична и предпочитает расширяться или сжиматься, но никогда не бывает стабильной. Более того, очень скоро он обнаружил, что тонет в трясине космологических вопросов, столетиями ставивших в тупик философов и физиков, подобных Ньютону. Конечная Вселенная не может оставаться стабильной под действием гравитации.

Столкнувшись, как до него Ньютон, с динамической – сжимающейся или расширяющейся – Вселенной, Эйнштейн пока не был готов отказаться от господствующей картины вечной статичной Вселенной. Эйнштейн-революционер был еще недостаточно революционен, чтобы принять тот факт, что Вселенная расширяется или же имеет начало. Он предложил достаточно слабое решение. В 1917 г. ввел в свои уравнения своеобразный «подгоночный член» – «космологическую константу». Этот коэффициент постулировал существование отталкивающей антигравитации, уравновешивающей силу гравитационного притяжения. Так одним росчерком пера Эйнштейн сделал Вселенную статичной.

Чтобы такой фокус стал возможным, он предположил, что общая ковариантность – ведущий математический принцип, лежащий в основе общей теории относительности, – допускает существование двух возможных общековариантных объектов: кривизны Риччи (которая образует фундамент общей теории относительности) и объема пространства-времени. Именно поэтому в его уравнения можно было добавить второй член, не нарушающий общей ковариантности и пропорциональный объему Вселенной. Иными словами, космологическая константа приписывала энергию пустому пространству. Эта антигравитационная составляющая, известная сегодня как темная энергия, представляет собой энергию чистого вакуума. Она способна расталкивать галактики или стягивать их воедино. Величину космологической константы Эйнштейн подобрал такую, чтобы она в точности компенсировала сжатие, вызванное гравитацией так, чтобы Вселенная в целом стала статичной. Ему это не нравилось, поскольку попахивало математическим надувательством, но выбора, если он хотел сохранить статическую Вселенную, у него не было. (Прошло еще 80 лет, прежде чем астрономы обнаружили наконец свидетельства существования космологической константы; в настоящее время она считается основным источником энергии во Вселенной.)

В последующие годы, когда ученые начали находить другие решения уравнений Эйнштейна, загадка лишь усложнилась. В 1917 г. голландский физик Виллем де Ситтер заметил, что уравнения Эйнштейна обладают одним странным свойством: Вселенная, вообще лишенная всякого вещества, расширяется! Все, что было для этого необходимо, – космологическая константа – энергия вакуума, которая, собственно, и должна была обеспечивать существование такой Вселенной. Это встревожило Эйнштейна – ведь он, как Мах до него, все еще верил, что природа пространства-времени должна определяться вещественным содержанием Вселенной. Но здесь фигурировала Вселенная, которая расширялась вообще без всякого вещества, и для этого ей достаточно было одной только темной энергии.

Последние радикальные шаги в этом направлении сделали советский математик Александр Фридман в 1922 г. и бельгийский священник Жорж Леметр в 1927 г.; они показали, что расширяющаяся Вселенная получается из уравнений Эйнштейна естественным образом. Фридман получил решение уравнений Эйнштейна, начинавшееся с гомогенной изотропной Вселенной, радиус которой то увеличивается, то уменьшается. (К несчастью, Фридман умер в 1925 г. в Ленинграде от тифа, не успев завершить работу.) В картине Фридмана – Леметра в зависимости от начальной плотности Вселенной существуют три возможных решения. Если плотность Вселенной больше определенной критической величины, то ее расширение со временем будет остановлено гравитацией, и Вселенная начнет сжиматься. (Критическая плотность примерно соответствует десяти атомам водорода на кубический метр.) В такой Вселенной общая кривизна положительна (напомним, что положительную кривизну имеет, к примеру, сфера). Если плотность меньше критической величины, то силы гравитации окажется недостаточно, чтобы остановить расширение Вселенной, и она будет расширяться до бесконечности. (В конце концов, Вселенная остынет почти до абсолютного нуля; это явление известно как «большое замерзание».) Кривизна такой Вселенной отрицательна (отрицательную кривизну имеют, к примеру, седловидная поверхность или рожок). Наконец, существует возможность того, что плотность Вселенной окажется в точности равна критической (при этом она тоже будет бесконечно расширяться). В этой Вселенной кривизна равна нулю, то есть она плоская. Получается, что судьбу Вселенной, в принципе, можно определить, просто измерив ее среднюю плотность.

Новые решения сбивали с толку, поскольку теперь в наличии имелось по крайней мере три космологические модели, описывающие развитие Вселенной (Эйнштейна, де Ситтера и Фридмана – Леметра). Вопрос пребывал в подвешенном состоянии до 1929 г., пока его не разрешил астроном Эдвин Хаббл, чем потряс основы астрономии. Он первым начал разрушать теорию Вселенной с одной-единственной Галактикой, продемонстрировав существование других галактик далеко за пределами Млечного Пути[22]. Вселенная, вместо уютного сообщества из сотни миллиардов звезд, собранных в одну Галактику, теперь содержала миллиарды галактик с миллиардами звезд в каждой. Всего за один год «население» Вселенной испытало поистине взрывной рост. Хаббл обнаружил, что потенциально во Вселенной существуют миллиарды иных галактик, из которых ближайшей к нам является галактика в созвездии Андромеды на расстоянии около 2 млн световых лет от Земли. (Надо сказать, что слово «галактика» происходит от греческого слова «молоко»; греки считали, что Млечный Путь – это молоко, пролитое богами на ночное небо.)

Одного этого шокирующего заявления было бы достаточно, чтобы обеспечить Хабблу славу одного из гигантов астрономии. Но Хаббл пошел еще дальше. В 1928 г. он совершил судьбоносную поездку в Голландию и встретился там с де Ситтером, который утверждал, что общая теория относительности Эйнштейна предсказывает расширяющуюся Вселенную с очень простым соотношением между расстоянием и красным смещением. Чем дальше галактика находится от нас, тем быстрее она должна удаляться. (Это красное смещение не следует путать с гравитационным красным смещением, которое рассматривал Эйнштейн в 1915 г. Красное смещение в спектре галактик возникает из-за того, что галактики удаляются от Земли в расширяющейся Вселенной. Если желтая звезда, к примеру, движется от нас прочь, то скорость ее света остается постоянной, а вот длина волны этого света «растягивается», так что цвет звезды слегка краснеет. Аналогично, если желтая звезда приближается к Земле, длина волны ее света сжимается, как меха аккордеона, а ее цвет смещается в сторону синего.)

Вернувшись в обсерваторию Маунт-Вилсон, Хаббл начал систематическое определение красного смещения различных галактик, проверяя, существует ли такая корреляция. Ему было известно, что еще в 1912 г. Весто Мелвин Слайфер показал: некоторые отдаленные туманности удаляются от Земли, демонстрируя красное смещение. Хаббл теперь систематически рассчитывал красное смещение далеких галактик и в результате обнаружил, что эти галактики тоже удаляются от Земли – иными словами, что Вселенная расширяется с фантастической скоростью. Затем он обнаружил, что его данные укладываются в гипотезу де Ситтера. Сегодня это называется «законом Хаббла»: чем быстрее галактика удаляется от Земли, тем дальше она находится (и наоборот).

Построив график зависимости между расстояниями до галактик и их скоростями, Хаббл увидел почти прямую линию, предсказанную общей теорией относительности; наклон этой прямой сегодня называется постоянной Хаббла. Хабблу, в свою очередь, было любопытно, как его результаты согласуются с результатами Эйнштейна. (К несчастью, в модели Эйнштейна было вещество, но не было движения, а во вселенной де Ситтера было движение, но не было вещества. Тем не менее его результаты хорошо совпадали с результатами Фридмана и Леметра, у которых присутствовали и вещество, и движение.) В 1930 г. Эйнштейн совершил паломничество в обсерваторию Маунт-Вилсон, где впервые встретился с Хабблом. (Когда тамошние астрономы гордо продемонстрировали ему огромный 2,5-метровый телескоп, крупнейший на тот момент в мире, на Эльзу это не произвело особого впечатления. Она сказала: «Мой муж делает то же самое на обороте старого конверта».) Хаббл рассказал о результатах, полученных скрупулезнейшим анализом десятков галактик, каждая из которых удаляется от Млечного Пути; Эйнштейн в ответ признал, что космологическая константа – величайшая ошибка его жизни. Космологическая константа, введенная Эйнштейном, чтобы искусственно сделать Вселенную статичной, стала лишней. Оказалось, что Вселенная все же расширяется, что он и выяснил 10 лет назад.

Более того, уравнения Эйнштейна давали самый, может быть, простой вывод закона Хаббла. Представим, что Вселенная – это шарик, который надувается и, соответственно, расширяется, а галактики представлены крохотными точками на поверхности шарика. Муравью, сидящему на любой из таких точек, кажется, что все остальные точки движутся от него прочь. Точно так же чем дальше точка находится от муравья, тем быстрее она от него удаляется, как в законе Хаббла. Таким образом, уравнения Эйнштейна позволили по-новому посмотреть на такие древние вопросы, как есть ли у Вселенной граница? Если Вселенная заканчивается стеной, то можно задать вопрос: что находится за стеной? Колумб мог бы на него ответить, рассматривая форму Земли. В трех измерениях Земля конечна (будучи всего лишь шаром, плавающим в пространстве), но в двух измерениях она представляется бесконечной (если раз за разом обходить ее по окружности), так что человек, шагающий по поверхности Земли, никогда не найдет ее конца. Таким образом, Земля одновременно конечна и бесконечна, в зависимости от того, в каких измерениях вы ее рассматриваете. Точно так же можно сказать, что Вселенная бесконечна в трех измерениях. В пространстве не существует кирпичной стены, обозначающей конец Вселенной; ракета, отправленная в космос, никогда не столкнется с космической стеной. Однако Вселенная вполне могла бы оказаться конечной в четырех измерениях. (Если бы она представляла собой четырехмерный шар, или гиперсферу, то теоретически можно было бы полностью обогнуть Вселенную и вернуться туда, откуда пустился в путь. В такой Вселенной самая далекая точка, которую можно увидеть в телескоп, – это собственный затылок.)

Если Вселенная расширяется с определенной скоростью, то по скорости расширения можно приблизительно вычислить момент времени, когда это расширение началось. Иными словами, Вселенная не просто имеет начало, но можно вычислить даже ее возраст. (В 2003 г. спутниковые данные показывали возраст Вселенной 13,7 млрд лет.) В 1931 г. Леметр постулировал определенный сценарий происхождения Вселенной – сверхгорячее рождение. Дело в том, что если взять уравнения Эйнштейна и довести их до логического конца (или, если угодно, начала), то они укажут, что рождение Вселенной связано с катаклизмом.

В 1949 г. космолог Фред Хойл в ходе дискуссии на радио BBC окрестил теорию Леметра теорией Большого взрыва. Поскольку сам он продвигал другую теорию, возникла легенда, что название «Большой взрыв» (точнее, «Большой бабах» – Big Bang) подразумевалось как обидное, хотя сам Хойл позже отрицал эту версию. Однако следует отметить, что в любом случае этот термин совершенно не подходит к случаю. Событие было отнюдь не большим, да и бабаха никакого не было. Вселенная началась как бесконечно малая «сингулярность». А никакого бабаха или взрыва в традиционном смысле не было, поскольку звезды расталкивает расширение самого пространства.

Общая теория относительности Эйнштейна ввела в обиход не только совершенно неожиданные понятия, такие как расширяющаяся Вселенная и Большой взрыв, но и еще одно, которое с тех пор и до настоящего момента интригует астрономов, – «черные дыры». В 1916 г., всего через год после публикации общей теории относительности, Эйнштейн с изумлением получил известие о том, что физик Карл Шварцшильд нашел точное решение его уравнений для случая одиночной точечной звезды. Ранее Эйнштейн использовал уравнения общей теории относительности только в приближенном выражении, настолько они были сложны. Шварцшильд порадовал Эйнштейна, отыскав точное решение без каких бы то ни было приближений. Сам Шварцшильд, будучи директором Астрофизической обсерватории в Потсдаме, добровольно вызвался служить Германии на русском фронте. Замечательно, но даже под артиллерийским обстрелом он умудрялся заниматься физикой. Он не только рассчитал траекторию артиллерийских снарядов для немецкой армии, но и нашел элегантное точное решение уравнений Эйнштейна. Сегодня это решение называют «решением Шварцшильда». (К несчастью, он мало прожил и не успел насладиться славой, которую принесло ему это решение. Шварцшильд, одна из ярчайших звезд новой области физики, умер в возрасте 42 лет, всего через несколько месяцев после публикации статей, от редкой кожной болезни, которую он подхватил на русском фронте; его смерть стала серьезной потерей для науки. Эйнштейн написал прочувствованный некролог по Шварцшильду, смерть которого лишь укрепила его ненависть к бессмысленным потерям войны.)

Решение Шварцшильда, которое произвело в научных кругах настоящую сенсацию, имело к тому же довольно странные следствия. Шварцшильд обнаружил, что в ближайшей окрестности этой точечной звезды гравитация настолько интенсивна, что даже свет не может от нее убежать, то есть звезда становится невидимой! Вообще, это был трудный вопрос не только для эйнштейновой теории гравитации, но и для теории Ньютона. Еще в 1783 г. Джон Мичелл, священник из деревни Торнхилл в Англии, задумался о том, может ли звезда стать настолько массивной, чтобы даже свет не мог от нее убежать. Его расчеты, опиравшиеся исключительно на законы Ньютона, доверия не вызывали, поскольку никто не знал в точности, чему равняется скорость света, но его выводы трудно было оставить без внимания. В принципе было ясно, что звезда может стать настолько массивной, что ее свет отклонится от прямой и будет двигаться по орбите. Тринадцатью годами позже математик Пьер-Симон Лаплас в знаменитой книге «Изложение системы мира» тоже рассмотрел вопрос возможного существования подобных «темных звезд» (однако счел, вероятно, свои рассуждения дикими и исключил соответствующий раздел из третьего издания). Несколько столетий спустя вопрос темных звезд вновь вышел на авансцену, на этот раз благодаря Шварцшильду. Он обнаружил, что вокруг таких звезд существует «волшебная сфера», известная в настоящее время как «горизонт событий», на которой происходят умопомрачительные искажения пространства-времени. Шварцшильд продемонстрировал, что всякий, кому не повезет оказаться внутри этого горизонта событий, никогда уже не сможет вернуться обратно. (Чтобы выйти за пределы этой сферы, нужно двигаться быстрее скорости света, что невозможно.) Ничто не может выйти за пределы горизонта событий, в том числе и луч света. Свет, излучаемый этой точечной звездой, будет вечно летать вокруг нее. Снаружи такая звезда будет выглядеть окутанной тьмой.

Воспользовавшись решением Шварцшильда, можно рассчитать, насколько нужно сжать обычное вещество, чтобы достичь этой волшебной сферы, то есть так называемого радиуса Шварцшильда, на котором должен произойти полный коллапс звезды. Для Солнца, к примеру, радиус Шварцшильда составляет 3 км. Для Земли он меньше сантиметра. (Поскольку в 1910-е гг. такая степень сжатия не поддавалась физическому осмыслению, физики решили, что никто и никогда не встретит во Вселенной подобный фантастический объект.) Но чем больше Эйнштейн изучал свойства таких звезд, которые позже физик Джон Уилер окрестил черными дырами, тем более странными они представлялись. Так, если вы будете падать на черную дыру, прохождение горизонта событий займет всего лишь долю секунды. Пролетая сквозь него, вы увидите свет, захваченный и обращающийся вокруг черной дыры может быть целые эпохи – а возможно, уже миллиарды лет. Последняя миллисекунда падения будет для вас не особенно приятной. В этот момент на вас подействуют настолько мощные гравитационные силы, что атомы вашего тела будут попросту раздавлены. Смерть станет неизбежной и ужасной. Но наблюдатели, разглядывающие эту космическую смерть с безопасного расстояния, увидят совершенно иную картину. Свет, излученный или отраженный вашим телом, растянется под действием гравитации, и снаружи покажется, что вы как бы застыли во времени. Для всей остальной Вселенной вы будете недвижно висеть над черной дырой, вечно.

Эти звезды, надо сказать, выглядели настолько фантастично, что большинство физиков было уверено, что такие объекты невозможно обнаружить во Вселенной. Эддингтон, к примеру, сказал: «Должен существовать какой-то закон природы, который не давал бы звезде вести себя подобным абсурдным образом». В 1939 г. Эйнштейн попытался математически показать, что черная дыра невозможна. Он начал с изучения процесса формирования звезды, то есть с рассмотрения набора частиц, циркулирующих в пространстве и постепенно стягиваемых в одно место силой взаимного притяжения. Расчеты Эйнштейна показали, что обращающиеся вокруг общего центра частицы будут постепенно сближаться, но в конечном итоге остановятся на 1,5 радиусах Шварцшильда; следовательно, черная дыра не сможет сформироваться.

Расчет казался безупречным, но Эйнштейн, очевидно, упустил из виду возможность схлопывания вещества в самой звезде, вызванного сжимающим действием гравитационных сил, превосходящих все действующие в веществе ядерные силы. Такой более детализированный расчет опубликовали в 1939 г. Роберт Оппенгеймер и его ученик Хартланд Снайдер. Начали они не с набора частиц, обращающихся вокруг общего центра, а со статичной звезды, достаточно большой, чтобы ее мощная гравитация могла преодолеть действующие внутри звезды квантовые силы. Нейтронная звезда представляет собой большой шар размером с Манхэттен (примерно 30 км в поперечнике), состоящий из нейтронов, – этакое своеобразное гигантское ядро. От коллапса этот нейтронный шар удерживает сила Ферми, которая не позволяет более чем одной частице с определенными квантовыми числами (например, спином) находиться в одинаковом состоянии. Если гравитационная сила достаточно велика, она может преодолеть силу Ферми и таким образом сжать звезду до радиуса Шварцшильда и больше; науке неизвестны силы, которые могли бы при этом предотвратить полный коллапс. Однако должно было пройти еще около 30 лет, прежде чем нейтронные звезды и черные дыры были обнаружены, поэтому статьи о потрясающих свойствах черных дыр долгое время считались совершенно умозрительными.

Эйнштейн по-прежнему скептически относился к черным дырам, но был убежден, что рано или поздно сбудется другое его предсказание: будут открыты гравитационные волны. Как мы уже видели, одним из триумфальных достижений уравнений Максвелла было предсказание того факта, что электрическое и магнитное поля образуют движущуюся волну, доступную наблюдению. Аналогично, размышлял Эйнштейн, не допускают ли его уравнения существование гравитационных волн? В ньютоновом мире гравитационных волн быть не может, поскольку сила тяготения действует мгновенно по всей Вселенной, затрагивая все объекты одновременно. Но в общей теории относительности гравитационные волны в определенном смысле должны существовать, поскольку колебания гравитационного поля не могут распространяться быстрее, чем со скоростью света. Таким образом, к примеру, катаклизм, такой как столкновение двух черных дыр, породит ударную волну гравитации – гравитационную волну, распространяющуюся со скоростью света.

Еще в 1916 г. Эйнштейн сумел показать, что в некотором приближении его уравнения действительно показывают волнообразные движения гравитации. Эти волны, как и ожидалось, распространялись по ткани пространства-времени со скоростью света. В 1937 г. Эйнштейну и его студенту Натану Розену удалось найти точное решение уравнений, выдающее (уже без всякого приближения) гравитационные волны. Эти волны стали уверенным предсказанием общей теории относительности. Однако сам Эйнштейн не надеялся когда-либо увидеть это явление. Расчеты показывали, что оно лежало далеко за пределами экспериментальных возможностей ученых того времени. Должно было пройти почти 80 лет с того момента, когда Эйнштейн впервые обнаружил гравитационные волны в своих уравнениях, прежде чем Нобелевская премия досталась физикам, получившим первые косвенные свидетельства их существования. Не исключено, что гравитационные волны будут зарегистрированы лет через девяносто после его первого предсказания. В свою очередь, они вполне могут оказаться средством, при помощи которого можно будет разобраться в Большом взрыве и найти единую теорию поля.

В 1936 г. чешский инженер Руди Мандль предложил Эйнштейну еще одну идею, связанную со странными свойствами пространства и времени. Нельзя ли, спросил он, использовать гравитацию какой-нибудь близкой звезды в качестве линзы для усиления света далеких звезд, точно так же, как стеклянная линза используется для усиления света? В свое время, в 1912 г., Эйнштейн уже рассматривал такую возможность, но теперь, после вопроса Мандля, вернулся к этой теме и рассчитал, что линза, о которой идет речь, породила бы для земного наблюдателя кольцеобразную структуру. Представим, к примеру, свет далекой галактики, проходящий рядом с близкой галактикой. Гравитация близкой галактики может расщепить световой луч надвое, так что части луча пройдут от нее по разные стороны. Миновав близкую галактику, лучи вновь сольются. С Земли эти лучи видны будут как световое кольцо – оптическая иллюзия, порожденная тем, что свет далекой галактики отклоняется под действием гравитации и обходит близкую галактику. Однако Эйнштейн заключил, что у нас «мало надежды увидеть такой феномен непосредственно». Более того, он написал, что эта работа «не имеет особой ценности, но бедняга [Мандль] будет счастлив». И вновь Эйнштейн так далеко обогнал свое время, что прошло 60 лет, прежде чем линзы и кольца Эйнштейна были обнаружены и со временем стали незаменимыми инструментами, при помощи которых астрономы исследуют далекий космос.

Но какой бы успешной и масштабной ни была общая теория относительности, она не подготовила Эйнштейна в середине 1920-х гг. к главной схватке его жизни – работе над единой теорией поля, которая объединила бы законы физики, и одновременному сражению с «демоном» квантовой теории.

Часть III

Незавершенная картина

Единая теория поля

Глава 7

Обобщение и квантовый вызов

В 1905 г., почти сразу после того, как была завершена работа над специальной теорией относительности, Эйнштейн начал терять к ней интерес, поскольку впереди в прицеле уже замаячила новая, более крупная дичь: общая теория относительности. В 1915 г. история повторилась. Сформулировав теорию гравитации, Эйнштейн почти сразу переключился на еще более грандиозный проект: единую теорию поля, которая объединила бы его теорию гравитации с максвелловской теорией электромагнетизма. Предполагалось, что эта работа станет не только вершиной его творчества, но и итогом двух тысячелетий научного исследования природы гравитации и света. Эта теория должна была дать Эйнштейну способность «читать мысли Бога».

Эйнштейн не был первым, кто предположил существование связи между электромагнетизмом и гравитацией. Самые ранние эксперименты по исследованию взаимоотношений между этими двумя вездесущими силами провел Майкл Фарадей, работавший в лондонском Королевском институте в XIX в. Он бросал магниты вниз с Лондонского моста и смотрел, отличается ли скорость их падения от скорости падения обычных камней. Если магнетизм взаимодействует с гравитацией, то, может быть, магнитное поле противодействует тяготению и магниты падают с другой скоростью. Кроме того, он бросал куски металла из-под потолка лекционного зала на пол на специальную подушку, пытаясь понять, индуцируется ли при падении в металле электрический ток. Все эксперименты Фарадея дали отрицательный результат. Однако он отмечал: «Они не поколебали моей прочной убежденности в существовании некоей связи между гравитацией и электричеством, хотя и не дали доказательств того, что такая связь существует». Риман, основатель теории искривленного пространства любой размерности, был убежден, что и гравитация, и электромагнетизм могут быть сведены к чисто геометрическим доказательствам. К сожалению, он не обладал какой бы то ни было физической картиной уравнений поля, поэтому его идеи ни к чему не привели.

Эйнштейн как-то привел интересную метафору, сравнив мрамор и дерево. Мрамор, по его мнению, символизировал прекрасный мир геометрии, где поверхности изгибаются гладко и непрерывно. Звезды и галактики, населяющие Вселенную, вели свою космическую игру на чудесном мраморе пространства-времени. Дерево символизировало хаотический мир материи с путаницей элементарных частиц и абсурдными, с точки зрения здравого смысла, квантовыми правилами. Дерево, примером которого могут служить узловатые ползучие лианы, растет непредсказуемым и случайным образом. Новые элементарные частицы, которые то и дело открывали в атоме, делали теорию вещества поистине безобразной. Эйнштейн видел недостаток своих уравнений. Главной ошибкой было то, что структуру мрамора определяло дерево. Степень искривленности пространства-времени определялась количеством дерева в каждой точке.

Таким образом, Эйнштейн видел перед собой ясную стратегию: создать теорию чистого мрамора, исключить дерево, переформулировав все законы исключительно в терминах мрамора. Если бы удалось показать, что само дерево состоит из мрамора, то на свет появилась бы чисто геометрическая теория. К примеру, точечная частица бесконечно мала и не имеет пространственной протяженности. В теории поля точечная частица представлена «сингулярностью» – точкой, где напряженность поля стремится к бесконечности. Эйнштейн хотел заменить эту сингулярность гладкой деформацией пространства и времени. Представьте изгиб на веревке. С некоторого расстояния он может выглядеть как частица, но при ближайшем рассмотрении выясняется, что это всего лишь сильная кривизна веревки. Так же и Эйнштейн хотел построить теорию, которая была бы чисто геометрической и не имела вообще никаких сингулярностей. Элементарные частицы, такие как электрон, выглядели бы в ней как узелки или небольшие морщинки на поверхности пространства-времени. Фундаментальной проблемой такого подхода, однако, было то, что у него не было какой-то конкретной симметрии или принципа, которые могли бы объединить электромагнетизм и гравитацию. Как мы уже говорили, ключевым методом Эйнштейна было объединение через симметрию. При работе со специальной теорией относительности у него была картина, на которую он все время ориентировался, – полет рядом со световым лучом. Эта картина помогла выявить фундаментальное противоречие между механикой Ньютона и полями Максвелла. Отсюда Эйнштейн сумел извлечь принцип постоянства скорости света. Наконец, он сумел сформулировать симметрию, объединяющую пространство и время, – преобразования Лоренца.

Аналогично при работе с общей теорией относительности его тоже вел визуальный образ, где гравитация порождается искривлением пространства и времени. Эта картина выявила фундаментальное противоречие между теорией всемирного тяготения Ньютона (где гравитация действовала мгновенно по всему пространству) и теорией относительности (где ничто не может двигаться быстрее света). Из этой картины Эйнштейн тоже сумел извлечь принцип – принцип эквивалентности, согласно которому ускоряющиеся и гравитирующие системы отсчета подчиняются одним и тем же физическим законам. Наконец, он сумел сформулировать обобщенную симметрию, описывающую ускорения и гравитацию, – а именно общую ковариантность.

Задача, стоявшая перед Эйнштейном на этот раз, была поистине пугающей, поскольку в этой работе он обгонял свое время по крайней мере лет на пятьдесят. В 1920-е гг., когда работа над единой теорией поля только начиналась, единственными твердо установленными силами были гравитация и электромагнетизм. Ядро атома было открыто Эрнестом Резерфордом совсем недавно (в 1911 г.), а сила, удерживающая вместе его составные части, была еще покрыта плотным покровом тайны. Но без понимания ядерных сил Эйнштейну недоставало ключевой детали головоломки. Более того, ни один эксперимент и ни одно наблюдение еще не вскрыли никакого противоречия между гравитацией и электромагнетизмом, за которое, как за крючок, мог бы ухватиться Эйнштейн в своих рассуждениях.

В 1918 г. математик Герман Вейль, вдохновленный эйнштейновыми поисками единой теории поля, совершил первую серьезную попытку. Поначалу его рассуждения произвели на Эйнштейна очень сильное впечатление. «Это мастерски исполненная симфония», – написал он. Вейль расширил старую теорию гравитации Эйнштейна, добавив поле Максвелла непосредственно в уравнения. Затем он потребовал, чтобы уравнения были коварианты по отношению даже к большему числу симметрий, чем требовалось у Эйнштейна в оригинале, включив в их число масштабирование (то есть трансформацию, при которой увеличиваются или уменьшаются все расстояния). Однако вскоре Эйнштейн заметил в этой теории некоторые странные аномалии. Так, если вы движетесь по кругу и возвращаетесь в первоначальную точку, то вы обнаруживаете, что стали короче, но сохранили прежнюю форму. Иными словами, линейные размеры (длины) не сохраняются. (В теории Эйнштейна линейные размеры тоже могут меняться, но становятся прежними, если вы возвратились туда же, откуда начали.) Время тоже сдвигалось на замкнутом пути, что противоречит нашим представлениям о физическом мире. Например, это означает, что если колеблющиеся атомы совершат полный круг, то, вернувшись к началу, они будут колебаться с другой частотой. Хотя теория Вейля казалась остроумной, от нее пришлось отказаться, потому что она не соответствовала наблюдениям. (Задним числом можно сказать, что в теории Вейля было слишком много симметрии. Очевидно, масштабная инвариантность – это такой вид симметрии, который природа не использует при описании видимой Вселенной.)

В 1923 г. Артур Эддингтон тоже заразился этой болезнью. Вдохновившись работой Вейля, Эддингтон (и многие другие после него) решил попробовать свои силы в поисках единой теории поля. Подобно Эйнштейну, он создал теорию, основанную на кривизне Риччи, но концепция расстояния в уравнениях не фигурировала. Иными словами, невозможно было определить метры или секунды; теория была «догеометрической». Только на последнем шаге, в следствиях из его уравнений, появлялось наконец расстояние. Предполагалось, что электромагнетизм рождается как часть кривизны Риччи. Физику Вольфгангу Паули эта теория совсем не понравилась, он даже сказал, что она не имеет «никакого значения для физики». Эйнштейн тоже раскритиковал ее, считая, что в ней отсутствует физическое содержание.

Но что действительно потрясло Эйнштейна до глубины души, так это статья, увиденная им в 1921 г. и написанная безвестным математиком по имени Теодор Калуца из Кёнигсбергского университета. Калуца предложил, чтобы Эйнштейн, первым выдвинувший идею четвертого измерения, добавил к своим уравнениям еще одно, пятое измерение. Для начала Калуца переформулировал общую теорию относительности Эйнштейна в пяти измерениях (четыре пространственных измерения и одно измерение времени). Это совсем несложно, поскольку уравнения Эйнштейна могут быть легко сформулированы для любой размерности. Затем Калуца в несколько строк показал, что если отделить пятое измерение от четырех остальных, то получатся одновременно уравнения Эйнштейна и уравнения Максвелла! Иными словами, уравнения Максвелла – страшный набор из восьми дифференциальных уравнений в частных производных, который заучивали наизусть все без исключения инженеры и физики, – могут быть сведены к волнам, путешествующим по пятому измерению. Иначе говоря, если расширить теорию относительности до пяти измерений, то окажется, что теория Максвелла заранее скрыта внутри теории Эйнштейна.

Эйнштейна удивила дерзость и красота работы Калуцы. Он написал автору: «Идея достичь [обобщения] посредством пятимерного цилиндрического мира никогда не приходила мне в голову… На первый взгляд ваша идея мне чрезвычайно понравилась». Через несколько недель, после подробного изучения теории Калуцы, он написал: «Формальная цельность вашей теории поразительна». В 1926 г. математик Оскар Клейн обобщил работу Калуцы и предположил, что пятое измерение не наблюдаемо, потому что мало и, возможно, привязано к квантовой теории. Таким образом, Калуца и Клейн предложили совершено иной подход к обобщению. Для них электромагнетизм представлял собой не что иное, как колебания, вызывающие «рябь» на поверхности маленького пятого измерения.

К примеру, если представить себе рыбу, которая живет в мелком пруду и плавает непосредственно под листьями водяных лилий, то такая рыба, обладай она разумом, могла бы предположить, что ее вселенная двумерна. Рыбы могут двигаться вперед и назад, влево и вправо, но концепция «вверх» в третье измерение им чужда. Если их вселенная двумерна, то откуда они могли бы узнать о существовании загадочного третьего измерения? Теперь представим, что однажды наверху пошел дождь. Появляется крохотная рябь в третьем измерении на поверхности пруда, и рыбы ее ясно видят. Рябь движется по поверхности, и рыбы могли бы заключить, что существует некая загадочная сила, способная колебать их Вселенную. Проводя аналогию с этой картиной, мы – и есть те самые рыбы. Мы занимаемся своими делами в трех пространственных измерениях, даже не подозревая, что где-то, за пределами восприятия наших чувств, могут существовать более высокие измерения. Единственный непосредственный контакт, который мы можем иметь с невидимым пятым измерением, – это свет, который теперь рассматривается как рябь, движущаяся вдоль пятого измерения.

Тому, что теория Калуцы – Клейна работала так хорошо, была своя причина. Не забывайте, что объединение через симметрию было одной из главных стратегий Эйнштейна при разработке теории относительности. В теории Калуцы – Клейна электромагнетизм и гравитация объединялись за счет новой симметрии – пятимерной общей ковариантности. Картина, в которой гравитация и электромагнетизм объединялись за счет введения еще одного измерения, выглядела очень соблазнительно, но оставался мучительный вопрос: где находится это пятое измерение? Ни один эксперимент ни разу, вплоть до сегодняшнего дня, не дал никаких свидетельств существования каких бы то ни было пространственных измерений помимо длины, ширины и высоты. Если такие измерения существуют, они должны быть чрезвычайно маленькими, намного меньше атома. Например, нам известно, что если выпустить газообразный хлор в комнату, то его атомы постепенно распределятся по всем уголкам и щелкам комнаты, но не исчезнут ни в каком загадочном дополнительном измерении. Таким образом, любое скрытое измерение должно быть меньше любого атома. Согласно этой новой теории, если сделать пятое измерение меньше любого атома, то его существование не будет противоречить никаким лабораторным данным, которые никогда не показывали присутствия этого пятого измерения. Калуца и Клейн считали, что пятое измерение «свернуто» в крохотный шарик, слишком маленький, чтобы его можно было наблюдать экспериментально.

Теория Калуцы – Клейна представляла новый интересный подход к объединению электромагнетизма и гравитации, но со временем у Эйнштейна возникли серьезные сомнения. Его беспокоила мысль о том, что пятого измерения может и не быть, что вся эта конструкция – мираж, математическая фикция. Кроме того, у него возникли проблемы с поиском элементарных частиц в теории Калуцы – Клейна. Его целью было вывести из своих уравнений гравитационного поля электрон, но, несмотря на все усилия, сделать это не удавалось. Оглядываясь назад, становится понятно, что эти сомнения стали для науки громадной упущенной возможностью. Если бы физики восприняли теорию Калуцы – Клейна серьезнее, они могли бы тогда же добавить к пяти еще несколько измерений. С увеличением числа измерений поле Максвелла количественно растет и превращается в то, что сегодня называется «полями Янга – Миллса». На самом деле именно Клейн открыл поля Янга – Миллса в конце 1930-х гг., но в хаосе Второй мировой войны его работа оказалась забыта. Потребовалось еще почти два десятилетия, чтобы эти поля вновь были открыты, и произошло это в середине 1950-х гг. В настоящее время поля Янга – Миллса образуют фундамент современной теории ядерного взаимодействия. В их терминах сформулирована почти вся физика элементарных частиц. Еще через 20 лет и сама теория Калуцы – Клейна воскресла в виде новой теории струн, которая в настоящее время считается ведущим кандидатом на роль единой теории поля.

Эйнштейн всегда стремился подстраховать свои ставки. Если бы теория Калуцы – Клейна оказалась ошибочной, ему пришлось бы искать новый путь к созданию единой теории поля. Он решил исследовать различные геометрии за пределами геометрии Римана. Он расспросил математиков и быстро понял, что эта область – совершенно непаханое поле. Более того, по настоянию Эйнштейна многие математики начали изучать «постримановы» геометрии, или «теорию связей», чтобы помочь ему исследовать новые возможные вселенные. Вследствие этого вскоре были созданы новые геометрии с участием «скручивания» и «скрученных пространств». (Эти абстрактные пространства нашли применение в физике лишь через 70 лет, после появления теории суперструн.)

Тем не менее работа над постримановыми геометриями стала настоящим кошмаром. У Эйнштейна не было руководящего физического принципа, который помог бы ему пробиться через чащу абстрактных уравнений. Прежде он использовал в качестве компаса принцип эквивалентности и общую ковариантность. То и другое прочно опиралось на экспериментальные данные. В поисках пути он полагался также на физические картины. Однако в случае единой теории поля у Эйнштейна не было ведущего физического принципа или картины.

Мир так жаждал новостей об успехах Эйнштейна, что доклад о продвижении работы над единой теорией поля, подготовленный им для Прусской академии, был передан в The New York Times, которая даже опубликовала некоторые его части. Очень скоро вокруг дома Эйнштейна собрались сотни репортеров в надежде хотя бы мельком увидеть гения. Эддингтон писал: «Может быть, вам будет забавно узнать, что один из крупных магазинов здесь в Лондоне (Selfridges) поместил вашу статью в своей витрине (шесть страничек наклеены бок о бок), так чтобы прохожие могли прочитать ее целиком. Вокруг собираются большие толпы». Однако Эйнштейн с радостью променял бы все обожание и громкие похвалы на простой физический образ, которым он мог бы руководствоваться в своей работе.

Некоторые физики начали намекать на то, что Эйнштейн находится на ложном пути и что ему отказала физическая интуиция. Одним из критиков стал друг и коллега Эйнштейна Вольфганг Паули – один из пионеров квантовой теории, знаменитый в научных кругах своим безжалостным остроумием. Однажды он сказал о неудачной физической статье: «Она даже не ошибочна». Коллеге, статью которого он рецензировал, он сказал: «Меня не волнует тот факт, что вы думаете медленно, но я возражаю, когда вы публикуетесь быстрее, чем думаете». Услышав путаное и непоследовательное выступление на семинаре, он мог сказать: «То, что вы сказали, было настолько невразумительным, что невозможно было понять, чепуха это или нет». Когда коллеги-физики жаловались на то, что Паули слишком критичен в своих высказываниях, он отвечал: «У некоторых людей очень чувствительные мозоли, и единственный способ жить с ними заключается в том, чтобы наступать на эти мозоли до тех пор, пока они не привыкнут». Впечатление Паули о единой теории поля отразилось в его знаменитом комментарии примерно следующего содержания: что Бог разорвал, человек да не соединит. (По иронии судьбы позже Паули тоже подхватил эту болезнь и предложил собственную версию единой теории поля.)

Под мнением Паули могли бы подписаться многие коллеги-физики, которые все глубже погружались в квантовую теорию – еще одну великую теорию XX в. Квантовая теория, несомненно, может быть признана одной из самых успешных физических теорий всех времен. В объяснении загадок внутреннего мира атома она достигла беспримерных успехов и тем самым помогла человеку реализовать мощь лазеров, современной электроники, компьютеров и нанотехнологий. Однако, как ни странно, фундамент квантовой теории опирается на зыбучие пески. В атомном мире электроны, судя по всему, умеют находиться в двух местах одновременно, прыгать с орбиты на орбиту без предупреждения и исчезать в никуда, уходя в призрачный мир между бытием и небытием. Как заметил Эйнштейн еще в 1912 г., «чем больших успехов достигает квантовая теория, тем глупее она выглядит».

Кое-какие диковинные свойства квантового мира были выявлены в 1924 г., когда Эйнштейну написал любопытное письмо никому не известный индийский физик Шатьендранат Бозе, работы которого по статистической физике выглядели настолько странно, что их с ходу отвергали все серьезные научные журналы. Бозе предлагал расширить более раннюю работу Эйнштейна по статистической механике, чтобы получить полный квантовомеханический анализ газа, в котором атомы газа рассматриваются как квантовые объекты. Точно так же, как сам Эйнштейн расширил работу Планка по теории света, Бозе намекал на то, что можно расширить работу Эйнштейна, превратив ее в полномасштабную квантовую теорию атомов в составе газа. Эйнштейн, знаток предмета, обнаружил, что, хотя Бозе сделал в своей работе немало ошибок и предположений, ничем в реальности не оправданных, его конечный результат представляется корректным. Эйнштейн был настолько заинтригован этой работой, что перевел ее на немецкий и отправил в печать.

Затем он расширил работу Бозе и написал собственную статью, в которой рассмотрел результат в приложении к чрезвычайно холодному веществу на грани абсолютного нуля. Бозе и Эйнштейн обнаружили занятный факт квантового мира: все его атомы неразличимы; это значит, что невозможно, как надеялись Больцман и Максвелл, пометить каждый конкретный атом. Если камни, деревья и другие обычные материальные предметы можно пометить и назвать собственными именами, в квантовом мире все атомы водорода идентичны в любом эксперименте; не существует зеленых, синих или желтых атомов водорода. Затем Эйнштейн обнаружил, что, если некий набор атомов охладить почти до абсолютного нуля, где они почти прекращают всякое движение, все атомы провалятся в минимальное энергетическое состояние, образовав при этом единый «суператом». Эти атомы конденсируются в одном и том же квантовом состоянии и будут вести себя практически как один гигантский атом. По существу, Эйнштейн предположил наличие совершенно нового, никогда прежде на Земле не виданного состояния вещества. Однако прежде, чем атомы смогут провалиться в состояние с минимальной энергией, необходимо достичь фантастически низкой температуры – слишком низкой, чтобы ее можно было наблюдать экспериментально; речь идет о температуре порядка одной миллионной доли градуса выше абсолютного нуля. (При такой чрезвычайно низкой температуре атомы колеблются в унисон, и тонкие квантовые эффекты, которые обычно наблюдаются лишь на уровне отдельных атомов, теперь распределяются по всему конденсату. Подобно зрителям на футбольном матче, формирующим «живую волну», которая пробегает по трибунам, когда люди на них вместе встают и садятся, атомы в «конденсате Бозе – Эйнштейна» ведут себя так, будто все колеблется в унисон.) Эйнштейн, конечно, не надеялся при жизни увидеть реальный конденсат Бозе – Эйнштейна, поскольку технологии 1920-х гг. не позволяли проводить эксперименты при температурах около абсолютного нуля. (Эйнштейн настолько обогнал свое время, что должно было пройти около 70 лет, прежде чем ученые смогли проверить это его предсказание.)

Помимо конденсата Бозе – Эйнштейна последнего интересовал вопрос о том, приложим ли его принцип двойственности не только к свету, но и к веществу. В лекции 1909 г. Эйнштейн показал, что свет имеет двойственную (дуалистическую) природу и может одновременно проявлять свойства частицы и волны. Несмотря на еретический характер идеи, экспериментальные результаты ее полностью подтвердили. Вдохновившись идеями Эйнштейна, молодой выпускник университета герцог Луи де Бройль в 1923 г. пошел еще дальше и предположил, что свойствами одновременно частицы и волны может обладать даже сама материя. Эта концепция была дерзкой и революционной, поскольку представление о том, что материя состоит из частиц, укоренилось уже очень глубоко. Но де Бройль, вдохновившись работами Эйнштейна о дуальности, сумел объяснить некоторые загадки атома при помощи предположения о том, что материя тоже обладает волнообразными свойствами.

Эйнштейну понравилась дерзость «вещественных волн» де Бройля, и он начал продвигать теорию коллеги. (Позже де Бройль был удостоен Нобелевской премии за эту плодотворную идею.) Но если вещество обладает волнообразными свойствами, то какому уравнению подчиняются эти волны? Специалисты по классической физике давно и хорошо научились записывать такие уравнения для различных волн – океанских, звуковых и других, поэтому австрийский физик Эрвин Шрёдингер решил записать уравнение для предложенных де Бройлем волн материи. Отдыхая во время Рождества 1925 г. с одной из бесчисленных подружек на вилле Хервиг в швейцарском городке Ароса, Шрёдингер, известный ловелас, умудрился отвлечься достаточно надолго, чтобы сформулировать уравнение, которое очень скоро стало одним из самых знаменитых уравнений всей квантовой физики, – волновое уравнение Шрёдингера. Биограф Шрёдингера Вальтер Мур писал: «Подобно таинственной даме, вдохновлявшей Шекспира на сонеты, леди из Аросы может навсегда остаться неизвестной». (К несчастью, у Шрёдингера в жизни было так много подружек и любовниц, а также незаконных детей, что невозможно определить точно, кто послужил музой для этого исторического уравнения.)

В следующие несколько месяцев Шрёдингер написал замечательную серию статей, в которых показал, что загадочные правила, установленные Нильсом Бором для атома водорода, без особого труда выводятся из его уравнения. Впервые физики получили подробную картину внутреннего устройства атома, при помощи которой можно, в принципе, рассчитать свойства сложных атомов и даже молекул. Всего за несколько месяцев новая квантовая теория стала всесокрушающей силой; она разрешила многие сложнейшие вопросы об атомном мире и разгадала величайшие загадки, которые со времен древних греков ставили ученых в тупик. Внезапно появилась возможность рассчитать «танец» электронов, которые перемещаются между орбитами, испускают световые импульсы или связывают атомы в молекулы; это стало вопросом решения стандартных дифференциальных уравнений в частных производных. Один дерзкий молодой квантовый физик, Поль-Адриен-Морис Дирак, даже похвастался, что всю химию можно будет объяснить при помощи решений уравнения Шрёдингера и химия таким образом сведется к прикладной физике.

Так Эйнштейн, отец «старой квантовой теории» фотона, стал крестным отцом «новой квантовой теории», основанной на этих волнах Шрёдингера. (Заучивая конфигурацию забавных орбиталей, окружающих ядро, с их странными названиями и «квантовыми числами», сегодняшние студенты-химики на самом деле зубрят решения волнового уравнения Шрёдингера.) Посыпались эпохальные открытия в квантовой физике. Осознав, что уравнение Шрёдингера не учитывает относительности, Дирак всего через два года обобщил его, превратив в полностью релятивистскую теорию электронов, и мир физики вновь был поражен. Если знаменитое уравнение Шрёдингера не учитывало релятивистских эффектов и было применимо лишь к электронам, которые движутся медленно в сравнении со светом, то электроны Дирака подчинялись полной эйнштейновой симметрии. Более того, уравнение Дирака автоматически объясняло некоторые необычные свойства электрона, включая и так называемый спин. Из более ранних экспериментов Отто Штерна и Вальтера Герлаха было известно, что электрон ведет себя в магнитном поле как вращающийся волчок с угловым моментом кратным 1/2 (в единицах постоянной Планка). Электрон Дирака показывал спин в точности равный 1/2, что соответствовало результатам эксперимента Штерна – Герлаха. (У поля Максвелла, представленного фотоном, спин равен 1, у гравитационных волн Эйнштейна он равен 2. После работы Дирака стало ясно, что спин элементарной частицы – одно из важных ее свойств.)

Затем Дирак сделал еще один шаг вперед. Взглянув внимательнее на энергию этих электронов, он обнаружил, что Эйнштейн просмотрел одно из решений своих собственных уравнений. Обычно, извлекая из числа корень квадратный, мы берем и положительное, и отрицательное решение. К примеру, корень квадратный из 4 может быть равен либо 2, либо –2. Эйнштейн в своих уравнениях не принимал во внимание квадратные корни, поэтому его знаменитое уравнение E = mc2 было не совсем верным. Корректно было бы написать E = ±mc2. Этот дополнительный минус, утверждал Дирак[23], говорит о возможном существовании нового типа зеркальной вселенной – такой вселенной, где частицы могли бы существовать в новой форме «антивещества». Как ни странно, несколькими годами ранее, в 1925 г., Эйнштейн и сам обдумывал идею антивещества; он показал, что при смене знака заряда электрона в релятивистском уравнении и одновременном изменении ориентации пространства на обратную можно получить точно такие же уравнения. Он показал, что для каждой частицы определенной массы должна существовать другая частица той же массы с противоположным зарядом. Теория относительности не только дала нам четвертое измерение, но и привела в параллельный мир антивещества. Однако Эйнштейн, никогда не вступавший в тяжбы по поводу приоритетов, был великодушен и никогда не оспаривал первенство Дирака.

Поначалу радикальные идеи Дирака были встречены яростным скепсисом. Мысль о целой вселенной зеркальных частиц, возникающих из уравнения E = ±mc2, представлялась слишком уж необычной. Квантовый физик Вернер Гейзенберг (вместе с Нильсом Бором он независимо нашел формулировку квантовой теории, эквивалентную формулировке Шрёдингера) писал: «Самой грустной главой современной физики была и остается теория Дирака… Я считаю теорию Дирака… ученой чепухой, которую никто не может рассматривать серьезно». Однако физикам пришлось проглотить свое самолюбие, когда антиэлектрон, или позитрон, в 1932 г. был наконец обнаружен, за что Дирак позже получил Нобелевскую премию. Гейзенберг в конце концов признал: «Я считаю, что открытие антивещества – крупнейший, возможно, скачок из всех крупных скачков нашего столетия». Вновь теория относительности принесла ученым нежданные богатые плоды, подарив нам на этот раз целую новую вселенную из антивещества. Кажется странным, что Шрёдингер и Дирак, разработавшие две важнейших волновых функции квантовой теории, были настолько противоположны друг другу по характеру. Если Шрёдингер всюду появлялся в сопровождении какой-нибудь дамы, то Дирак был болезненно стеснителен в общении с женщинами и чрезвычайно немногословен. После смерти Дирака британцы, отмечая его вклад в науку, выгравировали уравнение Дирака на камне в Вестминстерском аббатстве, недалеко от могилы Ньютона.

Вскоре физики во всех институтах планеты принялись зубрить странные и красивые строки уравнений Шрёдингера и Дирака. Однако, несмотря на все неоспоримые успехи, квантовая физика по-прежнему не могла одолеть волнительный философский вопрос: если вещество есть волна, то что именно колеблется? Этот же вопрос в свое время не давал покоя волновой теории света, породившей ошибочную теорию эфира. Волна Шрёдингера подобна океанской волне; предоставленная сама себе, – постепенно разбегается. Если дать ей достаточно времени, волновая функция рассеется по всей Вселенной. Однако это противоречило всему, что физики знали об электронах. Элементарные частицы считались точечными объектами, оставлявшими за собой вполне определенный след, напоминающий инверсионный след самолета, который можно сфотографировать на пленку. Таким образом, хотя квантовые волны чудесным образом описывали атом водорода, казалось невозможным, чтобы волна Шрёдингера могла описать электрон, движущийся в свободном пространстве. Более того, если бы волна Шрёдингера действительно представляла электрон, то он медленно распределился бы по пространству, а Вселенная – растворилась.

Что-то было не так. В конце концов, давний друг Эйнштейна Макс Борн предложил одно из самых противоречивых решений этой загадки. В 1926 г. Борн сделал к тому решительный шаг, предположив, что волновая функция Шрёдингера описывает вовсе не электрон, но лишь вероятность нахождения электрона. Он заявил, что «движение частиц подчиняется законам вероятности, но вероятность и сама подчиняется законам причинности». В этой новой картине вещество действительно состояло из частиц, а не волн. Следы, запечатленные на фотопластинках, оставлены точечными частицами, а не волнами. Но шанс на нахождение частицы в любой заданной точке задается волновой функцией. (Точнее, квадрат абсолютного значения волновой функции Шрёдингера представляет вероятность нахождения частицы в конкретной точке пространства и времени.) Таким образом, не важно, расползается ли волна Шрёдингера со временем. Это расползание означает всего лишь, что, если оставить электрон в покое, со временем он начнет блуждать в пространстве, и вы не сможете точно сказать, где он находится. Вот теперь все парадоксы были решены: получилось, что волновая функция Шрёдингера – это не сама частица; функция всего лишь представляет шанс ее обнаружения.

Тогда Вернер Гейзенберг сделал еще один шаг. Вместе с Нильсом Бором он без конца мучился над загадкой вероятностей, наполнявших новую теорию, и часто вступал со старшим коллегой в горячие споры. Однажды после бессонной ночи и очередных мучительных попыток разобраться с этим вопросом он вышел на долгую прогулку в Феллед-парк за университетом. Вернер непрерывно задавал себе вопрос: как так может быть, что никто не знает точное положение электрона в пространстве. Как может положение электрона быть неопределенным, по утверждению Борна, если его можно попросту измерить?

Затем его внезапно осенило. Все стало ясно. Чтобы узнать, где находится электрон, вы должны взглянуть на него. Это означает направить на него луч света. Но фотоны светового луча будут сталкиваться с электроном, делая его положение неопределенным. Иными словами, акт наблюдения непременно вводит в ситуацию неопределенность. Он переформулировал этот вопрос в новый принцип физики – принцип неопределенности, согласно которому невозможно определить одновременно положение и скорость частицы. (Точнее, произведение неопределенностей положения и импульса должно быть больше или равно постоянной Планка, деленной на 4π.) И это не просто результат несовершенства наших инструментов; это фундаментальный закон природы. Даже Бог не мог бы установить для электрона одновременно точное положение в пространстве и импульс.

Это был решительный момент: квантовая теория погрузилась в совершенно не изведанные глубины. До этого момента можно было утверждать, что квантовые эффекты носят статистический характер, представляя усредненное движение триллионов электронов. Теперь же оказывалось, что даже движение одного-единственного электрона точно определить невозможно.

Эйнштейн пришел в ужас. Узнав, что его добрый друг Макс Борн отказывается от детерминизма – одной из самых почитаемых идей в классической физике, он почувствовал себя едва ли не преданным. Детерминизм, по существу, утверждает, что, зная все о настоящем, можно определить будущее. Так, великий вклад Ньютона в физику состоял в том, что он научился, зная текущее состояние Солнечной системы, предсказывать движение комет, планет и спутников при помощи своих законов движения. На протяжении нескольких столетий физики поражались точности ньютоновых законов, позволявших предсказать положение небесных тел, в принципе, на миллионы лет вперед. Фактически до того момента вся наука основывалась на детерминизме, то есть ученый, зная положение и скорости всех частиц, всегда мог предсказать результат эксперимента. Последователи Ньютона подытожили это убеждение, сравнив Вселенную с гигантскими часами. Бог завел эти часы в начале времен, и они равномерно тикают с тех самых пор, подчиняясь законам движения Ньютона. Если бы вы знали положение и скорость каждого атома во Вселенной, то могли бы, воспользовавшись ньютоновыми законами движения, рассчитать дальнейшую эволюцию Вселенной с бесконечной точностью. Однако принцип неопределенности перечеркнул все это; оказалось, что предсказать будущее состояние Вселенной невозможно. Для атома урана, к примеру, невозможно рассчитать момент распада, но только вероятность этого события. Мало того, даже Бог или любое божество не знает, когда распадется данный конкретный атом урана.

В декабре 1926 г., отзываясь на статью Борна, Эйнштейн написал: «Квантовая механика заслуживает большого уважения. Но внутренний голос подсказывает мне, что это еще не идеал. Эта теория многое открывает, но все же не приближает нас к разгадке тайны Всевышнего. Что касается меня, то я по крайней мере убежден, что Он не бросает кости». Говоря о теории Гейзенберга, Эйнштейн заметил: «Гейзенберг отложил большое квантовое яйцо. В Гёттингене в него верят (я – нет)». Самому Шрёдингеру новая интерпретация его уравнения очень не понравилась. Он однажды даже сказал, что если его уравнение описывает только вероятности, то ему жаль, что он имеет к нему какое-то отношение. Эйнштейн добавил от себя, что он предпочел бы стать «сапожником или крупье в казино», если бы знал заранее, что квантовая революция, началу которой он способствовал, введет в физику фактор случайности.

Физики начинали разделяться на два лагеря[24]. Предводителем одного лагеря стал Эйнштейн; ученые этого лагеря по-прежнему верили в детерминизм – концепцию, восходившую к самому Ньютону и несколько столетий служившую физикам путеводной звездой в их исследованиях. Союзниками Эйнштейна стали Шрёдингер и де Бройль. Лидером другого, гораздо более многочисленного лагеря стал Нильс Бор, который верил в неопределенность и продвигал новую версию причинности, основанную на средних значениях и вероятностях.

Можно сказать, что Бор и Эйнштейн были в каком-то cмысле полярно противоположны друг другу. Если Эйнштейн ребенком чурался спорта и не отрывался от книг по геометрии и философии, то Бор профессионально играл в футбол и был известен на всю Данию. Если Эйнштейн говорил убедительно и эмоционально, а писал чуть ли не лирично и мог дружелюбно перешучиваться и с журналистами, и с членами королевских семей, то Бор был чопорен, ужасно мямлил, говорить не любил, а если говорил, то часто неслышно и имел привычку, задумавшись, без конца повторять одно и то же слово. Если Эйнштейн легко писал элегантную и красивую прозу, то Бор впадал в прострацию при необходимости написать статью. В старших классах школы он диктовал все свои работы матери. После женитьбы он стал диктовать их жене (и даже прервал свой медовый месяц, чтобы продиктовать одну длинную и важную статью). Иногда он привлекал к переписыванию статей всю свою лабораторию, полностью сбивая график работы; одну из его статей сотрудникам пришлось переделывать более сотни раз. (Вольфганг Паули, будучи однажды приглашен к Бору в Копенгаген, ответил: «Если последние правки уже отосланы, я приеду».) Однако оба они были одержимы своей первой любовью – физикой. Бор, говорят, даже писал формулы на стойке футбольных ворот во время матча, если на него внезапно накатывало вдохновение. Оба оттачивали мысли, используя окружающих как камертон для своих идей. (Странно, но Бор мог функционировать только в окружении помощников, с которыми мог жонглировать идеями. В одиночестве он был беспомощен.)

Противоречия проявились в 1930 г. на Шестом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе. На кону стояла, ни много ни мало, природа самой реальности. Эйнштейн неустанно нападал на Бора, который шатался под непрерывными ударами, но все же умудрялся достойно защищать свою позицию. В конце концов Эйнштейн предложил элегантный «мысленный эксперимент», который должен был, по его мнению, покончить с «демоном», то есть с принципом неопределенности. Представьте ящик с источником излучения внутри. В ящике имеется отверстие с заслонкой. Если заслонку приоткрыть ненадолго, она выпустит из ящика одиночный фотон. Таким образом, мы с большой точностью можем измерить момент времени, когда этот фотон был излучен. Много позже ящик можно взвесить. Поскольку фотон улетел, ящик весит меньше, чем прежде. Учитывая эквивалентность вещества и энергии, мы можем сказать, сколько всего энергии содержится в ящике, и тоже с большой точностью. Таким образом, мы знаем и полную энергию, и время открытия заслонки с любой наперед заданной точностью, без какой бы то ни было неопределенности; из этого следует, что принцип неопределенности неверен. Эйнштейн считал, что ему удалось наконец найти инструмент, который позволит покончить с новой квантовой теорией.

Пауль Эренфест, один из участников конгресса и свидетель той яростной схватки, позже писал: «Для Бора это был тяжелый удар. Ему не удалось сразу же увидеть решение. Весь вечер он был очень мрачен и расстроен; он ходил от одного к другому и пытался убедить всех, что это не может быть правдой, потому что если это правда, то физике конец. Но и опровержения утверждению Эйнштейна он придумать не мог. Я никогда не забуду, в каком виде два оппонента покинули университетский клуб. Эйнштейн, само величие, шагал спокойно со слабой ироничной улыбкой, а Бор почти бежал рядом с ним, чрезвычайно расстроенный». Позже в тот же вечер, оказавшись рядом с Эренфестом, Бор мог только невнятно бормотать одно и то же: «Эйнштейн… Эйнштейн… Эйнштейн». Но после бессонной ночи, проведенной в напряженных раздумьях, Бор все же сумел отыскать брешь в аргументах Эйнштейна – и одолел его при помощи его же собственной теории относительности. Бор обратил внимание на то, что, поскольку ящик весит теперь меньше, чем раньше, он должен слегка приподняться в поле тяготения Земли. Но, согласно общей теории относительности, время при ослаблении гравитации ускоряется (так что на Луне, к примеру, время идет быстрее). Таким образом, любая крохотная неопределенность в измерении времени закрытия заслонки должна переводиться в неопределенность в измерении положения ящика. Получается, невозможно измерить положение ящика с абсолютной определенностью. Более того, любая неопределенность веса ящика отразится на неопределенности его энергии и, кроме того, его импульса, поэтому вы не сможете узнать импульс ящика с абсолютной точностью. Если подвести итог, то две неопределенности, отмеченные Бором, – неопределенность положения и неопределенность импульса – в точности согласуются с принципом неопределенности. Бор отстоял квантовую теорию. Когда же Эйнштейн пожаловался «Бог не играет с миром в кости», Бор, как говорят, резко ответил: «Перестаньте указывать Богу, что делать».

В конечном итоге Эйнштейну пришлось признать, что Бор успешно опроверг выдвинутые им аргументы. Позже Эйнштейн писал: «Я убежден, что эта теория, несомненно, содержит кусочек безусловной истины». Комментируя тот исторический спор Бора и Эйнштейна, Джон Уилер сказал, что это был «величайший спор в интеллектуальной истории, о котором я знаю. За 30 лет я не слышал ни об одном споре, который имел бы место между двумя более великими людьми, длился бы дольше и был посвящен более глубокому вопросу с более глубокими последствиями для понимания нашего странного мира».

Шрёдингер, тоже ненавидевший новую интерпретацию его уравнения, предложил знаменитый мысленный эксперимент с котом, чтобы попытаться пробить брешь в принципе неопределенности. Шрёдингер писал о квантовой механике: «Она мне не нравится, и мне жаль, что я имел к ней какое-то отношение». Самая нелепая задача, писал он, это задача о коте, запертом в ящике, внутри которого находится бутылка с синильной кислотой, летучим ядовитым веществом. Над бутылкой висит молоток, которым управляет счетчик Гейгера, соединенный с кусочком радиоактивного вещества. Никто не спорит с тем, что радиоактивный распад – это квантовый эффект. До тех пор, пока уран не начал распадаться, кот остается живым. Но как только начнется распад одного из атомов, счетчик сработает и запустит механизм, отпускающий молоток: стекло разобьется, и яд убьет кота. Но, согласно квантовой теории, мы не можем предсказать, когда именно произойдет распад атома урана. В принципе, он может существовать одновременно в обоих состояниях – и целым, и распавшимся. Но если атом урана может существовать одновременно в обоих состояниях, это означает, что кот тоже должен существовать в обоих состояниях. Возникает вопрос: жив кот или мертв?

В обычных обстоятельствах это глупый вопрос. Даже если мы не можем открыть ящик, здравый смысл подсказывает, что кот либо жив, либо мертв. Невозможно быть живым и мертвым одновременно; это противоречит всему, что мы знаем о Вселенной и физической реальности. Однако квантовая теория дает нам странный ответ. Суть его состоит в том, что мы этого просто не знаем. До момента, когда мы откроем ящик, кот представлен волновой функцией, а волновые функции можно складывать, как числа. Нам приходится складывать волновую функцию мертвого кота с волновой функцией живого кота. Таким образом, получается, что кот и не жив, и не мертв, пока вы не откроете ящик. Пока кот заперт внутри ящика, вы можете сказать лишь, что одновременно существуют волновые функции, представляющие и мертвого, и живого кота.

Открыв ящик, мы можем провести наблюдение и увидеть своими глазами, жив кот или мертв. Процесс наблюдения, проводимый внешним наблюдателем, вызывает «коллапс» волновой функции и определяет точное состояние кота. После этого мы уже точно знаем, жив он или не жив. Ключевой момент здесь – процесс наблюдения, проводимый внешним наблюдателем. Мы посветили фонариком внутрь ящика, волновая функция коллапсировала, и объект внезапно приобретает определенное состояние.

Иными словами, процесс наблюдения определяет конечное состояние объекта. Слабость копенгагенской интерпретации Бора заключается в вопросе: но существуют ли тогда объекты до того, как вы проведете наблюдение? Эйнштейну и Шрёдингеру все это казалось нелепостью. Эйнштейн до конца жизни без особого успеха сражался с этими глубокими философскими вопросами (которые даже сегодня порождают ожесточенные споры).

Некоторые неприятные аспекты этой головоломки потрясли Эйнштейна до глубины души. Во-первых, до момента наблюдения мы существуем как сумма всех возможных вселенных. Мы не можем сказать определенно, живы мы или мертвы, или, может быть, динозавры по-прежнему разгуливают по Земле, или сама Земля разрушена миллиарды лет назад. Пока наблюдение не проведено, возможно все. Во-вторых, может показаться, что процесс наблюдения сам по себе создает реальность! Таким образом, старая философская загадка о том, падает ли на самом деле в лесу дерево, если никто этого не слышит, приобретает новый ракурс. Последователь Ньютона принялся бы утверждать, что дерево может упасть независимо от наблюдения. Но представитель Копенгагенской школы заявил бы, что дерево может существовать во всех возможных состояниях (упавшим, стоящим, в виде ростка, зрелым, сгоревшим, сгнившим и т. п.), пока на него никто не смотрит, и только в момент наблюдения внезапно возникает по-настоящему. Так квантовая теория добавляет совершенно неожиданную интерпретацию: наблюдение определяет состояние дерева, то есть упало оно или нет.

Эйнштейн еще со времен работы в патентном бюро обладал необычайной способностью выделять в любой проблеме главное. Он любил задавать гостям следующий вопрос: «Неужели Луна существует только потому, что на нее смотрит мышь?» Если Копенгагенская школа права, то так оно и есть, Луна в каком-то смысле возникает в тот момент, когда на нее падает взгляд какой-нибудь мыши и волновая функция Луны коллапсирует. За прошедшие несколько десятков лет к задаче с котом Шрёдингера предложено множество решений, ни одно из которых нельзя назвать полностью удовлетворительным. Хотя почти никто сегодня не сомневается в корректности квантовой механики как таковой, эти и подобные вопросы по-прежнему служат величайшими вызовами философской мысли в физике.

«Я думаю о квантовых проблемах в сто раз больше, чем думал когда-либо об общей теории относительности», – писал Эйнштейн о своей бесконечной борьбе с фундаментальными положениями квантовой теории. После длительных и глубоких размышлений Эйнштейн ответил тем, что казалось ему исчерпывающей критикой квантовой теории. В 1933 г. он вместе со своими учениками Борисом Подольским и Натаном Розеном предложил необычный эксперимент, который даже сегодня служит источником головной боли для многих квантовых физиков, а также философов. Возможно, эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена (ЭПР) и не разрушил квантовую теорию, на что, вероятно, надеялся Эйнштейн, но успешно доказал, что она, и до того выглядевшая достаточно странно, становится все запутаннее и запутаннее. Представьте, что атом испускает в противоположных направлениях два электрона. Представьте затем, что эти два электрона вращаются в разных направлениях, так что их суммарное вращение равно нулю, хотя вы и не знаете, который из них куда вертится. Вектор вращения одного из электронов может быть направлен вниз, тогда как другого вверх, или наоборот. Если подождать достаточно долго, электроны разлетятся на миллиарды километров. До проведения измерений спин электронов вам неизвестен.

А теперь представьте, что вы, в конце концов, измеряете спин одного из электронов и выясняется, к примеру, что его вектор направлен вверх. Тогда вы мгновенно получаете информацию о спине второго электрона, хотя сам он находится от вас на расстоянии многих световых лет, – ведь, поскольку его спин противоположен спину его партнера, получается, что его вектор направлен вниз. Это означает, что наблюдение, проведенное в одной части Вселенной, мгновенно определяет состояние электрона на другом ее конце, что, на первый взгляд, противоречит общей теории относительности. Эйнштейн назвал это «призрачным дальнодействием». Философские следствия из этого мысленного эксперимента поражают воображение. Сказанное означает, что некоторые атомы в нашем теле могут быть связаны с невидимой сетью атомов на другом конце Вселенной, так что движения нашего тела могут мгновенно влиять на состояние атомов за миллиарды световых лет от нас, порождая кажущееся нарушение законов общей теории относительности. Эйнштейну эта идея не нравилась, поскольку означала, что Вселенная нелокальна; то есть события здесь, на Земле, мгновенно влияют на события на другом конце Вселенной, а значит, информация туда передается быстрее света.

Услышав об этом новом аргументе против квантовой механики, Шрёдингер написал Эйнштейну: «Я был счастлив, что в той работе… вы, очевидно, ухватили догматичную квантовую механику за хвост». Узнав о новой статье Эйнштейна, коллега Бора Леон Розенфельд написал: «Мы бросили все; необходимо было как можно быстрее разъяснить подобное недоразумение. Бор, в сильном возбуждении, сразу же начал диктовать черновик ответной статьи».

Копенгагенская школа выдержала эту атаку, но победа далась большой ценой: Бору пришлось согласиться с Эйнштейном в том, что квантовая Вселенная действительно нелокальна (то есть события в одной части Вселенной могут мгновенно влиять на другую ее часть). Все в этой Вселенной каким-то образом «запутано» в какой-то космический клубок. Так что мысленный эксперимент, или ЭПР– парадокс, не опроверг квантовую механику; он лишь продемонстрировал, насколько она на самом деле умопомрачительна. (С годами этот мысленный эксперимент оброс десятками неверных интерпретаций и рассуждений о том, что можно на его основе то ли построить сверхсветовое радио, то ли послать сигнал в прошлое, то ли овладеть телепатией.)

Однако ЭПР-эксперимент не отрицает относительность. В этом смысле Эйнштейн смеялся последним. Невозможно при помощи этого эффекта передать какую бы то ни было полезную информацию быстрее, чем со скоростью света. Так, невозможно передавать при помощи аппарата ЭПР морзянку быстрее света. Физик Джон Белл воспользовался этим примером для объяснения сути проблемы. Он описал математика по имени Бертлманн, всегда носившего один розовый и один зеленый носок. Достаточно знать, что на одной из его ног надет зеленый носок, чтобы мгновенно понять, какого цвета носок надет на второй ноге. Тем не менее от одной ноги к другой не передавалось никаких сигналов. Иными словами, знать что-то – совсем не то же самое, что передать эту информацию. Существует принципиальная разница между обладанием информацией и ее передачей.

К концу 1920-х гг. в физике возвышались две сравнимые вершины: теория относительности и квантовая теория. Вся сумма человеческих знаний о физической Вселенной укладывалась в две эти теории. Одна из них – теория относительности – рассказывала нам об очень крупных объектах; это была теория Большого взрыва и черных дыр. Другая – квантовая теория – вещала об очень малых объектах и освещала для нас странный мир атома. Хотя квантовая теория строилась на парадоксальных идеях, никто не мог оспаривать ее поразительных экспериментальных успехов. Нобелевские премии сыпались как с куста на молодых физиков, готовых исследовать приложения квантовой теории.

Эйнштейн был слишком опытным физиком, чтобы не обращать внимания на важные открытия, происходившие в квантовой теории чуть ли не ежедневно. Он не оспаривал ее экспериментальных успехов. Квантовая механика была «самой успешной физической теорией нашего времени», признавал он. Кроме того, он не пытался помешать ее развитию, как мог бы поступить физик меньшего масштаба. (В 1929 г. Эйнштейн рекомендовал разделить Нобелевскую премию между Шрёдингером и Гейзенбергом.) Вместо этого он изменил стратегию. Он перестал нападать на квантовую теорию и разоблачать ее как ошибочную. Его новая стратегия состояла в том, чтобы включить квантовую теорию целиком в состав его единой теории поля. Когда армия критиков из лагеря Бора обвинила его в том, что он игнорирует квантовый мир, он в ответ заявил, что преследует космическую по масштабу цель: чтобы его новая теория поглотила квантовую теорию целиком, во всей ее полноте. Эйнштейн привел при этом аналогию из собственного опыта. Теория относительности не доказала, что теория Ньютона полностью неверна; она всего лишь показала, что эта теория неполна и может быть включена в другую, более масштабную теорию. Так, ньютонова механика вполне действенна в своей собственной конкретной области: в царстве малых скоростей и крупных объектов. Аналогично, считал Эйнштейн, и причудливые утверждения квантовой теории о котах, которые одновременно и живы, и мертвы, могут найти объяснение в теории более высокого порядка. В этом отношении легионы биографов Эйнштейна просмотрели самую суть. Целью Эйнштейна было не опровержение квантовой теории, как утверждали многие критики ученого. Его слишком часто изображали этаким последним динозавром классической физики, стареющим бунтарем, превратившимся, неожиданно для себя, в рупор реакции. Подлинной целью Эйнштейна было обнажить неполноту квантовой теории и при помощи единой теории поля сделать ее полной. Более того, одним из критериев проверки единой теории поля было требование, чтобы она при определенных условиях допускала неопределенность в некотором приближении.

Стратегией Эйнштейна было воспользоваться общей теорией относительности и своей единой теорией поля, чтобы объяснить происхождение материи, построить материю из геометрии. В 1935 г. Эйнштейн и Натан Розен исследовали новый способ, посредством которого квантовые частицы, такие как электрон, возникали естественным образом скорее как следствия его теории, чем как фундаментальные объекты. Этим способом он надеялся вывести квантовую теорию, не столкнувшись ни разу с проблемой вероятностей и случайностей. В большинстве теорий элементарные частицы появляются как сингулярности, то есть области, где уравнения не работают. Вспомните, к примеру, уравнения Ньютона, где сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя объектами. Когда это расстояние уменьшается до нуля, сила тяжести уходит в бесконечность, образуя сингулярность. Поскольку Эйнштейн хотел вывести квантовую теорию из более глубокой теории, ему нужна была, как он считал, теория, совершенно свободная от сингулярностей. (Такие примеры есть в простых квантовых теориях. Они называются солитонами и напоминают изгибы пространства; то есть они гладкие, не сингулярные и способны отскакивать друг от друга и при этом сохранять форму.)

Эйнштейн и Розен предложили новаторский метод получения такого решения. Они начали с двух шварцшильдовских черных дыр, определенных на двух параллельных листах бумаги. При помощи ножниц можно вырезать сингулярности той и другой черных дыр, а затем вновь склеить листы. При этом получится гладкое, лишенное сингулярностей решение, которое, по мнению Эйнштейна, может представлять некую элементарную частицу. Таким образом, квантовые частицы можно рассматривать как крохотные черные дыры. (Надо сказать, что эта идея ожила через 60 лет в теории струн, где имеются математические отношения, способные превращать элементарные частицы в черные дыры, и наоборот.)

Однако этот «мост Эйнштейна – Розена» можно рассматривать и иначе. Это, собственно, первое упоминание в научной литературе так называемой кротовой норы, соединяющей две вселенные. Кротовые норы – короткий путь сквозь пространство и время, похожий на врата, или портал, соединяющие два параллельных листа бумаги. Концепцию кротовых нор предложил публике Чарльз Доджсон (более известный как Льюис Кэрролл), оксфордский математик и автор книг «Алиса в Стране чудес» и «Алиса в Зазеркалье», которые его и прославили. Проходя сквозь зеркало, Алиса, по существу, проходит по своего рода мосту Эйнштейна – Розена, соединяющему две вселенные – странный мир Страны чудес и обычные окрестности Оксфорда. Было понятно, разумеется, что всякий, кто пролетит сквозь мост Эйнштейна – Розена, будет раздавлен сильнейшим гравитационным полем, достаточно мощным, чтобы разорвать любой объект на атомы. Прохождение через кротовую нору в параллельную вселенную невозможно, если черная дыра стационарна. (Пройдет еще 60 лет, прежде чем концепция кротовых нор выйдет на ключевую позицию в физике.)

Со временем Эйнштейн отказался от этой идеи, отчасти потому, что был не в состоянии объяснить богатство субатомного мира. Он не мог также полностью объяснить все необычные свойства «дерева» в терминах «мрамора». У элементарных частиц было попросту слишком много свойств (среди них, к примеру, масса, спин, заряд, квантовые числа и т. д.), которые не спешили выводиться из его уравнений. Его целью было найти картину, которая явила бы единую теорию поля во всем ее блеске и величии, но этому мешало одно принципиальное препятствие: в то время слишком мало было известно о свойствах ядерного взаимодействия. Эйнштейн проработал не один десяток лет, прежде чем данные, полученные при помощи мощных ускорителей атомных частиц, помогли разобраться в природе субатомной материи. Но законченная картина так и не возникла.

Глава 8

Война, мир и E = mc²

В 1930-е г, когда мир находился в тисках Великой депрессии, на улицах Германии вновь воцарился хаос. Обрушение национальной валюты в единый миг обесценило накопления трудолюбивых представителей среднего класса. Набирающая силу нацистская партия, питаемая страданиями и обидами немецкого народа, направляла гнев простых людей на самый удобный объект – евреев. Вскоре эта партия при поддержке могущественных промышленников стала самой влиятельной в рейхстаге. Эйнштейн, много лет боровшийся с антисемитизмом, понял, что на этот раз под угрозой оказывается сама жизнь. Принципиальный пацифист, он тем не менее был реалистом и умел пересматривать свои взгляды под влиянием объективной реальности, в роли которой на этот раз выступил стремительный подъем нацистской партии. «Это означает, что я против применения силы в любых обстоятельствах, кроме столкновения с врагом, конечной целью которого является уничтожение жизни», – писал он. Его взглядам предстояло столкнуться с серьезными испытаниями.

В 1931 г. была выпущена книга под названием «Сто авторов против Эйнштейна», в которой содержались всевозможные антисемитские оскорбления в адрес знаменитого физика. «Цель этой публикации – противопоставить террору эйнштейнианцев рассказ о силе их противников», – заявлялось в брошюре. Позже Эйнштейн пошутил, что для уничтожения теории относительности не нужно было набирать целых сто авторов. Если бы теория была неверна, достаточно было бы и одного крохотного факта. В декабре 1932 г. Эйнштейн, будучи не в состоянии противостоять наступлению нацизма, навсегда покинул Германию. Он велел Эльзе посмотреть на их сельский дом в Капуте, а затем грустно сказал: «Отвернись, ты больше никогда его не увидишь». В январе 1933 г. нацисты, и без того имевшие в парламенте крупнейшую фракцию, наконец получили власть, и ситуация резко ухудшилась. Адольф Гитлер был назначен канцлером Германии. Нацисты конфисковали собственность Эйнштейна и банковский счет, оставив его формально нищим; они отобрали у Эйнштейна любимый загородный дом в Капуте, объявив, что нашли в нем опасное оружие. (Позже выяснилось, что это был хлебный нож. При нацистах капутский дом использовался Лигой немецких девушек). 10 мая нацисты организовали публичное сожжение запрещенных книг, в том числе и книг Эйнштейна. В том году Эйнштейн писал народу Бельгии, оказавшемуся в мрачной тени Германии: «В сегодняшних условиях, будь я бельгийцем, я бы не отказался от военной службы». Его замечания были подхвачены международными средствами массовой информации и сразу же вызвали ненависть и презрение к нему со стороны как нацистов, так и коллег-пацифистов, многие из которых были убеждены, что противостоять Гитлеру можно только мирными средствами. Эйнштейн, понимая подлинную глубину варварства, в которое тащил Германию нацистский режим, был непоколебим: «Антимилитаристы накинулись на меня, как на нечестивого отступника… эти ребята попросту зашорены».

Вынужденный покинуть Германию, Эйнштейн-космополит вновь стал практически бездомным. В 1933 г., оказавшись в Англии, он заехал повидаться с Уинстоном Черчиллем в его усадьбу. В графе «Адрес» в книге гостей Черчилля он написал «Нет». В то время Эйнштейн занимал одно из первых мест в списке людей, ненавистных нацистам, и потому вынужден был заботиться о личной безопасности. Один немецкий журнал, публикуя список врагов нацистского режима, поместил на обложке фотографию Эйнштейна и надпись «Еще не повешен». Антисемиты с гордостью говорили, что если уж им удалось выгнать из Германии Эйнштейна, то удастся выгнать и остальных еврейских ученых. Тем временем нацисты приняли новый закон, требующий увольнения всех чиновников-евреев, что стало для немецкой физики настоящей катастрофой. Девяти нобелевским лауреатам пришлось покинуть Германию из-за нового закона о государственных служащих; в первый же год действия этого закона были уволены 1700 научных работников, что сильно обескровило немецкую науку. Массовый исход евреев из подвластной нацистам Европы поражает воображение; уехали чуть ли не все представители научной элиты.

Макс Планк, всегда склонный к примирению, отверг все предложения коллег открыто противостоять Гитлеру. Он предпочел воспользоваться частными каналами и даже встречался с Гитлером лично в мае 1933 г.; это была, по существу, последняя попытка предотвратить коллапс немецкой науки. Планк писал: «Я надеялся убедить его в том, что он наносит гигантский вред… изгоняя наших коллег-евреев; показать, насколько бессмысленно и совершенно аморально преследовать людей, которые всегда считали себя немцами и посвящали свои жизни Германии, как все остальные». На встрече Гитлер сказал, что ничего не имеет против евреев, но что они все коммунисты. Когда Планк попытался ответить, Гитлер накричал на него: «Говорят, что у меня бывают приступы нервной слабости, но на самом деле у меня стальные нервы!» После этого он хлопнул себя по колену и продолжил свои тирады против евреев. После встречи Планк сожалел: «Я не сумел понятно объяснить… Просто не существует языка, на котором можно говорить с такими людьми».

Коллеги Эйнштейна евреи бежали из Германии, спасая жизни. Лео Силард уехал, спрятав свои сбережения в ботинках. Фриц Габер в 1933 г. направился в Палестину. (По иронии судьбы, будучи лояльным немецким ученым, он участвовал в разработке ядовитых газов для германской армии, в частности печально знаменитого газа «циклон-Б». Позже при помощи этого газа в концлагере Освенцим были убиты многие его родственники.) Эрвин Шрёдингер, вовсе не еврей, тоже пострадал от всеобщей истерии. 31 марта 1933 г., когда нацисты объявили национальный бойкот еврейским магазинам, он случайно оказался в Берлине перед крупным еврейским торговым центром Wertheim, где внезапно увидел, как группы штурмовиков с нацистскими повязками на рукавах избивают лавочников-евреев, а полиция и зеваки стоят в стороне и смеются. Шрёдингер был возмущен; он подошел к одному из штурмовиков и попытался пристыдить его. Тогда штурмовики перестали избивать евреев и набросились на него. Он мог серьезно пострадать, если бы среди штурмовиков не оказалось молодого физика, который сразу же узнал Шрёдингера и сумел вывести его из толпы в безопасное место. Потрясенный Шрёдингер счел за лучшее уехать из Германии в Англию, а затем в Ирландию.

В 1943 г. нацисты оккупировали Данию, и Нильс Бор – наполовину еврей – был внесен в списки на ликвидацию. Он сумел, на шаг опередив гестапо, выехать через нейтральную Швецию, а затем улететь в Британию; в самолете он чуть не умер от удушья из-за плохо подогнанной кислородной маски. Планк – патриот Германии, не пожелавший покинуть родную страну, тоже пострадал. Его сын был арестован по обвинению в покушении на Гитлера; нацисты пытали его, а позже казнили.

Эйнштейна даже в изгнании осаждали предложениями о работе со всего мира. Ведущие университеты Англии, Испании и Франции мечтали заполучить к себе эту мировую знаменитость. Прежде он сотрудничал с Принстонским университетом в качестве приглашенного профессора, проводя зиму в Принстоне, а лето в Берлине. Абрахам Флекснер, представлявший новый институт, который планировалось сформировать в Принстоне в основном за счет пяти миллионов, выделенных Бамбергерами из своих средств, несколько раз встречался с Эйнштейном, предлагая занять пост в этом институте. Эйнштейна привлекало то, что новая должность даст ему время и возможность путешествовать и не будет связана с преподавательскими обязанностями. Его лекции пользовались популярностью, он развлекал аудиторию нестандартным поведением и очаровывал аристократов забавными историями, но преподавание и чтение лекций отнимали время у его обожаемой физики.

Кое-кто из коллег предупреждал Эйнштейна, что переезд в Соединенные Штаты подобен самоубийству. До внезапного наплыва ученых-евреев, бегущих из нацистской Германии, США считались в науке тихой заводью, где почти не было высших учебных заведений, способных состязаться с европейскими. Защищая свой выбор, Эйнштейн писал королеве Елизавете Бельгийской: «Принстон – чудесное тихое местечко… старомодное церемонное селение маленьких полубогов на ходулях. Игнорируя некоторые условности, я смог создать для себя атмосферу, способствующую исследованиям и позволяющую избегать то, что отвлекает от работы». Новость о том, что Эйнштейн обосновался в США, разнеслась по всему миру. «Первосвященник физики» покинул Европу. «Новым Ватиканом» суждено было стать Институту перспективных исследований в Принстоне.

Показывая комнату, которая должна была стать его кабинетом, Эйнштейна спросили, в чем он нуждается. Помимо стола и стула, сказал он, необходима «большая корзина для бумаг… чтобы было куда выбрасывать все мои ошибки». (Судя по всему, институт делал аналогичное предложение и Эрвину Шрёдингеру. Но того часто сопровождали жена и любовница, к тому же он практиковал своего рода «свободный брак» с длинным списком партнерш, поэтому атмосфера Принстона, как говорят, показалась ему слишком душной и консервативной.) Американцы были заинтригованы прибытием в Нью-Джерси человека, который мгновенно стал самым знаменитым ученым страны. Вскоре его знали все. Два европейца на спор отправили письмо с адресом «Доктору Эйнштейну, Америка», чтобы посмотреть, дойдет ли. Дошло.

В личном плане 1930-е гг. были для Эйнштейна очень трудными. Стало очевидным, что сбываются худшие опасения по поводу его сына Эдуарда (в семье его любя называли Тедель); в 1930 г. после неудачного романа с женщиной старше него у молодого человека случился нервный срыв. Его поместили в психиатрическую клинику Бургозли в Цюрихе, ту самую, где лечилась сестра Милевы. Был поставлен диагноз «шизофрения», и в дальнейшем он покидал лечебницу только для коротких визитов к родным. Эйнштейн всегда подозревал, что один из его сыновей мог унаследовать от матери психическое нездоровье, и винил в них «тяжелую наследственность». «Я видел приближение этого, медленное, но неуклонное, с самой юности Теделя», – грустно писал он.

В 1933 г. близкий друг Эйнштейна Пауль Эренфест, в свое время поддержавший его в работе над общей теории относительности, но сам страдавший от депрессии, покончил с собой, застрелив при этом и своего маленького умственно отсталого сына.

В 1936 г. после продолжительной и тяжелой болезни умерла Эльза, которая около 20 лет была рядом с Эйнштейном. По воспоминаниям друзей, Эйнштейн «был потрясен и выглядел ужасно». Ее смерть «оборвала самые прочные узы, связывавшие его с каким бы то ни было человеческим существом». Он тяжело воспринял эту смерть, но сумел постепенно оправиться. Он писал: «Я очень привык к здешней жизни. Я живу как медведь в своей берлоге… Медвежьи качества только усилились со смертью женщины-товарища, которая лучше, чем я, умела находить общий язык с другими людьми».

После смерти Эльзы Эйнштейн стал жить с сестрой Майей, также бежавшей от нацистов, своей приемной дочерью Марго и секретаршей Хелен Дукас. Началась финальная фаза его жизни. В 1930–1940-е гг. он быстро старел; кроме того, без Эльзы, которая неустанно заботилась о его внешности, харизматичный щеголь в смокинге, ослеплявший королей и королев, вновь превратился в рассеянного профессора. Жизнь Эйнштейна вновь, как в юности, вернулась в богемное русло. Именно в этот период он превратился в седоволосый символ, лучше всего запомнившийся публике, в принстонского мудреца, готового одинаково добродушно здороваться с детьми и представителями королевских домов.

Однако и в Принстоне Эйнштейну покоя не было. Ему довелось столкнуться еще с одним серьезнейшим вызовом – проектом по созданию атомной бомбы. Еще в 1905 г. Эйнштейн рассуждал о том, что при помощи его теории, возможно, удастся объяснить, каким образом небольшое количество радия умудряется ярко светиться в темноте и почему его атомы выделяют большое, на первый взгляд бесконечное количество энергии. Более того, в ядре запросто может содержаться в сотни миллионов раз больше энергии, чем в любом химическом оружии. К 1920 г. Эйнштейн осознал, какие громадные практические следствия можно получить из мощи, скрытой в ядре атома. Он писал: «Может оказаться возможным, и даже не противоречит вероятности, что будут открыты новые источники энергии громадной эффективности, но эта идея напрямую не подтверждается фактами, известными на сегодняшний день. Очень трудно что-либо предсказывать, но это ни в коем случае не выходит за рамки возможного». В 1921 г. Эйнштейн рассуждал даже, что когда-нибудь в далеком будущем нынешняя экономика, основанная на угле, будет заменена ядерной энергией. Но, помимо всего прочего, физик ясно понимал две громадные проблемы. Прежде всего, этот космический огонь может быть использован для создания атомной бомбы с ужасными последствиями для всего человечества. Эйнштейн написал пророчески: «Все вместе взятые бомбардировки с момента изобретения огнестрельного оружия окажутся безобидной детской игрушкой в сравнении с ее разрушительным действием». Он также писал, что атомную бомбу можно будет использовать для развязывания ядерного терроризма и даже ядерной войны: «Предполагая, что добиться этого огромного высвобождения энергии возможно, мы, вероятно, просто начнем эпоху, по сравнению с которой наше настоящее, которое черным-черно, может показаться золотым веком».

И последнее, самое важное. Эйнштейн понял, какой громадный вызов представляет собой изобретение и производство атомного оружия. Вообще-то он сомневался, что такое оружие удастся создать при его жизни. Практические сложности для того, чтобы взять ужасную мощь атома и увеличить ее в триллионы раз, далеко выходили за пределы возможного в 1920-е гг. Эйнштейн писал, что это не менее трудно, чем «стрелять по птицам в темноте, в местности, где птиц почти что и нет».

Эйнштейн понял, что ключевая задача здесь – умножить каким-то образом мощь единственного атома. Если бы удалось взять энергию атома, а затем запустить последовательное высвобождение энергии близлежащих атомов, то можно было бы умножить эту ядерную энергию. Он намекал, что цепная реакция распада может возникнуть, если «испущенные лучи… смогут, в свою очередь, произвести тот же эффект». Но в 1920-е гг. он не представлял, как можно получить подобную цепную реакцию. Другие, разумеется, тоже размышляли о ядерной энергии, но не для того, чтобы облагодетельствовать человечество, а со злодейскими целями. В апреле 1924 г. Пауль Хартек и Вильгельм Грот проинформировали Артиллерийское управление немецкой армии о том, что «страна, которая первой сумеет это использовать, получит неисчислимые преимущества перед остальными».

Проблема высвобождения атомной энергии заключается в следующем: ядро атома положительно заряжено и потому отталкивает другие положительные заряды. Таким образом, ядро защищается от случайных столкновений, которые могли бы запустить процесс высвобождения его почти неограниченной энергии. Эрнест Резерфорд, чьи новаторские работы привели к открытию ядра атома, отвергал возможность создания атомной бомбы, утверждая, что «всякий, кто жаждет получить энергию за счет преобразования этих атомов, несет бред». Выход из этого тупика был неожиданно найден в 1932 г., когда Джеймс Чедвик открыл новую частицу – нейтрон – электрически нейтральную частицу, соседа протона по ядру. Если направить поток нейтронов на ядро, то не исключено, что эти частицы, на которые электрическое поле вокруг ядра не действует, смогут разбить его, высвободив ядерную энергию. Такая мысль возникла у физиков: при помощи потока нейтронов, возможно, удастся расщепить атом и обеспечить запуск атомной бомбы.

Пока Эйнштейн сомневался в возможности создания атомной бомбы, ключевые события, приведшие в конце концов к делению ядра, набирали ход. В 1938 г. Отто Ган и Фриц Штрассман из берлинского Института физики Общества кайзера Вильгельма взволновали мир физики тем, что сумели расщепить ядро урана. После бомбардировки урана нейтронами они обнаружили в уране следы бария, указывавшие, что ядро урана разделилось примерно пополам, в результате чего и получился барий. Лиза Мейтнер, еврейка и коллега Гана, бежавшая от нацистов, вместе с племянником Отто Фришем обеспечила эксперименту Гана недостающее теоретическое обоснование. Их результаты показали, что обломки, оставшиеся после этого процесса, весят чуть меньше, чем первоначальное ядро урана. Создавалось впечатление, что масса каким-то образом исчезает в процессе реакции. Но при расщеплении атома урана высвобождалось 200 млн электронвольт (МэВ) энергии, которая появлялась, казалось, ниоткуда. Куда девалась недостающая масса, и откуда бралась эта загадочная энергия? Мейтнер поняла, что ключом к этой загадке служит уравнение Эйнштейна E = mc2. Если взять пропавшую массу и умножить ее на квадрат скорости света, получится 200 МэВ, в точности по теории Эйнштейна. Бор, услышав о результатах этой поразительной проверки уравнения Эйнштейна, мгновенно понял смысл и значение этого результата. Он хлопнул себя по лбу и воскликнул: «О, какими мы все были глупцами!»

В марте 1939 г. Эйнштейн сказал в интервью The New York Times, что полученные до сих пор результаты «не оправдывают предположения о возможности практического использования высвобождающейся атомной энергии… Однако не найдется ни одного физика с душой настолько нищей, чтобы это как-то повлияло на его интерес к этому важнейшему предмету». По иронии судьбы в том же месяце Энрико Ферми и Фредерик Жолио-Кюри (зять Марии Кюри) обнаружили, что при расщеплении ядра урана высвобождаются два нейтрона. Это был поразительный результат. Если бы удалось эти два нейтрона в дальнейшем использовать для расщепления двух других ядер урана, то в результате получилось бы четыре нейтрона, затем восемь, затем шестнадцать, затем тридцать два и так до бесконечности, до тех пор, пока невообразимая мощь ядерного распада не высвободится в цепной реакции. За долю секунды расщепление одного-единственного атома урана способно инициировать распад триллионов и триллионов других атомов урана, высвобождая при этом невообразимые количества ядерной энергии. Выглядывая в окно своего кабинета в Колумбийском университете, Ферми мрачно размышлял о том, что одной атомной бомбы было бы достаточно, чтобы разрушить всю видимую ему часть Нью-Йорка.

Гонка началась. Встревоженный стремительным развитием событий Лео Силард беспокоился, что немцы, бывшие на тот момент лидерами в атомной физике, сумеют построить атомную бомбу первыми. В 1939 г. Силард и Юджин Вигнер приехали на Лонг-Айленд к Эйнштейну, предлагая ему подписать письмо, которое планировалось передать президенту Рузвельту.

Это судьбоносное письмо, одно из самых значительных писем в мировой истории, начиналось словами: «Некоторые недавние работы Э. Ферми и Л. Силарда, которые были сообщены мне в рукописи, заставляют меня ожидать, что уран может быть в ближайшем будущем превращен в новый и важный источник энергии». В письме зловеще отмечалось, что Гитлер вторгся в Чехословакию и захватил шахты Богемии, где добывали урановую смолку – богатый источник урановой руды. Затем звучало предупреждение: «Одна бомба этого типа, доставленная на корабле и взорванная в порту, полностью разрушит весь порт с прилегающей территорией. В то же время такие бомбы могут оказаться слишком тяжелыми для воздушной перевозки». Готовое письмо вручили советнику Рузвельта Александеру Саксу, который должен был передать его президенту. Когда Сакс спросил Рузвельта, понял ли тот чрезвычайную серьезность послания, Рузвельт ответил: «Алекс, ты хочешь позаботиться о том, чтобы нацисты не взорвали нас». Он повернулся к генералу Э. Уотсону и сказал: «Необходимы действия». На целый год на исследование урана было выделено всего лишь $6000. Однако интерес к атомной бомбе внезапно подскочил, когда осенью 1941 г. в Вашингтон попал секретный доклад Фриша – Пайерлса. Британские ученые, работавшие независимо, подтвердили все подробности, обрисованные Эйнштейном, и 6 декабря 1941 г. был начат секретный Манхэттенский проект.

Под руководством Роберта Оппенгеймера, работавшего прежде над теорией черных дыр Эйнштейна, сотни лучших ученых мира были втайне приглашены, а затем и доставлены в Лос-Аламос в пустыне Нью-Мексико. В каждом крупном университете были ученые (можно назвать, к примеру, Ганса Бете, Энрико Ферми, Эдварда Теллера и Юджина Вигнера), тихо уехавшие в неизвестном направлении после встречи с незаметными людьми. (Не все были довольны тем, что атомная бомба привлекла к себе такой интенсивный интерес. Лиза Мейтнер, работы которой способствовали запуску проекта, решительно отказалась от какого бы то ни было участия в работе над бомбой. Она оказалась единственным видным ученым-ядерщиком стран-союзников, который на предложение присоединиться к лос-аламосской группе ответил отказом. «Я не буду заниматься бомбой!» – категорически заявила она. Много лет спустя, когда сценаристы Голливуда попытались приукрасить ее роль в этой истории в фильме «Начало конца» и представить ее как женщину, которая, убегая из нацистской Германии, храбро вывезла чертежи бомбы, она ответила: «Я бы скорее прошлась голой по Бродвею, чем приняла бы участие в этой фанатичной подлой работе».)

Эйнштейн заметил, что все его близкие коллеги в Принстоне внезапно начали исчезать, оставляя загадочный почтовый адрес в Санта-Фе, штат Нью-Мексико. Самому Эйнштейну, однако, никто не предложил присоединиться к проекту, и он всю войну просидел в Принстоне. Причина этого выяснилась много позже из рассекреченных военных документов. Ванневар Буш, глава Бюро научных исследований и разработок и доверенный советник Рузвельта, писал: «Я очень хотел бы иметь возможность раскрыть перед ним [Эйнштейном] все карты… но это совершенно невозможно ввиду мнения людей здесь, в Вашингтоне, которые изучили всю его историю». ФБР и армейская разведка сделали вывод, что Эйнштейну нельзя доверять: «Ввиду его радикальной биографии наше бюро не рекомендует поручать доктору Эйнштейну работ секретного характера без самого тщательного расследования, поскольку представляется маловероятным, чтобы человек с его прошлым мог в такое короткое время стать лояльным американским гражданином». Очевидно, ФБР не понимало, что Эйнштейн уже был в курсе всего проекта и даже способствовал в самом начале его запуску.

Дело Эйнштейна в ФБР, рассекреченное не так давно, состоит из 1427 страниц. Эдгар Гувер считал Эйнштейна не то коммунистическим шпионом, не то простаком (это в лучшем случае). Бюро тщательно отслеживало каждый слух и каждую сплетню о нем, столь же тщательно все документировало и складывало на хранение. При этом, как ни странно, ФБР не жаждало пообщаться с самим Эйнштейном, как будто боялось его. Вместо этого агенты предпочитали допрашивать и преследовать окружавших его людей. В результате в ФБР скопились сотни писем от чудаков и параноиков. В частности, там хранятся доклады о том, что Эйнштейн работает над какими-то лучами смерти. В мае 1943 г. к Эйнштейну приехал флотский лейтенант с предложением поработать над вооружениями и взрывчаткой для ВМС США. «Он чувствовал себя ужасно, о нем все забыли. Его не привлекли ни к каким военным разработкам», – написал лейтенант после встречи. Эйнштейн, никогда не лезший за словом в карман, заметил, что теперь он станет военным моряком и ему даже не придется для этого стричься.

Усилия союзников по созданию атомной бомбы стимулировал страх перед бомбой немцев. В реальности соответствующая немецкая программа плохо финансировалась и испытывала серьезный кадровый голод. Главой группы ученых, занимавшихся атомным проектом, был назначен величайший квантовый физик Германии Вернер Гейзенберг. Осенью 1942 г., когда ученые поняли, что на создание бомбы у них уйдет еще по крайней мере три года работы, нацистский министр вооружения Альберт Шпеер решил временно заморозить проект. Шпеер совершил стратегическую ошибку, считая, что за три года Германия успеет выиграть войну и бомба будет уже не нужна. Тем не менее он продолжал финансировать исследования по созданию атомных подводных лодок.

Работе Гейзенберга мешали и другие обстоятельства. Гитлер заявил, что государственное финансирование получат только те программы разработки вооружений, которые обещают реальный результат максимум через полгода. Для атомной бомбы такой срок был абсолютно нереальным. Помимо отсутствия финансирования германские лаборатории страдали от атак союзников. В 1942 г. группа коммандос успешно взорвала столь необходимую Гейзенбергу фабрику по производству тяжелой воды в норвежском Верморке. В отличие от решения Ферми построить уран-графитовый реактор немцы выбрали вариант реактора на тяжелой воде, в котором можно было использовать природный уран, имеющийся в достатке, а не чрезвычайно редкий изотоп уран-235[25]. В 1943 г. союзники начали проводить ковровые бомбардировки Берлина, и это вынудило Гейзенберга перенести лабораторию в другое место. Институт физики Общества кайзера Вильгельма был эвакуирован в Хёхинген, в холмистую местность к югу от Штутгарта. Гейзенбергу пришлось строить немецкий реактор в скальной камере в близлежащем Хайгерлохе. Под сильным давлением обстоятельств и бомбежками им так и не удалось получить самоподдерживающуюся цепную реакцию.

Тем временем физики Манхэттенского проекта спешили получить достаточно плутония и урана на четыре атомные бомбы. Расчеты продолжались до самого момента решающего взрыва в районе Аламогордо (штат Нью-Мексико). Первая бомба на основе плутония-239 была взорвана в июле 1945 г. После решительной победы союзников над нацистами многие физики считали, что необходимость в бомбе отпала и применять ее против оставшегося врага – Японии – нет смысла. Некоторые были уверены, что следует взорвать демонстрационную атомную бомбу на пустынном острове в присутствии официальной японской делегации, чтобы убедить японцев в необходимости капитуляции. Третьи даже подготовили письмо президенту Гарри Трумэну с просьбой не сбрасывать бомбу на Японию. К несчастью, это письмо так и не было отправлено[26]. Один из ученых, Джозеф Ротблатт, даже вышел из проекта создания атомной бомбы; он утверждал, что его работа завершена и что бомбу ни в коем случае не следует использовать против Японии. (Позже он был удостоен Нобелевской премии мира.)

Тем не менее было принято решение сбросить даже не одну, а две атомные бомбы на Японию в августе 1945 г. Эйнштейн тогда отдыхал на озере Саранак в штате Нью-Йорк. Хелен Дукас услышала новость по радио. Позже она вспоминала, что в сообщении «говорилось, что на Японию сброшена бомба нового типа. Тогда я поняла, что это такое, потому что знала о той штуке Силарда в общих чертах… Когда профессор Эйнштейн спустился к чаю, я сказала ему о этом, и он воскликнул: “Боже мой!”».

В 1946 г. Эйнштейн попал на обложку журнала Time[27]. Характерно, что фоном для его фотографии послужило фото встающего над землей ядерного гриба. Мир внезапно понял, что следующая война, Третья мировая, вполне может оказаться атомной. При этом, заметил Эйнштейн, поскольку ядерное оружие может отбросить цивилизацию на тысячи лет в прошлое, Четвертую мировую, вполне возможно, придется вести камнями и палками. В том же году Эйнштейн стал председателем Чрезвычайного комитета ученых-атомщиков – первой, наверное, крупной антиядерной организации – и стал использовать ее как платформу для выступлений против продолжающегося строительства ядерных вооружений – и продвижения одной из своих любимых тем – мирового правительства.

Все это время, в самый разгар бури, начавшейся после появления атомной и водородной бомб, Эйнштейн сохранял душевное спокойствие и здоровье, неизменно возвращаясь к своей любимой физике. В 1940-е гг. в областях, появлению которых он способствовал, в том числе в космологии и единой теории поля, по-прежнему велись активные исследования. Это должно было стать последней и решительной попыткой Эйнштейна «прочесть мысли Бога».

После войны Шрёдингер и Эйнштейн поддерживали оживленную трансатлантическую переписку. Почти в одиночестве эти два патриарха квантовой теории продолжали сопротивляться наступлению квантовой механики; они сосредоточили свои усилия на вопросах обобщения. В 1946 г. Шрёдингер признался Эйнштейну: «Вы гонитесь за крупной добычей. Вы охотитесь на льва, тогда как я говорю о кроликах». Получив от Эйнштейна одобрительный отзыв, Шрёдингер продолжил погоню за конкретной, узкой разновидностью единой теории поля, известной как «аффинная теория поля». Вскоре Шрёдингер завершил работу над своей теорией – и убедился, что ему удалось то, что не удалось Эйнштейну: объединение света и гравитации. Он изумлялся, говоря, что новая теория – «чудо» и «дар Господень, на который я не смел надеяться».

Работая в Ирландии, Шрёдингер чувствовал себя оторванным от основных событий в физике; ему казалось, что он стал администратором от науки и бывшим ученым. Теперь же у него появилась уверенность, что новая теория может принести вторую Нобелевскую премию. Он поспешно собрал крупную пресс-конференцию. Послушать его презентацию пришли премьер-министр Ирландии Имон де Валера и другие известные лица. Когда кто-то из репортеров спросил Шрёдингера, насколько тот уверен в своей теории, ученый ответил: «Я убежден, что я прав. Если это не так, я буду выглядеть полным дураком». Однако Эйнштейн быстро понял, что Шрёдингер развил до логического результата теорию, от которой сам Эйнштейн отказался много лет назад. Как писал физик Фримен Дайсон, путь к единой теории поля усеян трупами неудачных попыток.

Неустрашимый Эйнштейн продолжал работать над единой теорией поля практически в изоляции от остального физического сообщества. Поскольку физический образ отсутствовал, он пытался найти красоту и элегантность в своих уравнениях. Математик Дж. Харди однажды сказал: «Математические образы, как образы художников или поэтов, должны быть красивыми. Идеи, как оттенки цвета или слова, должны гармонично сочетаться друг с другом. Красота – первый критерий истинности. Некрасивой математике нет места». Но у Эйнштейна не было для единой теории поля ничего, подобного принципу эквивалентности, а потому не было и путеводной звезды. Он иногда жаловался на то, что остальные физики видят мир не так, как он; впрочем, его это не очень тревожило. Он писал: «Я стал одиноким стариком. Этакий патриарх, который известен в основном тем, что не носит носков, и еще тем, что его показывают по разным поводам как диковинку. Но в работе я более фанатичен, чем когда-либо, и всерьез надеюсь, что мне удалось решить старые проблемы единства физического поля. Однако все это похоже на полет в самолете, когда можно спокойно лететь в облаках, но сложно понять, как вернуться к реальности, то есть на землю».

Эйнштейн осознавал, что, работая над единой теорией поля, а не над квантовой теорией, он отделяет себя от основных направлений исследований своего института. «Я, должно быть, похож на страуса, который вечно прячет голову в релятивистский песок, чтобы не замечать злобных квантов», – жаловался он. Годами коллеги шептались о том, что он уже не тот и отстал от жизни, но это его не задевало. «Меня в основном рассматривают как своего рода окаменелость, ослепшую и оглохшую с годами. Мне эта роль не слишком неприятна, поскольку прекрасно соответствует моему темпераменту», – писал он.

В 1949 г., на 70-летие, в честь Энштейна было устроено праздничное мероприятие в институте. Десятки физиков пришли отдать дань величайшему ученому эпохи и принесли свои статьи для сборника, выпущенного в его честь. Однако по тону выступающих и интервью с прессой стало очевидно, что некоторые критикуют его за позицию в отношении квантовой теории. Сторонникам Эйнштейна это не понравилось, но сам он воспринял это весьма добродушно. Друг семьи Томас Баки отметил, что «Оппенгеймер посмеялся над Эйнштейном в журнальной статье, заявив: “Он стар. Никто больше не обращает на него внимания”. Нас это чертовски разозлило. Но Эйнштейн совсем не рассердился. Он просто не поверил, а позже и сам Оппенгеймер отрицал, что говорил такое».

Воспринимать критиков скептически было в характере Эйнштейна. Когда посвященная ему книга вышла, он написал иронически: «Это не юбилейная книга в мою честь, а импичмент какой-то». Он был достаточно опытным ученым, чтобы понимать, что новые идеи рождаются нечасто и что он уже не так продуктивен, как в молодости. Он писал: «Все по-настоящему новое изобретается только в молодости. Позже становишься более опытным, более знаменитым – и более глупым».

Однако Эйнштейну не давали покоя повсеместные признаки того, что единство – один из величайших принципов Вселенной. Он писал: «Природа показывает нам только хвост льва. Но я не сомневаюсь, что лев в природе существует, хотя и не может открыться разом из-за своей громадности». Каждый день, просыпаясь, он задавал себе простой вопрос: будь он Богом, какой бы он создал Вселенную? Правда, с учетом всех ограничений, которые необходимо соблюсти при создании функционирующей Вселенной, вопрос можно было сформулировать и иначе: «Был ли у Бога хоть какой-нибудь выбор?» Эйнштейн смотрел на Вселенную, и все, что он видел, говорило ему о том, что единство в природе – главная тема, что Бог не мог создать Вселенную, где гравитация, электричество и магнетизм были бы отдельными независимыми сущностями. При этом он понимал, что ему недостает руководящего принципа – физической картины, которая осветила бы путь к единой теории поля. Но картины все не было.

У специальной теории относительности был образ 16-летнего подростка, несущегося в пространстве наперегонки со световым лучом. У общей теории относительности – образ человека в кресле, отклонившегося назад и находящегося на грани падения, или тяжелых шариков, катающихся по упругой поверхности. Однако с единой теорией поля никакой картины не возникало. Эйнштейн был знаменит своим высказыванием: «Господь Бог коварен, но не злонамерен». После нескольких десятилетий работы над проблемой обобщения он признался однажды своему помощнику Валентину Баргману: «Я начинаю сомневаться. Может быть, Бог все же злонамерен».

Поиск единой теории поля считался сложнейшей задачей физики, но он же, несомненно, был самой эффектной задачей и, как огонь – мотыльков, привлекал множество физиков. Так, один из наиболее серьезных критиков Эйнштейна и единой теории поля Вольфганг Паули сам в какой-то момент заразился этой идеей. В конце 1950-х гг. и Гейзенберг, и Паули демонстрировали все больший интерес к одному из вариантов единой теории поля; они утверждали, что в его рамках можно решить те проблемы, которые на протяжении 30 лет ставили Эйнштейна в тупик. Более того, Абрахам Пейс пишет: «С 1954 г. до конца жизни Гейзенберг (умерший в 1976 г.) был погружен в попытки вывести всю физику элементарных частиц из фундаментального нелинейного волнового уравнения». В 1958 г. Паули побывал в Колумбийском университете и провел презентацию единой теории поля по версии Гейзенберга – Паули. Можно не пояснять, что аудитория восприняла его выступление весьма скептически. В конце концов присутствовавший там Нильс Бор поднялся и сказал: «Мы здесь, на задних рядах, убеждены, что ваша теория безумна. Но мы никак не можем договориться между собой, насколько она безумна».

Физик Джереми Бернстайн, также присутствовавший в зале, заметил: «Это было страшное столкновение двух гигантов современной физики. Я гадал, как все это должно было выглядеть в глазах случайного посетителя-нефизика». Со временем Паули разочаровался в этой теории и пришел к убеждению, что в ней слишком много недочетов. Когда же его соавтор начал настаивать на продолжении работы, Паули написал Гейзенбергу и приложил к письму чистый лист бумаги; он писал, что если его теория на самом деле является единой теорией поля, то этот чистый лист бумаги – произведение Тициана.

Тем не менее, хотя работа в области единой теории поля продвигалась медленно и мучительно, вокруг было много других интересных и прогрессивных тем, которые не давали Эйнштейну скучать. Самой, может быть, загадочной из них была машина времени.

Для Ньютона время было подобно стреле. Сорвавшись однажды с тетивы, она безошибочно летела вперед по прямой, никогда никуда не отклоняясь. Одна секунда на Земле в точности соответствовала одной секунде в космосе. Время было абсолютно и шло во всей Вселенной одинаково, с одной и той же скоростью. События могли происходить одновременно в любых уголках Вселенной. Эйнштейн же ввел концепцию относительного времени, согласно которой одна секунда на Земле не равнялась одной секунде на Луне. Время у него было подобно большой реке, несущей свои воды между планет и звезд и замедляющей течение рядом с небесными телами. Математик Курт Гёдель поднял вопрос «Могут ли в реке времени быть водовороты и может ли она менять направление течения? Или разделиться на два рукава, создав при этом параллельную вселенную?». Эйнштейн вынужден был рассмотреть этот вопрос в 1949 г., когда Гёдель, коллега Эйнштейна по институту и величайший, возможно, математик и логик столетия, показал, что эйнштейновы уравнения допускают путешествия во времени. Гёдель начал с модели вселенной, заполненной газом и вращающейся. Оказалось, что если стартовать на ракете и облететь всю вселенную, то можно прибыть на Землю еще до отправления! Иными словами, в гёделевой вселенной путешествия во времени были бы естественным явлением, где облет всей вселенной автоматически означал бы путешествие назад во времени.

Это потрясло Эйнштейна. До того момента те, кто пытался решить его уравнения, получали результаты, соответствующие наблюдениям. Перигелий Меркурия, красное смещение, искривление пути звездного света, гравитация звезды и т. п. – все это прекрасно соответствовало экспериментальным данным. А теперь его уравнения вдруг начали выдавать решения, противоречащие всем нашим представлениям о времени. Если бы путешествия во времени были возможны, сама история как таковая оказалась бы невозможна. Прошлое, как зыбучий песок, менялось бы всякий раз, когда кто-то входил бы в свою машину времени. Хуже того, при возникновении временно́го парадокса могла бы погибнуть сама Вселенная. Что если вернуться назад во времени и застрелить своих родителей до своего рождения? Как вы смогли бы родиться, если бы убили своих родителей?

Машина времени нарушает закон причинности – заветный принцип физики. Квантовая теория не нравилась Эйнштейну именно потому, что заменяла причинность вероятностью. А теперь Гёдель норовил полностью уничтожить причинность! После долгих размышлений Эйнштейн отверг решение Гёделя по формальным основаниям, указав, что оно не соответствует наблюдаемым данным: наша Вселенная расширяется, а не вращается, так что путешествия во времени, по крайней мере пока, можно не рассматривать. Но все же оставалась надежда на то, что если Вселенная все-таки вращается, а не расширяется, то путешествия во времени не будут являться чем-то экстраординарным. Однако должно было пройти еще пять десятков лет, чтобы концепция путешествий во времени возродилась и образовала новую крупную область исследований.

В космологии 1940-е гг. выдались бурными. Джордж Гамов, служивший во время войны связующим звеном между Эйнштейном и ВМС США, интересовался не столько разработкой новых взрывчатых веществ, сколько информацией о самом-самом большом взрыве в истории Вселенной – Большом взрыве. Гамов задавался вопросами, которым суждено было перевернуть всю космологию с ног на голову. Он довел теорию Большого взрыва до логического завершения, остроумно рассудив, что если Вселенная в самом деле родилась в огне яростного взрыва, то остаточное тепло этого изначального огня можно зарегистрировать и сегодня. От Большого взрыва должно было остаться «эхо творения». Гамов воспользовался работами Больцмана и Планка, показавших, что цвет горячего объекта должен быть связан с его температурой, поскольку то и другое представляют собой различные виды энергии. К примеру, если объект раскален докрасна, это означает, что его температура приблизительно равна 3000 °C. Если объект раскален до желтого цвета (как наше Солнце), его температура близка к 6000 °C (именно такова температура на поверхности Солнца). Точно так же если наши тела теплые, то мы можем рассчитать их «цвет», соответствующий инфракрасному излучению. (Армейские приборы ночного видения эффективны именно потому, что различают инфракрасное излучение наших теплых тел.) Утверждая, что Большой взрыв произошел несколько миллиардов лет назад, два члена группы Гамова – Роберт Херман и Ральф Альфер вычислили еще в 1948 г., что остаточное свечение Большого взрыва должно соответствовать температуре на 5 градусов выше абсолютного нуля, что необычайно близко к реальной величине. Такая температура соответствует микроволновому излучению. (Это микроволновое излучение, обнаруженное несколько десятилетий спустя и соответствующее, по наблюдательным данным, 2,7 K, в свое время полностью перевернет космологические представления ученых.)

Эйнштейн, хоть и работал в Принстоне практически в изоляции, дожил до дня, когда общая теория относительности начала открывать перспективные направления исследований в космологии, теории черных дыр и гравитационных волн и в других областях. Однако последние годы его жизни были полны невзгод. В 1948 г. он получил известие о том, что Милева после долгой и трудной жизни, посвященной заботе об их душевнобольном сыне, умерла, судя по всему, от удара, во время очередной истерики Эдуарда. (Позже в ее постели было найдено 85 000 франков – очевидно, последние деньги, оставшиеся от продажи квартиры в Цюрихе. Они пошли на оплату содержания и лечения Эдуарда.) В 1951 г. умерла его любимая сестра Майя.

В 1952 г. скончался Хаим Вейцман – человек, организовавший когда-то, в 1921 г., триумфальное турне Эйнштейна по Америке и ставший президентом Израиля. После этого израильский премьер Давид Бен-Гурион неожиданно предложил пост президента Израиля Эйнштейну. Конечно, это была большая честь, но ученый был вынужден отказаться.

В 1955 г. Эйнштейн получил известие о том, что умер Микеле Бессо, помогавший в свое время оттачивать идеи специальной теории относительности. Эйнштейн трогательно писал сыну Бессо: «За что я больше всего уважал Микеле, так это за то, что он сумел прожить столько лет с одной женщиной, и не только в мире, но в постоянном единстве – то, в чем я, как ни печально, дважды потерпел неудачу… Так что в прощании с этим странным миром он еще раз опередил меня ненадолго. Это ничего не значит. Для тех из нас, кто верит в физику, это разделение на прошлое, настоящее и будущее – всего лишь иллюзия, хотя и весьма настырная».

В том же году, когда здоровье начало ухудшаться, Эйнштейн сказал: «Безвкусно продлевать жизнь искусственно. Я свое дело сделал; пора уйти. Я сделаю это элегантно». Эйнштейн умер 18 апреля 1955 г. от аневризмы (разрыва) аорты. После его смерти карикатурист Херблок опубликовал в Washington Post трогательный рисунок, где на Земле, видимой как бы из космоса, была помещена большая табличка с надписью «Здесь жил Альберт Эйнштейн». В ту ночь в газеты всего мира полетела по телеграфным проводам фотография рабочего стола Эйнштейна с рукописью его величайшей незавершенной теории – единой теории поля.

Глава 9

Пророческое наследие Эйнштейна

Биографы в большинстве своем игнорируют последние 30 лет жизни Эйнштейна, рассматривая их как нечто неловкое, недостойное гения, как пятно на его во всем остальном кристально чистой истории. Однако научный прогресс последних десятилетий позволил нам совершенно по-новому взглянуть на наследие Эйнштейна. Дело в том, что его работа была настолько фундаментальной, так перевернула само основание человеческого знания, что влияние Эйнштейна до сих пор ощущается в физике. Многие семена, посеянные Эйнштейном, прорастают только сейчас, в XXI в., прежде всего потому, что наши инструменты – космические телескопы, рентгеновские космические обсерватории, лазеры – стали достаточно мощными и чувствительными, чтобы проверить самые разные его предсказания, сделанные несколько десятилетий назад.

Можно утверждать, что крошки со стола Эйнштейна помогают сегодня ученым выиграть Нобелевскую премию. Более того, с появлением теории суперструн эйнштейнова концепция обобщения всех сил, служившая когда-то объектом осмеяния и пренебрежительных комментариев, в наше время выходит на центральное место в мире теоретической физики. В этой главе обсуждаются новые достижения в трех областях, где наследие Эйнштейна продолжает жить и править миром физики: это квантовая теория, общая теория относительности и космология, а также единая теория поля.

В 1924 г., когда Эйнштейн только написал работу по конденсату Бозе – Эйнштейна, он не думал, что это занятное явление будет обнаружено в сколько-нибудь обозримом будущем. Ведь для того чтобы все квантовые состояния коллапсировали в гигантский суператом, необходимо было охладить материалы почти до абсолютного нуля.

В 1995 г., однако, Эрик Корнелл из Национального института стандартов и технологии и Карл Виман из Университета Колорадо сделали именно это, получив чистый конденсат Бозе – Эйнштейна из 2000 атомов рубидия при температуре на двадцать милиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Кроме того, Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института независимо от них тоже получил конденсат Бозе – Эйнштейна, в котором было достаточно атомов натрия, чтобы проводить на нем важные эксперименты. Он доказал, что эти атомы демонстрируют интерференционную картину, соответствующую состоянию, когда атомы скоординированы друг с другом. Иными словами, они вели себя как суператом, предсказанный Эйнштейном более 70 лет назад.

После первоначального объявления открытия в этой быстро развивающейся области посыпались как из рога изобилия. В 1997 г. в МТИ Кеттерле с коллегами создали первый в мире «атомный лазер» с использованием бозе-эйнштейновского конденсата. Как известно, удивительные свойства лазерному свету придает то, что фотоны движутся в унисон друг с другом, тогда как обычный свет хаотичен и некогерентен. Поскольку вещество тоже обладает волновыми свойствами, рассуждали физики, поток атомов можно сделать когерентным; однако прогресс в этом направлении стопорился из-за отсутствия бозе-эйнштейновского конденсата. Теперь же физики достигли своей цели тем, что сначала охладили набор атомов и превратили их в конденсат, а затем направили на этот конденсат лазерный луч, который выстроил из атомов синхронизированный пучок.

В 2001 г. Корнелл, Виман и Кеттерле были удостоены Нобелевской премии по физике. Нобелевский комитет наградил их «за экспериментальное наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации в разреженных газах атомов щелочных металлов и за первые фундаментальные исследования свойств таких конденсатов». Практическое применение конденсата Бозе – Эйнштейна еще впереди, пока идет лишь процесс осознания. Лучи атомных лазеров могли бы оказаться в будущем ценным инструментом в применении к нанотехнологиям. Возможно, они позволят манипулировать отдельными атомами и создавать слои атомных пленок для полупроводников в компьютерах будущего.

Помимо атомных лазеров некоторые ученые говорят о построении квантовых компьютеров (компьютеров, вычисляющих при помощи отдельных атомов) на основе бозе-эйнштейновского конденсата, которые со временем могли бы заменить обычные кремниевые компьютеры. Другие говорят о том, что скрытая масса, или темная материя, может отчасти состоять из бозе-эйнштейновского конденсата. Если это так, то именно в этом странном состоянии может находиться бо́льшая часть вещества Вселенной.

Кроме того, деятельность Эйнштейна вынудила квантовых физиков заново обдумать свою преданность первоначальной копенгагенской интерпретации этой теории. Еще в 1930–1940-е гг., когда квантовые физики радостно хихикали за спиной Эйнштейна, игнорировать этого гиганта современной физики было совсем несложно, ведь значительные открытия в квантовой физике делались едва ли не ежедневно. Кто готов был тратить время на проверку фундаментальных положений квантовой теории, когда физики спешили собирать Нобелевские премии как яблоки с ветки? Проводились сотни расчетов по свойствам металлов, полупроводников, жидкостей, кристаллов и других материалов, результаты которых легко могли привести к созданию целых промышленных отраслей. На остальное просто не было времени. Вследствие этого физики десятилетиями просто привыкали к интерпретациям копенгагенской школы, «заметая под ковер» не имеющие ответа глубокие философские вопросы. Споры Бора с Эйнштейном были забыты. Однако сегодня, когда на многие «простые» вопросы о веществе получены четкие ответы, гораздо более сложные вопросы, поднятые Эйнштейном, по-прежнему остаются без ответа. В частности, по всему миру проводятся десятки международных конференций, на которых физики заново рассматривают проблему кота Шрёдингера, упомянутую в 7-й главе. Теперь, когда экспериментаторы научились манипулировать отдельными атомами, проблема кота перестала носить чисто академический характер. Более того, от ее решения может зависеть конечная судьба компьютерных технологий, которыми определяется значительная доля мирового богатства, поскольку компьютеры будущего, возможно, будут работать на транзисторах, построенных из отдельных атомов.

Сегодня признается, что из всех альтернативных вариантов копенгагенская школа Бора предлагает наименее привлекательный ответ на проблему кота, хотя до сих пор никаких экспериментальных отклонений от первоначальной боровской интерпретации не обнаружено. Копенгагенская школа постулирует существование «стены», отделяющей повседневный макроскопический мир деревьев, гор и людей, который мы видим вокруг себя, от загадочного контринтуитивного микроскопического мира квантов и волн. В микроскопическом мире элементарные частицы существуют в промежуточном состоянии между бытием и небытием. Однако мы живем по другую сторону стены, где все волновые функции уже схлопнулись, поэтому наша макроскопическая вселенная кажется нам стабильной и вполне определенной. Иными словами, наблюдателя от наблюдаемого объекта «отделяет стена».

Некоторые физики, включая нобелевского лауреата Юджина Вигнера, пошли еще дальше. Ключевой элемент наблюдения, подчеркивал Вигнер, – это сознание. Чтобы провести наблюдение и определить реальность кота, необходим наделенный сознанием наблюдатель. Но кто наблюдает за наблюдателем? Наблюдателю тоже необходим свой наблюдатель (именуемый «другом Вигнера»), который определил бы, что наблюдатель жив. Но это подразумевает существование бесконечной цепочки наблюдателей, каждый из которых наблюдает за соседом и определяет, что предыдущий наблюдатель жив и здоров. Для Вигнера это означало, что где-то существует, возможно, некое космическое сознание, определяющее природу самой Вселенной! Он писал: «Само изучение внешнего мира привело к выводу о том, что содержимое сознания и есть конечная реальность». Кое-кто утверждал в связи с этим, что это доказывает существование Бога, некоего космического сознания, или то, что сама Вселенная каким-то образом обладает сознанием. Как сказал однажды Планк, «наука не в состоянии разрешить конечную загадку Природы. А все потому, что в конечном итоге мы сами являемся частью загадки, которую пытаемся разрешить».

За прошедшие десятилетия были предложены и другие интерпретации. В 1957 г. Хью Эверетт, в то время аспирант физика Джона Уилера, предложил, возможно, самое радикальное решение проблемы кота – «многомировую» теорию, согласно которой все возможные вселенные существуют одновременно. Кот в самом деле может быть мертвым и живым одновременно, потому что сама Вселенная расщепилась надвое. Следствия из этой идеи, откровенно говоря, неуютны, поскольку при этом подразумевается, что вселенная постоянно, каждое квантовое мгновение раздваивается, образуя бесконечное число квантовых вселенных. Сам Уилер, поначалу горячо поддержавший идею своего студента, позже отказался от нее, заявив, что с таким подходом связано слишком много «метафизического багажа». Представьте, к примеру, космический луч, пронзающий в подходящий момент чрево матери Уинстона Черчилля и вызывающий выкидыш. Таким образом, одно квантовое событие отделяет нас от вселенной, в которой Черчилль, способный поднять народ Англии и всего мира на борьбу с убийственными силами Адольфа Гитлера, попросту не родился. В той параллельной вселенной нацисты, возможно, выиграли Вторую мировую войну и поработили значительную часть мира. Или представьте себе мир, где солнечный ветер, запускаемый квантовыми событиями, сбил с пути ту комету или метеорит, который 65 млн лет назад угодил в мексиканский полуостров Юкатан и стер с лица Земли динозавров. В той параллельной вселенной человек не появился вовсе и Манхэттен, где я сейчас живу, населен неистовыми динозаврами.

Голова идет кругом при мысли о всех возможных вселенных. После нескольких десятилетий бесплодных споров о разных интерпретациях квантовой теории в 1965 г. физик Джон Белл из ядерной лаборатории CERN в Женеве (Швейцария) проанализировал эксперимент, способный, по идее, решающим образом доказать или опровергнуть эйнштейнову критику квантовой теории. Придумал этакую своеобразную лакмусовую бумажку[28]. Сам он симпатизировал глубоким философским вопросам, которые поднимал в свое время Эйнштейн, потому и предложил теорему, которая должна была наконец решить этот вопрос. Первый убедительный эксперимент такого рода осуществил в 1983 г. Ален Аспе в Парижском университете, и его результаты подтвердили квантово-механическую точку зрения. Эйнштейн в своей критике квантовой теории был неправ.

Но если критику Эйнштейном квантовой теории можно смело отбросить, то какая из различных квантово-механических школ правильно видит мир? Большинство физиков сегодня считает, что копенгагенская интерпретация удручающе неполна. Стена, отделяющая, по мнению Бора, микроскопический мир от макроскопического, в наше время, когда ученые в состоянии манипулировать отдельными атомами, выглядит неубедительно. Более того, сканирующий туннельный микроскоп способен перемещать отдельные атомы; с его помощью из атомов было составлено название фирмы IBM и построены работающие счеты. Вообще, на базе манипуляций с атомами создана новая технологическая область, получившая название «нанотехнологии». Эксперименты, подобные мысленному опыту Шрёдингера с котом, теперь можно проводить на отдельных атомах.

Несмотря на это, удовлетворяющего всех физиков решения проблемы с котом до сих пор не существует. Однако почти через 80 лет после памятного столкновения Бора и Эйнштейна на Сольвеевском конгрессе некоторые ведущие физики, включая и нескольких нобелевских лауреатов, сошлись на том, что решить эту проблему поможет идея декогеренции. Декогеренция начинается с того, что волновая функция кота весьма сложна, поскольку в его теле содержится порядка 1025 атомов – число воистину астрономическое. Поэтому наблюдается интенсивная интерференция между волновыми функциями живого и мертвого кота. Это означает, что эти две волновые функции могут сосуществовать одновременно в одном и том же пространстве, но не в состоянии влиять друг на друга. Две волновые функции «декогерированы» друг от друга и больше «не чувствуют» присутствия друг друга. Согласно одной из версий декогеренции, волновые функции никогда не схлопываются, как утверждал Бор. Они просто разделяются и никогда больше не взаимодействуют.

Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг сравнивает это со слушанием радио. Поворачивая ручку, мы можем успешно настроиться на множество радиостанций. Каждая частота декогерирована с остальными, поэтому интерференции между станциями не существует. Любая комната в любом доме наполнена одновременно сигналами от всех радиостанций, причем каждый сигнал несет массу информации; тем не менее эти сигналы не взаимодействуют друг с другом. Да и радиоприемник настраивается лишь на одну из станций.

Декогеренция кажется привлекательной, поскольку означает, что исходную волновую теорию можно использовать для разрешения проблемы кота, не прибегая к «коллапсу» волновой функции. В этой картине волновые функции никогда не схлопываются. Однако логические выводы, которые можно при этом сделать, настораживают. В конечном итоге декогеренция подразумевает «множественность миров». Но вместо радиостанций, сигналы которых не интерферируют, здесь мы получаем целые вселенные, которые не взаимодействуют между собой. Может показаться странным, но это означает, что, пока вы сидите в своей комнате и читаете эту книгу, одновременно с вами существуют волновые функции параллельных миров, где нацисты выиграли Вторую мировую войну, где люди говорят на странных несуществующих языках, где динозавры не вымерли и дерутся в настоящий момент на месте вашей гостиной, где по Земле разгуливают космические пришельцы или где Земли вообще никогда не существовало. Наше «радио» настроено только на знакомый мир, в котором мы живем, но здесь же, в этой же комнате, существуют другие «радиостанции», где безумные и нелепые миры сосуществуют с нашим. Мы не можем взаимодействовать с этими динозаврами, монстрами и инопланетянами, гуляющими по нашим гостиным, потому что живем на другой «радиочастоте» и когда-то декогерировали с ними. Нобелевский лауреат Ричард Фейнман однажды сказал: «Мне кажется, я спокойно могу сказать, что квантовую механику не понимает никто».

Если критика Эйнштейном квантовой теории способствовала ее развитию, хотя и не привела, возможно, к полностью удовлетворительному разрешению всех ее парадоксов, то в других областях, в первую очередь в общей теории относительности, его идеи с лихвой наверстали упущенное. Сегодня, в эпоху атомных часов, лазеров и суперкомпьютеров, ученые проводят такие высокоточные эксперименты по проверке общей теории относительности, о каких Эйнштейн мог только мечтать. Так, в 1959 г. Роберт Паунд и Глен Ребка из Гарварда наконец получили лабораторное подтверждение предсказанного Эйнштейном гравитационного красного смещения, то есть того факта, что часы в гравитационном поле идут с разной скоростью. Они направили излучение радиоактивного кобальта из подвала Лаймановской лаборатории в Гарварде вверх, к крыше, на высоту 23 м. При помощи чрезвычайно точного измерительного устройства (построенного на эффекте Мёссбауэра) они показали, что в процессе движения из подвала до чердака фотоны теряют энергию (следовательно, снижают частоту). В 1977 г. астроном Джесси Гринстейн с коллегами проанализировал ход времени на десятке звезд из класса белых карликов. Как и ожидалось, наблюдения подтвердили, что время в сильном гравитационном поле замедляется.

Эксперимент с солнечным затмением тоже был повторен с предельной точностью, и не один раз. В 1970 г. астрономы засекли положение двух чрезвычайно далеких квазаров (3C 279 и 3C 273). Лучи света от этих квазаров изогнулись, как и предсказывала теория Эйнштейна.

Кроме того, появление атомных часов привело к настоящей революции в методиках проведения прецизионных экспериментов. В 1971 г. атомные часы поместили в реактивный самолет, летавший с востока на запад и с запада на восток. Эти атомные часы затем сравнили с атомными часами, остававшимися в неподвижном состоянии в Военно-морской лаборатории в Вашингтоне. Проанализировав показания атомных часов на самолетах, летавших с разной скоростью (но на одной и той же высоте), ученые смогли подтвердить специальную теорию относительности. Затем, проанализировав показания часов на самолетах, летавших с одной скоростью, но на разных высотах, они смогли проверить предсказания общей теории относительности. В обоих случаях результаты подтвердили предсказания Эйнштейна в пределах экспериментальных погрешностей.

Запуск искусственных спутников Земли также стал настоящей революцией в методах, при помощи которых можно проверить общую теорию относительности. Астрометрический спутник Hipparcos, запущенный Европейским космическим агентством в 1989 г., в течение четырех лет использовался для расчета отклонения звездного света Солнцем; он использовал для анализа даже звезды, в 1500 раз более слабые, чем звезды Ковша Большой Медведицы. В космосе нет необходимости дожидаться солнечного затмения – эксперименты можно проводить в любое время. Выяснилось, что свет звезд во всех случаях, без исключения, отклоняется согласно предсказаниям Эйнштейна. Более того, ученые обнаружили, что Солнце отклоняет свет звезд, расположенных на большом удалении от него.

В XXI в. планируется множество других прецизионных экспериментов, цель которых – проверить точность общей теории относительности; в их числе новые эксперименты с двойными звездами и даже опыты с отражением лазерного сигнала от поверхности Луны. Но самые интересные опыты, вероятно, будут связаны с гравитационными волнами. Эйнштейн предсказал гравитационные волны в 1916 г., однако он не надеялся увидеть когда-либо реальное подтверждение этого трудноуловимого феномена. Экспериментальное оборудование начала XX в. было попросту слишком примитивным. Но в 1993 г. Нобелевская премия была присуждена двум физикам – Расселу Халсу и Джозефу Тейлору – за косвенное подтверждение существования гравитационных волн при исследовании двойных звезд, обращающихся друг вокруг друга.

Халс и Тейлор рассмотрели пульсар PSR 1913+16 – двойную нейтронную звезду на расстоянии 16 000 световых лет от Земли; две «мертвые» звезды обращаются вокруг общего центра с периодом 7 часов 45 минут, излучая при этом гравитационные волны в огромном количестве. Представьте, к примеру, перемешивание патоки двумя ложками, которые ходят по кругу друг за другом. За каждой ложкой остается расходящийся паточный след. Аналогично, если мы заменим патоку тканью пространства-времени, а ложки – «мертвыми» звездами, мы обнаружим, что две звезды ходят по кругу друг за другом, излучая волны гравитации. Эти волны уносят энергию звезд, и они, постепенно, по спирали, сближаются. Анализируя сигналы системы, можно экспериментально определить величину уменьшения радиуса орбит звезд этой пары. Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что две звезды на каждом обороте должны сближаться приблизительно на миллиметр. За земной год расстояние между звездами уменьшилось примерно на метр при диаметре орбиты около 700 000 км, что в точности соответствовало расчетам по уравнениям Эйнштейна. В реальности система из этих двух звезд должна полностью схлопнуться всего через 240 млн лет за счет потери энергии с излучением гравитационных волн. Этот высокоточный эксперимент можно интерпретировать и иначе – как проверку общей теории относительности Эйнштейна. Полученные числа настолько точны, что можно сделать вывод: общая теория относительности точна на 99,7 % (что намного меньше погрешности эксперимента).

Не так давно сильный интерес научной общественности вызвала серия долгосрочных экспериментов по непосредственному наблюдению гравитационных волн. Проект LIGO («Лазерный интерферометр для наблюдения гравитационных волн»), возможно, окажется первым, в ходе которого удастся «увидеть» гравитационные волны, скорее всего, от столкновения двух черных дыр в дальнем космосе. LIGO – сбывшаяся мечта физика, первая установка достаточной мощности для измерения гравитационных волн. LIGO состоит из трех лазерных установок в США (две в Хэнфорде, штат Вашингтон, и одна в Ливингстоне, штат Луизиана). На самом деле это часть более крупного международного консорциума, включающего, помимо LIGO, франко-итальянский детектор VIRGO в Пизе (Италия), японский детектор TAMA в пригороде Токио (Япония) и британско-германский детектор GEO600 в Ганновере (Германия). Постройка LIGO обойдется в конечном итоге в $292 млн (плюс $80 млн на запуск в эксплуатацию и обновление), что сделает его самым дорогим проектом Национального научного фонда США.

Лазерные детекторы в LIGO очень похожи на устройство, которое использовали на заре XX в. Майкельсон и Морли в попытке обнаружить эфирный ветер; основная разница – то, что вместо обычного светового луча используется луч лазера. Лазерный луч расщепляется на два отдельных луча, которые далее идут перпендикулярно друг другу. Затем, отразившись от зеркала, они вновь соединяются. Если через интерферометр пройдет гравитационная волна, длины путей двух лазерных лучей претерпят возмущение и это отразится в их интерференционной картине. Чтобы убедиться в том, что сигнал, зарегистрированный лазерной установкой, не случаен, детекторы следует разместить в разных точках Земли. Только под действием гигантской гравитационной волны, намного превышающей по размеру нашу планету, все детекторы сработают одновременно.

Когда-нибудь NASA и ЕКА разместят серию аналогичных лазерных детекторов в открытом космосе. NASA планирует запустить три спутника под общим названием LISA («Лазерная интерферометрическая космическая антенна»)[29]. Они должны обращаться вокруг Солнца примерно на орбите Земли, образовав равносторонний треугольник (со стороной около 5 млн км). Система будет настолько чувствительной, что сможет регистрировать колебания в одну долю из миллиарда триллионов (соответствующую сдвигу в одну сотую атомного диаметра); с ее помощью ученые получат возможность зарегистрировать первичные гравитационные волны от Большого взрыва. Если все пойдет хорошо, LISA поможет разобраться в событиях, происходивших в первую триллионную долю секунды после Большого взрыва. Возможно, это будет самый мощный из космологических инструментов, исследующих рождение Вселенной. Это важно; считается, что LISA поможет получить первые экспериментальные данные о конкретной природе единой теории поля – теории всего.

Еще одним инструментом науки, введенным с подачи Эйнштейна, стали гравитационные линзы. Еще в 1936 г. Эйнштейн доказал, что близлежащие галактики могут, как гигантские линзы, фокусировать свет далеких объектов. Прошло немало десятилетий, прежде чем предсказанное Эйнштейном явление линзирования было обнаружено в реальности. Первый прорыв произошел в 1979 г., когда при наблюдении квазара Q0957+561 астрономы обнаружили, что пространство вокруг него искривляется и работает как линза, концентрируя свет.

В 1988 г. имело место первое наблюдение «кольца Эйнштейна» от радиоисточника MG1131+0456, и после этого насчитывается еще около двадцати наблюдений, в основном фрагментов колец. В 1997 г. первые полные замкнутые кольца Эйнштейна наблюдали с помощью телескопа «Хаббл» и британского комплекса радиотелескопов MERLIN («Многоэлементная связанная радиоинтерферометрическая сеть»). Наблюдая отдаленную галактику 1938+666, они обнаружили вокруг нее характерное кольцо. «На первый взгляд оно казалось искусственным, и мы подумали, что это какой-то дефект изображения, но затем поняли, что видим перед собой идеальное кольцо Эйнштейна!» – сказал доктор Иэн Браун из Университета Манчестера. Астрономы Великобритании, в восторге от этого открытия, дали картинке название «бычий глаз»[30]. Колечко, надо сказать, крохотное. Его размер составляет всего одну угловую секунду, что примерно соответствует мелкой монете, если рассматривать ее с расстояния три километра. Однако это прямое подтверждение предсказания, сделанного Эйнштейном несколько десятилетий назад.

Один из крупнейших прорывов в общей теории относительности произошел в области космологии. В 1965 г. два физика – Роберт Вильсон и Арно Пензиас – при помощи рупорного радиотелескопа в Нью-Джерси, принадлежащего Лаборатории Белла, зарегистрировали слабое микроволновое излучение из космоса. Эти исследователи никогда не слышали о новаторской работе Гамова и его учеников и случайно, сами того не понимая, поймали космическое излучение Большого взрыва. (Согласно легенде, они подумали, что видят помехи от птичьего помета, которым была усеяна в ту пору антенна их радиотелескопа. Позже физик из Принстона Роберт Дикке верно идентифицировал это излучение как микроволновое фоновое излучение Гамова.) Пензиас и Уилсон за свое открытие были удостоены Нобелевской премии.

Годы спустя специализированный космический аппарат COBE («Исследователь космического фона»), запущенный в 1989 г., дал нам подробнейшую картину микроволнового реликтового излучения, имеющего, как выяснилось, чрезвычайно гладкое распределение. Когда физики под руководством Джорджа Смута из Калифорнийского университета в Беркли тщательно проанализировали все, даже самые слабые «морщинки» на этом гладком фоне, они получили замечательную фотографию реликтового излучения Вселенной в возрасте всего лишь около 400 000 лет. Средства массовой информации ошибочно назвали эту картину «лицом Бога». (На этой фотографии запечатлено не лицо Бога, а «младенческое состояние» Большого взрыва.)

В этой картине интересно то, что ее «рябь», вероятно, соответствует крохотным квантовым флуктуациям в ходе Большого взрыва. Согласно принципу неопределенности, начало Вселенной не могло быть похоже на совершенно симметричный взрыв, поскольку квантовые эффекты непременно должны были породить неоднородности определенного размера. Именно это, вообще говоря, и обнаружила группа из Беркли. (Более того, если бы они не обнаружили никаких неоднородностей, это стало бы серьезным аргументом против принципа неопределенности.) «Рябь» не только показала, что принцип неопределенности действовал и при рождении Вселенной, но также снабдила ученых правдоподобным механизмом возникновения нашей «комковатой Вселенной». Оглядываясь вокруг, мы видим, что галактики объединены в скопления, образуя таким образом грубую текстуру Вселенной. Эту комковатость, скорее всего, можно без труда объяснить рябью от Большого взрыва, которая как бы растянулась по мере расширения Вселенной. Следовательно, скопления галактик в космосе – это, вполне возможно, следы изначальной ряби в структуре Большого взрыва, порожденной принципом неопределенности.

Однако, может быть, самое эффектное возвращение к работам Эйнштейна произошло в связи с «темной энергией». Как мы уже видели, Эйнштейн ввел концепцию космологической константы (или энергии вакуума) в 1917 г., чтобы избавиться от расширения Вселенной. (Вспомним, что существуют только два понятия, разрешенных условием общей ковариантности, – кривизна Риччи и объем пространства-времени, так что космологический член уравнения не так легко отбросить.) Позже, когда Эдвин Хаббл показал, что Вселенная на самом деле расширяется, автор концепции назвал ее своей самой серьезной ошибкой. Однако данные, полученные в 2000 г., позволили утверждать, что Эйнштейн, скорее всего, все-таки был прав: космологическая константа не только существует, но темная энергия, вероятно, представляет собой крупнейший источник материи/энергии во всей Вселенной. Анализируя сверхновые в далеких галактиках, астрономы смогли рассчитать, как изменялась скорость расширения Вселенной на протяжении миллиардов лет. К своему немалому удивлению, они обнаружили, что расширение Вселенной, вместо того чтобы замедляться, как ожидали многие, на самом деле ускоряется. Наша Вселенная идет вразнос и будет расширяться вечно. Таким образом, мы вполне можем предсказать, как она погибнет.

Прежде некоторые космологи считали, что количества вещества во Вселенной может оказаться достаточно, чтобы остановить расширение и обратить его вспять; тогда со временем Вселенная начала бы сжиматься и космические объекты демонстрировали бы уже не красное, а синее смещение. (Физик Стивен Хокинг даже считал, что время может обратиться вспять при сжатии Вселенной, а история – повториться в обратном порядке. Это означало бы, что люди молодели бы, а затем впрыгивали в материнскую утробу, что они выскакивали бы ногами вперед из бассейна и приземлялись сухими на вышку, что яичница впрыгивала бы со сковородки обратно в скорлупу, которая тут же вновь становилась бы целой. Однако позже Хокинг признал, что ошибся.) В конце концов Вселенная схлопнулась бы сама в себя, выделив в процессе «большого сжатия» громадное количество тепла. Кое-кто даже предполагал, что после этого Вселенная может пережить новый Большой взрыв; в этом случае она получилась бы пульсирующей.

Однако теперь экспериментальные данные о том, что расширение Вселенной ускоряется, позволили исключить все эти варианты. Простейшее объяснение, в которое укладываются, судя по всему, все известные данные, состоит в том, что Вселенная пронизана громадным количеством темной энергии, работающей как антигравитация, расталкивающая галактики. Чем больше становится Вселенная, тем больше в ней энергии вакуума, которая, в свою очередь, распихивает галактики еще сильнее и дальше друг от друга, заставляя Вселенную расширяться все быстрее.

Это очень напоминает одну из версий идеи об «инфляционной вселенной», первый вариант которой предложил физик из МТИ Алан Гут[31]; это модификация первоначальной теории Большого взрыва Фридмана и Леметра. Грубо говоря, в инфляционной картине имеются две фазы расширения. Первая – стремительное экспоненциальное расширение, когда во Вселенной доминирует большая космологическая константа. Со временем это экспоненциальное расширение замедляется до величин, соответствующих традиционной расширяющейся Вселенной Фридмана и Леметра. Если это так, значит, видимая Вселенная вокруг нас представляет собой всего лишь точку в гораздо более обширном пространстве-времени, представляющем настоящую Вселенную. Недавние эксперименты со стратосферными зондами тоже дали достоверные свидетельства инфляционного расширения; они показали, что Вселенная представляется приблизительно плоской, что указывает на громадность ее реальных размеров. Мы подобны муравьям, сидящим на огромном воздушном шаре; нам кажется, что наш мир плоский, только потому, что мы сами невероятно малы по сравнению с ним.

Помимо всего прочего, темная энергия вынуждает нас переоценить нашу истинную роль и положение во Вселенной. Еще Коперник показал, что человечество не занимает в Солнечной системе никакого особого положения. Существование скрытой массы (темной материи) показывает, что в атомах, из которых сложен наш мир, тоже нет ничего особенного, поскольку 90 % вещества во Вселенной составляет загадочная скрытая масса. Теперь же результат работы с космологической константой показывает, что темная энергия подавляет своей величиной скрытую массу, по сравнению с которой, в свою очередь, кажется незначительной энергия звезд и галактик. Космологическая константа, которую когда-то неохотно ввел Эйнштейн, чтобы стабилизировать Вселенную, является, вероятно, крупнейшим источником энергии в ней. В 2003 г. новый спутник для регистрации реликтового излучения WMAP подтвердил, что 4 % вещества Вселенной заключено в обычных атомах, 23 % – в какой-то форме неизвестного темного вещества и 73 % – в темной энергии.

Еще одно странное предсказание общей теории относительности – черные дыры, которые считались фантастикой, пока Шварцшильд в 1916 г. не вернул к жизни концепцию «темных звезд». К настоящему времени телескоп «Хаббл» и радиотелескоп VLA подтвердили существование более чем пяти десятков черных дыр, в основном в центрах крупных галактик. Мало того, сегодня многие астрономы считают, что примерно у половины из триллионов галактик имеются черные дыры в центре.

Эйнштейн понимал, что распознавание этих экзотических небесных объектов будет представлять серьезные трудности: они по определению невидимы, поскольку даже свет не может их покинуть, и потому обнаружить их очень трудно. Но сегодня космический телескоп «Хаббл», вглядываясь в глубину далеких квазаров и галактик, сумел сделать потрясающие фотографии вращающегося диска, окружающего черные дыры в центрах таких галактик, как M87 и NGC 4258. Можно даже увидеть, как часть этого вещества вращается вокруг черной дыры со скоростью порядка миллиона километров в час[32]. Самые подробные фотографии «Хаббла» показывают, что в центре черной дыры имеется точка около одного светового года в диаметре, мощности которой достаточно, чтобы закрутить вокруг себя целую галактику около 100 000 световых лет в поперечнике. После многих лет спекулятивных построений в 2002 г. было показано, что у нас под боком, в галактике Млечный Путь, имеется собственная черная дыра, которая весит примерно столько же, сколько четыре миллиона солнц. Таким образом, Луна обращается вокруг Земли, Земля – вокруг Солнца, а Солнце вокруг черной дыры.

Согласно расчетам, сделанным еще в XVIII в. Джоном Мичеллом и Пьером-Симоном Лапласом, масса темной звезды или черной дыры пропорциональна ее радиусу[33]. Радиус черной дыры в центре нашей Галактики соответствует примерно одной десятой радиуса орбиты Меркурия. Поразительно, что такой маленький объект может влиять на динамику всей Галактики. В 2001 г. астрономы, исследовавшие эффект линзирования по Эйнштейну, объявили, что в пределах галактики Млечный Путь обнаружена блуждающая черная дыра. По мере движения она искажала свет находящихся рядом с ней звезд. Отследив движение этого искажения света, астрономы смогли рассчитать траекторию объекта. (Блуждающая черная дыра, приближающаяся к Земле, могла бы вызвать катастрофические последствия. Она съела бы Солнечную систему целиком и не подавилась.)

В 1963 г. исследование черных дыр получило новый толчок, когда новозеландский математик Рой Керр обобщил теорию шварцшильдовой черной дыры так, чтобы включить в нее вращающиеся черные дыры. Поскольку все во Вселенной, кажется, вращается, и поскольку объекты вращаются все быстрее, когда сжимаются, было естественно предположить, что любая реальная черная дыра будет вращаться с фантастической скоростью. К всеобщему удивлению, Керр нашел точное решение уравнений Эйнштейна, в котором звезда коллапсировала во вращающееся кольцо. Гравитация в этом случае пытается схлопнуть кольцо, но центробежные эффекты могут оказаться достаточно сильными, чтобы противостоять гравитации, и вращающееся кольцо будет стабильным. Релятивистов больше всего удивило, что при пролете сквозь кольцо вас бы не раздавило. Гравитация в центре кольца сильна, но конечна, так что в принципе вы могли бы пролететь прямо сквозь кольцо, в другую Вселенную. Путешествие по мосту Эйнштейна – Розена не обязательно должно окончиться смертельным исходом. Если кольцо оказалось бы достаточно большим, через него можно было бы безопасно попасть в параллельную Вселенную.

Физики сразу же начали разбирать по косточкам все, что может произойти при падении в черную дыру Керра. Встреча с такой черной дырой, безусловно, стала бы незабываемым переживанием. В принципе, такая дыра могла бы подарить нам короткий путь к звездам, мгновенно перенося в другую часть Галактики или, может быть, вообще в другую Вселенную. Приближаясь к черной дыре Керра, вы прошли бы сквозь горизонт событий, так что вернуться в точку старта после этого уже невозможно (если только не существует другой черной дыры Керра, связывающей ту, параллельную вселенную с нашей в обратном направлении; тогда возможен круговой маршрут). Выяснилось, однако, что существуют проблемы со стабильностью этой системы. Если человек пролетает сквозь мост Эйнштейна – Розена, то созданные им искажения пространства-времени, могут вынудить черную дыру Керра закрыться, и тогда завершить проход по мосту окажется невозможным.

Какой бы странной ни казалась идея черной дыры Керра, служащей вратами или порталом между двумя вселенными, от нее нельзя просто отмахнуться по физическим соображениям, поскольку черные дыры и правда вращаются очень быстро. Однако очень скоро стало ясно, что эти черные дыры соединяют не только две отдаленных точки в пространстве, но и два времени и могут работать как машины времени.

Когда Гёдель в 1949 г. нашел первое решение уравнений Эйнштейна в форме путешествия во времени, физики рассматривали это как новацию, как изолированную аберрацию этих уравнений. Однако с тех пор были найдены десятки решений эйнштейновых уравнений, связанных с путешествиями во времени. Выяснилось, к примеру, что одно из старых решений, найденное в 1936 г. Виллемом ван Стокумом, в реальности позволяет путешествия во времени. Решение ван Стокума представляло собой бесконечный цилиндр, быстро вращающийся вокруг своей оси, как волчок. Если двигаться вокруг вращающегося цилиндра, то можно попасть в начальную точку раньше, чем вышел из нее, примерно как в решении Гёделя 1949 г. Это решение представляет интерес, но проблема в том, что цилиндр должен быть бесконечно длинным. Конечный вращающийся цилиндр, по-видимому, работать не будет. Поэтому, в принципе, и решение Гёделя, и решение ван Стокума могут быть исключены по физическим соображениям.

В 1988 г. Кип Торн из Калифорнийского технологического института с коллегами обнаружил еще одно решение уравнений Эйнштейна, разрешающее путешествия во времени сквозь кротовые норы. Ученые сумели решить проблему односторонности путешествия сквозь горизонт событий – они показали, что некий новый тип кротовых нор полностью проходим в обоих направлениях. Более того, они рассчитали, что путешествие сквозь подобную машину времени может оказаться столь же комфортабельным, как полет на обычном самолете.

Ключом ко всем этим машинам времени является материя или энергия, закручивающая пространство-время и замыкающая его на себя. Чтобы изогнуть время в крендель и замкнуть его, нужно фантастическое количество энергии, намного больше той, что известна современной науке. Для машины времени Торна необходима отрицательная материя или отрицательная энергия. Никто пока не видел никакой отрицательной материи, и если бы у вас в руке вдруг оказался кусочек такого вещества, то падать он стал бы вверх, а не вниз. Поиски отрицательной материи пока безрезультатны. Если бы что-то подобное существовало на Земле миллиарды лет назад, оно бы «упало вверх» в открытый космос и потерялось навсегда. Отрицательная энергия в самом деле существует в форме эффекта Казимира. Если взять две незаряженные металлические пластины и расположить их параллельно, то мы знаем, что они не должны ни притягиваться друг к другу, ни отталкиваться. Они должны пребывать в покое. Однако в 1948 г. Хендрик Казимир продемонстрировал любопытный квантовый эффект, при котором такие пластины притягиваются друг к другу со слабой, но ненулевой силой, которую удалось измерить в лаборатории.

Таким образом, машину времени Торна можно построить следующим образом. Возьмите две пары параллельных металлических пластин. Из-за эффекта Казимира область между пластинами каждой пары обладает отрицательной энергией. По теории Эйнштейна присутствие отрицательной энергии открывает крохотные дырки, или пузырьки, в пространстве-времени (меньше по размеру, чем любая элементарная частица) в этой области. А теперь представьте, что некая продвинутая цивилизация, далеко обогнавшая нашу, может каким-то образом манипулировать этими дырками, например взять по одной дырке из каждой пары пластин, а затем растянуть их таким образом, чтобы получившаяся длинная трубка, или кротовая нора, соединила обе пары пластин. (Связывание двух пар параллельных пластин при помощи кротовой норы выходит далеко за рамки возможного для современных технологий.) А теперь отправьте одну пару пластин в ракете, летящей со скоростью близкой к скорости света, так чтобы время в ней замедлилось. Как мы уже говорили, часы в ракете идут медленнее, чем часы на Земле. Если запрыгнуть в дыру, расположенную между параллельными пластинами на Земле, то вас засосет в кротовую нору, соединяющую две дыры, и вы неожиданно окажетесь в ракете и в прошлом – в другой точке пространства и времени.

С тех пор машины времени (или, более корректно, «замкнутые времениподобные кривые») образовали оживленный раздел физики, где десятками публикуются статьи с различными проектами, неизменно основанными на теории Эйнштейна. Однако понравилось это далеко не всем физикам. Хокингу, к примеру, идея путешествий во времени пришлась не по душе. Он насмешливо заметил, что, если бы путешествия во времени были возможны, у нас было бы не протолкнуться от туристов из будущего, а этого, согласитесь, не наблюдается. Если бы машины времени стали обычны, как автомобили, то писать историю было бы просто невозможно – ведь она менялась бы всякий раз, когда кто-нибудь поворачивал номерной диск своей машины времени. Хокинг заявил, что хочет сделать мир безопасным для историков. Однако в книге Теренса Уайта «Король былого и грядущего»[34] описано сообщество муравьев, которые подчиняются закону: «Все, что не запрещено, обязательно». Физики очень серьезно воспринимают этот закон, поэтому Хокингу пришлось постулировать «гипотезу защиты хронологии», запрещающую машины времени в приказном порядке. (Хокинг уже перестал пытаться доказывать эту свою гипотезу. Теперь он утверждает, что машина времени, хотя теоретически и возможна, практически нереализуема.)

Судя по всему, эти машины времени подчиняются тем самым физическим законам, которые нам известны в настоящий момент. Разумеется, фокус в том, чтобы получить каким-то образом доступ к необходимым для их реализации громадным энергиям (доступным только «достаточно развитым цивилизациям») и убедиться, что кротовина в самом деле стабильна по отношению к квантовым возмущениям и не склонна взрываться или захлопываться, как только вы в нее войдете.

Следует упомянуть также, что временны́е парадоксы (такие как убийство собственных родителей до своего рождения), возможно, удастся разрешить при помощи тех же машин времени. Поскольку теория Эйнштейна основана на гладких римановых поверхностях, мы не можем просто исчезнуть, если, проникнув в прошлое, создадим временной парадокс.

Существуют два возможных пути разрешения парадоксов, связанных с путешествиями во времени. Во-первых, если в реке времени возможны водовороты, то, может быть, входя в машину времени, мы просто необходимым образом дополняем прошлое. Это означает, что путешествия во времени возможны, но мы не в состоянии изменить прошлое, а можем лишь дополнить, завершить его. Изначально предопределено, что мы должны войти в машину времени и запустить движок. Такой точки зрения придерживается космолог из России Игорь Новиков: «Мы не может послать путешественника во времени в райский сад, чтобы он попросил Еву не срывать яблоко с известного дерева». Во-вторых, сама река времени может разделиться надвое, то есть может возникнуть параллельная вселенная. Так, если вы застрелите своих родителей до своего рождения, то получится, что вы застрелили людей, являющихся всего лишь генетическими копиями ваших родителей, но вовсе не вашими родителями в полном смысле слова. Ваши родители произвели вас на свет и сделали существование вашего тела возможным. Но затем вы совершили прыжок из одной вселенной в другую, и все временны́е парадоксы оказались разрешены.

Но больше всего по сердцу Эйнштейну была его единая теория поля. Эйнштейн говорил Хелен Дукас, что физики поймут, чем, собственно, он занимался лет, наверное, через сто. Он ошибался. Не прошло и 50 лет, а интерес к единой теории поля уже возродился. Поиски обобщения, которые физики когда-то осмеяли и сочли бесперспективными, сейчас представляются важными, а результат, кажется, дразняще маячит совсем рядом. Эта тема сегодня доминирует почти на любой встрече физиков-теоретиков.

После двух тысяч лет исследования свойств материи, с тех пор, когда Демокрит и другие греки задались вопросом о составе Вселенной, физика произвела на свет две конкурирующие теории, совершенно несовместимые между собой. Первая – это квантовая теория, которой нет равных при описании мира атомов и элементарных частиц. Вторая – общая теория относительности Эйнштейна, подарившая нам захватывающие дух теории черных дыр и расширяющейся Вселенной. Главный парадокс в том, что эти две теории – полные противоположности. Они исходят из разных начальных предположений, пользуются разной математикой и опираются на разные физические картины. Квантовая теория построена на дискретных пакетах энергии, называемых «квантами», и описывает танец элементарных частиц. А теория относительности основана на гладких поверхностях.

Ученые сегодня уже сформулировали самый прогрессивный вариант квантовой физики, который воплотился в так называемой Стандартной модели, объясняющей субатомные экспериментальные данные. В каком-то смысле это самая успешная теория в природе; она описывает свойства трех (электромагнитного, слабого и сильного ядерного) из четырех фундаментальных взаимодействий. Несмотря на успешность Стандартной модели, у нее есть две бросающиеся в глаза проблемы. Во-первых, она чрезвычайно некрасива; возможно, это одна из безобразнейших теорий, когда-либо предлагавшихся в науке. Теория просто связывает между собой слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия, причем связывает достаточно искусственно. Это как соединить при помощи скотча кита, муравьеда и жирафа и утверждать, что это высшее достижение природы, конечный продукт миллионов лет эволюции. При ближайшем рассмотрении Стандартная модель представляет собой путаный случайный набор элементарных частиц со странными бессмысленными названиями, такими как кварки, бозоны Хиггса, частицы Янга – Миллса, W-бозоны, глюоны и нейтрино. Хуже того, Стандартная модель вообще не упоминает о гравитации. Более того, если попытаться искусственно привязать гравитацию к Стандартной модели, выяснится, что теория сразу же рушится. Она начинает выдавать ерунду. На протяжении 50 лет все попытки связать квантовую теорию с теорией относительности оставались безрезультатными. А учитывая ее эстетические дефекты, можно заключить, что единственный довод в ее пользу – то, что она, безусловно, верна в пределах соответствующих экспериментальных данных. Очевидно, необходимо пойти дальше Стандартной модели и заново пересмотреть объединяющий подход Эйнштейна.

Теперь, через 50 лет, ведущим кандидатом на роль теории всего – теории, способной объединить квантовую теорию и общую теорию относительности, – является так называемая теория суперструн. Более того, это единственный претендент на эту роль, поскольку все конкурирующие теории уже отброшены. Физик Стивен Вайнберг сказал: «Теория струн стала нашим первым реальным кандидатом на роль окончательной теории». Вайнберг говорит, что все карты, по которым ориентировались древние моряки, указывали на существование легендарного Северного полюса, хотя прошло немало столетий, прежде чем Роберт Пири в 1909 г. наконец добрался до него. Аналогично все открытия в физике элементарных частиц указывают на существование «Северного полюса» Вселенной, то есть единой теории поля. Теория суперструн может вобрать в себя все лучшие черты квантовой теории и теории относительности удивительно простым способом. Теория суперструн основана на идее о том, что элементарные частицы можно рассматривать как ноты на колеблющейся струне. Если Эйнштейн сравнивал вещество с деревом из-за его путаных свойств и хаотичной на первый взгляд природы, то теория суперструн сводит материю к музыке. (Эйнштейну, который был превосходным скрипачом, это, вероятно, понравилось бы.)

В какой-то момент в 1950-е гг. физики отчаялись разобраться в элементарных частицах, поскольку новые частицы тогда открывали едва ли не каждый день. Роберт Оппенгеймер в раздражении однажды сказал: «Нобелевскую премию по физике следовало бы дать тому физику, кто не откроет в этом году ни одной новой частицы». Элементарным частицам надавали такое множество диковинных греческих названий, что Энрико Ферми сказал: «Если бы я знал, что будет так много частиц с греческими названиями, я бы стал ботаником, а не физиком». Но в теории струн, если бы можно было взять сверхмощный микроскоп и заглянуть непосредственно в электрон, выяснилось бы, что это не точечная частица, а колеблющаяся струна. Когда суперструна колеблется в другом режиме, или на другой ноте, она превращается в другую элементарную частицу, к примеру, в протон или в нейтрино. В этой картине элементарные частицы, которые мы видим в природе, можно рассматривать как самую нижнюю октаву суперструны. Таким образом, лавина элементарных частиц, открытых за несколько десятилетий, представляют собой просто ноты на этой суперструне. Законы химии, которые кажутся очень путаными и произвольными, представляют собой мелодии, сыгранные на суперструнах. Сама Вселенная – это симфония струн, а законы физики – не что иное, как гармонии суперструн.

Теория суперструн может также вместить в себя все наработки Эйнштейна по теории относительности. Движение струны в пространстве-времени вынуждает окружающее пространство искривляться, в точности как предсказывал в 1915 г. Эйнштейн. Более того, теория суперструн окажется противоречивой, если струна не будет двигаться в пространстве-времени в соответствии с общей теорией относительности. Как сказал физик Эдвард Виттен, даже если бы Эйнштейн вообще не открыл общую теорию относительности, ее вполне можно было бы открыть иначе, через теорию струн. Виттен заметил: «Теория струн чрезвычайно привлекательна, потому что от гравитации в ней никуда не денешься. Все известные непротиворечивые теории струн включают в себя гравитацию, так что если в квантовой теории поля, как мы ее знаем на данный момент, гравитация невозможна, то в теории струн она обязательна».

Однако теория струн позволяет сделать и еще кое-какие удивительные предсказания. Струны способны непротиворечиво двигаться только в десятимерном пространстве (одно измерение на время и девять – на пространство). Более того, теория струн – единственная теория, которая устанавливает размерность своего собственного пространства-времени. Подобно теории Калуцы – Клейна 1921 г., она способна объединить гравитацию с электромагнетизмом, предположив, что высшие измерения могут колебаться, порождая силы, способные распространяться по трем измерениям, как свет. (Если добавить одиннадцатое измерение, то в теории струн возможны мембраны, колеблющиеся в гиперпространстве. Такой вариант называется М-теорией; он вбирает в себя теорию струн и позволяет взглянуть на нее по-новому, с позиции одиннадцатого измерения.)

Что подумал бы Эйнштейн, будь он сегодня жив, о теории суперструн? Физик Дэвид Гросс сказал: «Эйнштейн был бы доволен по крайней мере целью, если не реализацией… Ему понравилось бы, что в основе всего этого лежит базовый геометрический принцип – который мы, к несчастью, как следует не понимаем». Существо эйнштейновой единой теории поля, как мы видели, состояло в том, чтобы получить вещество (дерево) из геометрии (мрамора). Гросс сказал об этом так: «Чтобы построить само вещество из геометрии – а именно этим в определенном смысле занимается теория струн… теория гравитации, в которой частицы вещества, как и другие силы природы, возникают аналогично тому, как гравитация возникает из геометрии». Полезно вернуться к ранней работе Эйнштейна по единой теории поля и взглянуть на нее с позиции теории струн. Ключ к гению Эйнштейна в том, что он умел вычленить ключевые симметрии Вселенной, объединяющие законы природы. Симметрия, объединяющая пространство и время, – это преобразование Лоренца, или повороты в четырехмерном пространстве. За гравитацией стоит другая симметрия – общая ковариантность, или произвольные координатные преобразования пространства-времени.

Однако третий подход Эйнштейна к созданию великой объединяющей теории оказался неудачным – в основном потому, что ему недоставало симметрии, которая унифицировала бы гравитацию и свет или объединила мрамор (геометрию) и дерево (вещество). Конечно, он остро чувствовал отсутствие фундаментального принципа, который провел бы его сквозь дебри тензорного исчисления. Он даже написал однажды: «Уверен, чтобы добиться реального прогресса, необходимо выведать у природы еще один какой-нибудь общий принцип».

Именно это обеспечивает всем желающим суперструна. Симметрия суперструны называется «суперсимметрией»; это необычная и красивая симметрия, объединяющая материю и взаимодействия. Как уже упоминалось, у элементарных частиц есть свойство, именуемое спином; они ведут себя как вращающиеся волчки. У электрона, протона, нейтрона и кварков, из которых состоит вещество Вселенной, спин равен 1/2; все эти частицы называют фермионами в честь Энрико Ферми, исследовавшего в свое время свойства частиц с полуцелым спином. Кванты взаимодействий, однако, основаны на электромагнетизме (их спин равен 1) и гравитации (спин равен 2). Обратите внимание, что все они имеют целый спин и называются бозонами (в честь работ Бозе и Эйнштейна). Главное здесь то, что в общем и целом вещество (дерево) строится из фермионов с полуцелым спином, тогда как взаимодействия (мрамор) строятся из бозонов с целым спином. Суперсимметрия объединяет фермионы и бозоны. Очень существенно, что суперсимметрия разрешает обобщение дерева и мрамора, о котором мечтал Эйнштейн. Фактически суперсимметрия делает возможным новый тип геометрии, удививший даже математиков; это так называемое суперпространство делает возможным «супермрамор». При этом новом подходе получается, что мы должны обобщить старые измерения пространства и времени, включить в них новые фермионные измерения, которые затем позволят нам создать «супервзаимодействие», из которого в момент рождения Вселенной и появились все взаимодействия.

Таким образом, некоторые физики считают, что следует обобщить принцип общей ковариантности Эйнштейна, чтобы он звучал так: уравнения физики должны быть суперковариантны (то есть сохранять свою форму после суперковариантного преобразования).

Теория суперструн позволяет нам заново, в новом свете увидеть старую работу Эйнштейна по единой теории поля. Когда мы начинаем анализировать решения уравнений суперструн, мы сталкиваемся со множеством странных пространств, с которыми Эйнштейн работал еще в 1920-е и 1930-е гг. Как мы видели ранее, он рассматривал обобщенные римановы пространства, которые сегодня можно соотнести с некоторыми пространствами из теории струн. Эйнштейн перебирал эти странные пространства одно за другим с мучительным упорством (включая комплексные пространства, пространства с «кручением», «свернутые пространства», «обратно-симметричные пространства» и т. п.), но так и не смог найти верную дорогу, потому что у него не было путеводного физического принципа или картины, которые могли бы помочь ему выпутаться из математической паутины. Именно здесь на сцену выходит суперсимметрия – она выступает в роли организующего принципа, позволяющего нам рассматривать многие из этих пространств с иной точки зрения.

Но является ли суперсимметрия той самой симметрией, за которой Эйнштейн безуспешно охотился тридцать последних лет жизни? Ключ к единой теории поля Эйнштейна – то, что она должна была состоять из чистого мрамора, то есть строиться на чистой геометрии. Безобразное «дерево», наполнявшее изначально его теорию относительности, должна была поглотить геометрия. Возможно, ключ к теории чистого мрамора – именно суперсимметрия. В этой теории можно ввести нечто под названием «суперпространство», где само пространство становится суперсимметричным. Иными словами, очень может быть, что окончательная единая теория поля будет построена из «супермрамора», то есть из новой «супергеометрии».

В настоящее время физики, как в свое время Эйнштейн, уверены, что в мгновение Большого взрыва все симметрии мира были едины. Четыре фундаментальных взаимодействия, которые мы видим в природе (гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия) в момент рождения Вселенной были едины и составляли некое «супервзаимодействие», а позже, по мере остывания Вселенной, разделились. Эйнштейнов поиск единой теории поля казался невозможным только потому, что сегодня силы мира ужасным образом разделены на четыре части. Эйнштейн считал, что, если бы мы могли вернуться в прошлое на 13,7 млрд лет, к моменту Большого взрыва, мы бы увидели космическое единство Вселенной во всем его величии.

Виттен утверждает, что теория струн займет когда-нибудь главенствующее место в физике точно так же, как квантовая механика главенствует в ней последние полвека. Однако на этом пути существует немало серьезных (очень серьезных) препятствий. Критики этой теории указывают на некоторые ее слабые места. Во-первых, ее невозможно проверить напрямую. Поскольку теория суперструн – это теория рождения Вселенной, единственный способ проверить ее – воссоздать Большой взрыв, то есть получить в ускорителе элементарных частиц энергии, примерно соответствующие энергии начала Вселенной. Для этого понадобился бы ускоритель размером с галактику, а это нереально даже для высокоразвитой цивилизации. Однако большая часть исследований в физике сегодня проводится косвенными методами, поэтому можно смело надеяться, что Большой адронный коллайдер позволит получить энергии, достаточные для тестирования этой теории. Коллайдер может ускорять протоны до триллионов электронвольт – энергии, достаточной, чтобы разбивать атомы. Физики надеются, анализируя осколки подобных фантастических столкновений, обнаружить новый тип частиц – суперчастицы, или «s-частицы», представляющие собой более высокие гармоники, или октавы, суперструн.

Есть даже предположения о том, что скрытая масса, или темная материя, может состоять из суперчастиц. Например, суперсимметричный партнер фотона, получивший название фотино, электрически нейтрален, стабилен и обладает ненулевой массой. Если бы Вселенная была заполнена газом из фотино, мы бы его не видели, но действовал бы он примерно так же, как темная материя. Однажды, если нам удастся все же распознать истинную природу темной материи, мы, возможно, получим косвенное свидетельство в пользу теории суперструн.

Еще один способ косвенным образом проверить эту теорию – проанализировать гравитационные волны Большого взрыва. Детекторам гравитационных волн LISA, возможно, удастся когда-нибудь зарегистрировать гравитационные волны, излученные через одну триллионную долю секунды после рождения Вселенной. Если полученные при этом данные сойдутся с предсказаниями теории струн, последняя будет раз и навсегда доказана.

Кроме того, M-теория может объяснить некоторые загадки, окружающие старую вселенную Калуцы – Клейна. Припомним, что одним из серьезных возражений против этого варианта вселенной было то, что измерения за пределами трехмерного мира не видны в лаборатории и, мало того, по размеру должны быть намного меньше атома (в противном случае атомы запросто исчезали бы в этих измерениях). Но M-теория дает нам возможное решение этой проблемы, если считать, что сама наша Вселенная представляет собой мембрану, плавающую в бесконечном одиннадцатимерном гиперпространстве. Тогда элементарные частицы и атомы просто заперты на этой мембране (в нашей Вселенной), а вот гравитация, будучи искривлением гиперпространства, свободно проникает куда угодно.

Эту гипотезу, какой бы странной она ни казалась, можно проверить. Физикам со времен Исаака Ньютона известно, что гравитационное притяжение ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния. При четырех пространственных измерениях гравитация должна, по идее, ослабевать обратно пропорционально кубу расстояния. Таким образом, измеряя крохотные отклонения от идеальной обратной зависимости от квадрата расстояния, можно засечь присутствие иных вселенных. Не так давно возникла гипотеза о том, что если всего в миллиметре от нашей Вселенной имеется другая, параллельная вселенная, то она может быть совместима с ньютоновой гравитацией – и тогда ее тоже можно будет обнаружить при помощи Большого адронного коллайдера. Это, в свою очередь, вызвало оживленный интерес физиков; стало понятно, что по крайней мере один аспект теории суперструн, возможно, в скором времени удастся проверить путем поиска либо суперчастиц, либо параллельных вселенных в миллиметре от нашей собственной Вселенной.

Параллельные вселенные, возможно, обеспечат нам еще одно объяснение феномена скрытой массы. Если где-то поблизости имеется параллельная вселенная, мы не сможем ни увидеть, ни почувствовать ее (поскольку все вещество заперто в пределах нашей собственной мембранной Вселенной), но можем ощутить ее гравитацию (которая свободно перемещается между вселенными).

Для нас это выглядело бы так, будто некоей формой гравитации обладает невидимое пространство; примерно так выглядит и скрытая масса, она же темная материя. Более того, некоторые специалисты по теории суперструн уже высказывали предположение о том, что скрытая масса может быть объяснена как гравитация соседней параллельной вселенной.

Но настоящая проблема доказательства корректности теории суперструн – не эксперимент. Нет нужды строить гигантские ускорители или космические аппараты, чтобы проверить эту теорию. Настоящая проблема носит чисто теоретический характер: если мы достаточно умны, чтобы полностью во всем разобраться и решить все теоретические вопросы, то мы, по идее, должны найти все решения соответствующих уравнений, включающие нашу Вселенную с ее звездами, галактиками, планетами и людьми. Пока на Земле не нашлось настолько умного человека. Возможно, завтра (или через несколько десятилетий) кто-то объявит, что ему удалось полностью решить все уравнения. Вот тогда-то и можно будет сказать, что это – теория всего или теория ничего. Теория струн настолько строга и точна (в ней нет никаких подстроечных параметров), что промежуточный вариант невозможен.

Позволит ли нам теория суперструн, или M-теория, объединить законы природы в одно простое непротиворечивое целое, как сказал однажды Эйнштейн? В данный момент мы еще не можем дать ответа на этот вопрос. Мы вспоминаем слова Эйнштейна: «Именно в математике содержится действительно творческий принцип. С подобной точки зрения я считаю правильным убеждение древних: чистая мысль способна постичь реальное». Возможно, поиск обобщения всех физических взаимодействий вдохновит юного читателя этой книги, и он решит завершить начатое.

Как же нам заново оценить истинное наследие Эйнштейна? Вместо слов о том, что после 1925 г. ему следовало отправиться на рыбалку и забыть о физике, лучше, возможно, сказать следующее: «Все физическое знание на фундаментальном уровне содержится в двух столпах физики – общей теории относительности и квантовой теории. Эйнштейн был основателем первой из них и крестным отцом второй, а также проложил путь к возможному объединению обеих теорий».

Библиография

Barrow, John D. The Universe That Discovered Itself. Oxford University Press, Oxford, 2000.

Bartusiak, Marcia. Einstein’s Unfinished Symphony. Joseph Henry Press, Washington, D. C., 2000.

Bodanis, David. E = mc2. Walker, New York, 2000.

Brian, Denis. Einstein: A Life. John Wiley and Sons, New York, 1996.

Calaprice, Alice, ed. The Expanded Quotable Einstein. Princeton University Press, Princeton, 2000.

Clark, Ronald. Einstein: The Life and Times. World Publishing, New York, 1971.

Crease, R., and Mann, C.C. Second Creation. Macmillan, New York, 1986.

Cropper, William H. Great Physicists. Oxford University Press, New York, 2001.

Croswell, Ken. The Universe at Midnight. Free Press, New York, 2001.

Davies, P. C. W., and Brown, Julian, eds. Superstrings: A Theory of Everything? Cambridge University Press, New York, 1988.

Einstein, Albert. Ideas and Opinions. Random House, New York, 1954.

Einstein, Albert. The Meaning of Relativity. Princeton University Press, Princeton, 1953.

Einstein, Albert. Relativity: The Special and the General Theory. Routledge, New York, 2001.

Einstein, Albert. The World as I See It. Kensington, New York, 2000.

Einstein, Albert, Lorentz, H.A.,Weyl, H., and Minkowski, H. The Principle of Relativity. Dover, New York, 1952.

Ferris, Timothy. Coming of Age in the Milky Way. Anchor Books, New York, 1988.

Flückiger, Max. Albert Einstein in Bern. Paul Haupt, Bern, 1972.

Folsing, Albrecht. Albert Einstein. Penguin Books, New York, 1997.

Frank, Philip. Einstein: His Life and His Thoughts. Alfred A. Knopf, New York, 1949.

French, A.P., ed. Einstein: A Centenary Volume. Harvard University Press, Cambridge, 1979.

Gell-Mann, Murray. The Quark and the Jaguar. W. H. Freeman, San Francisco, 1994.

Goldsmith, Donald. The Runaway Universe. Perseus Books, Cambridge, Mass., 2000.

Hawking, Stephen, Thorne, Kip, Novikov, Igor, Ferris, Timothy, and Lightman, Alan. The Future of Spacetime. W. W. Norton, New York, 2002.

Highfield, Roger, and Carter, Paul. The Private Lives of Albert Einstein. St. Martin’s, New York, 1993.

Hoffman, Banesh, and Dukas, Helen. Albert Einstein, Creator and Rebel. Penguin, New York, 1973.

Kaku, Michio. Beyond Einstein. Anchor Books, New York, 1995.

Kaku, Michio. Hyperspace. Anchor Books, New York, 1994.

Kaku, Michio. Quantum Field Theory. Oxford University Press, New York, 1993.

Kragh, Helge. Quantum Generations. Princeton University Press, Princeton, 1999.

Miller, Arthur I. Einstein, Picasso. Perseus Books, New York, 2001.

Misner, C.W., Thorne, K.S., and Wheller, J.A. Gravitation. W. H. Freeman, San Francisco, 1973.

Moore, Walter. Schrödinger, Life and Thought. Cambridge University Press, Cambridge, 1989.

Overbye, Dennis. Einstein in Love: A Scientific Romance. Viking, New York, 2000.

Pais, Abraham. Einstein Lived Here: Essays for the Layman. Oxford University Press, New York, 1994.

Pais, Abraham. Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World. Oxford University Press, New York, 1986.

Pais, Abraham. Subtle Is the Lord –: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press, New York, 1982.

Parker, Barry. Einstein’s Brainchild: Relativity Made Relatively Easy.

Prometheus Books, Amherst, N. Y., 2000.

Petters, A.O., Levine, H., and Wambganss, J. Singularity Theory and Gravitational Lensing. Birkhauser, Boston, 2001.

Sayen, Jamie. Einstein in America. Crown Books, New York, 1985.

Schilpp, Paul. Albert Einstein: Philosopher-Scientist. Tudor, New York, 1951.

Seelig, Carl. Albert Einstein. Staples Press, London, 1956.

Silk, Joseph. The Big Bang. W.H. Freeman, San Francisco, 2001.

Stachel, John, ed. The Collected Papers of Albert Einstein, vols. 1 and 2. Princeton University Press, Princeton, 1989.

Stachel, John, ed. Einstein’s Miraculous Year. Princeton University Press, Princeton, 1998.

Sugimoto, Kenji. Albert Einstein: A Photographic Biography. Schocken Books, New York, 1989.

Thorne, Kip S. Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy. W. W. Norton, New York, 1994.

Trefil, James S. The Moment of Creation. Collier Books, New York, 1983.

Weinberg, Steven. Dreams of a Final Theory. Pantheon Books, New York, 1992.

Zackheim, Michele. Einstein’s Daughter. Riverhead Books, New York, 1999.

Zee, A. Einstein’s Universe: Gravity at Work and Play. Oxford University Press, New York, 1989.

Сноски

1

Very Large Array – буквально «очень большая решетка». Радиотелескоп построен в американском штате Нью-Мексико и состоит из 27 параболических антенн диаметром 25 м каждая. – Прим. пер.

2

Мах Э. Механика. Историко-критический очерк ее развития. – М.: КомКнига, 2015.

3

И давать соответствующую интерференционную картинку. – Прим. пер.

4

Многие биографы указывают на эксперимент Майкельсона – Морли как на источник идей Эйнштейна. Однако сам Эйнштейн несколько раз ясно давал понять, что этот эксперимент оказал на его мысли лишь небольшое влияние. Он пришел к теории относительности через уравнения Максвелла. Весь посыл статьи состоял в том, чтобы показать, что в уравнениях Максвелла присутствует скрытая симметрия, которую выявляет его теория относительности, и что это следует возвести в универсальные принципы физики. – Прим. авт.

5

Эту и другие упоминаемые автором ранние статьи Эйнштейна можно найти в книге: Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. Том 1. – М.: Наука, 1965. – Прим. ред.

6

При последующем развитии физики эта концепция парадоксальным образом изменилась. Оказалось, что удобнее и корректнее говорить именно об энергии релятивистского тела, сохраняя массу неизменной – инвариантной. – Прим. пер.

7

Годом чудес (лат.). – Прим. ред.

8

За прошедшие десятилетия были придуманы десятки парадоксов, иллюстрирующих безумную, на первый взгляд, природу специальной теории относительности. В них, как правило, фигурируют две системы отсчета, движущиеся с разной скоростью, из которых производятся наблюдения одного и того же объекта. Парадоксы возникают потому, что наблюдатели в каждой системе отсчета видят этот объект двумя совершенно разными способами. Почти все парадоксы могут быть разрешены с использованием двух подходов. Во-первых, уменьшение длины в одной системе отсчета должно компенсироваться растяжением времени в другой. Если мы забываем сбалансировать искажение пространства искажением времени, возникают парадоксы. Во-вторых, они возникают в тех случаях, когда мы забываем в конечном итоге свести две системы отсчета вместе. Окончательное определение того, кто на самом деле моложе или короче, может осуществляться только при сведении двух наблюдателей вместе в пространстве и времени и сравнении их между собой. Если же мы не сводим их вместе, мы можем иметь два объекта, каждый из которых короче и моложе другого, что невозможно в ньютоновой физике. – Прим. авт.

9

Лететь быстрее света, чтобы преодолеть барьер времени и попасть в прошлое, невозможно. По мере приближения к скорости света масса объекта возрастает почти до бесконечности, сам объект сжимается почти до бесконечно малой толщины, а время почти останавливается. Из этого следует, что скорость света – максимальная скорость во Вселенной. О возможных лазейках в этом ограничении мы поговорим позже, когда речь пойдет о кротовых норах и мостах Эйнштейна – Розена. – Прим. авт.

10

Напомним, что гравитационная масса – это величина, входящая в закон всемирного тяготения и позволяющая описать дистанционное воздействие одного тела на другое, а инерциальная масса связывает силу, приложенную к телу, и приобретаемое им ускорение в соответствии со 2-м законом Ньютона. – Прим. пер.

11

Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: ЛКИ, 2014.

12

Точнее, принцип Маха утверждает, что инерция объекта и, следовательно, его масса, обусловлены присутствием во Вселенной всех остальных масс, в том числе отдаленных звезд. Мах заново озвучил наблюдение, известное со времен Ньютона, что поверхность воды во вращающемся ведре становится вогнутой (благодаря центростремительным силам). Чем быстрее вращение, тем сильнее вогнутость поверхности. Если всякое движение относительно, включая и вращение, то всегда можно считать, что ведро покоится, все отдаленные звезды вращаются вокруг него. Таким образом, рассуждал Мах, именно вращение далеких звезд вызывает вогнутость поверхности воды в неподвижном ведре. Таким образом, присутствие далеких звезд определяет инерциальные свойства ведра с водой, включая и массу. Эйнштейн модифицировал этот закон таким образом: гравитационное поле однозначно определяется распределением масс во Вселенной. – Прим. авт.

13

Полоса полного солнечного затмения 8/21 августа 1914 г. проходила через Ригу, Минск, Киев и восточные районы Крыма. 29-летний Эрвин Фройндлих прибыл 25 июля в Феодосию, где и намеревался наблюдать затмение с двумя помощниками. 4 августа они получили предписание о высылке как подданные воюющей с Россией страны, а 5 августа интернированы в Одессе, но 29 августа получили разрешение выехать в Германию в порядке обмена. – Прим. пер.

14

Общая ковариантность означает, что уравнения сохраняют форму при изменении координат (сегодня это называют «калибровочным преобразованием»). Эйнштейн в 1912 г. не понимал, что, исходя из этого, физические предсказания его теории также остаются неизменными при преобразовании координат. В 1912 г. он, к своему ужасу, обнаружил, что его теория дает бесконечное число решений для гравитационного поля вокруг Солнца. Однако через три года вдруг осознал, что все эти решения описывают одну и ту же физическую систему – Солнце. Таким образом, кривизна Риччи оказалась вполне подходящим математическим инструментом, способным однозначно описать гравитационное поле вокруг звезды согласно принципу Маха. – Прим. авт.

15

Хаос, вызванный окончанием Первой мировой войны, едва не привел к закрытию Берлинского университета, когда студенты захватили университетский городок и пленили ректора с сотрудниками. Члены факультета сразу же вызвали Эйнштейна, чтобы тот помог провести переговоры об их освобождении. Эйнштейн, в свою очередь, предложил физику Максу Борну составить ему компанию в опасной поездке на переговоры со студентами. Борн позже писал, что они пробирались «в Баварский квартал по улицам, полным дикого вида вопящих юнцов с красными повязками… Принадлежность Эйнштейна к левому крылу, если не к “красным”, была хорошо известна, и он был идеальной фигурой для переговоров». Студенты узнали Эйнштейна и передали ему свои требования. Они согласились отпустить своих пленников, если на то даст согласие новоизбранный президент – социал-демократ Фридрих Эберт. После этого Эйнштейн и Борн двинулись во дворец рейхсканцлера и обратились к президенту с просьбой; он согласился подкрепить своим авторитетом освобождение пленников. Позже Борн вспоминал: «Мы покинули дворец рейхсканцлера в самом лучшем настроении, с чувством, что приняли участие в историческом событии, и надеждой на то, что время прусской надменности прошло, что все кончено с юнкерами, с гегемонией аристократов, с кликой чиновников и военных, что теперь германскую демократию ждет победа». Эйнштейн и Борн – два физика-теоретика, интересовавшиеся прежде всего тайнами атома и Вселенной, очевидно, нашли более практичное применение своим талантам: они спасали свой университет. – Прим. авт.

16

Британский аналог Академии наук. – Прим. пер.

17

Республиканец, член Сената с 1908 по 1925 г., ярый консерватор. – Прим. пер.

18

Следует указать, что коллеги-сионисты часто опасались, что Эйнштейн, знаменитый своей откровенностью, скажет что-нибудь такое, что им не понравится. Так, одно время Эйнштейн считал, что еврейское государство должно располагаться в Перу; он подчеркивал, что, если там поселятся евреи, никого не нужно будет вытеснять из родных мест. Он часто говорил, что для любой успешной попытки создать еврейское государство на Ближнем Востоке абсолютно необходимы дружба и взаимоуважение между еврейским и арабским народами. Он писал: «Я предпочел бы видеть разумное соглашение с арабами, основанное на совместной мирной жизни, чем создание еврейского государства». – Прим. авт.

19

Великий физик и нобелевский лауреат Джон Стретт, 3-й барон Рэлей, скончался в 1919 г., так что двумя годами позже Эйнштейн мог встретиться только с его сыном Робертом, также носившим этот титул. – Прим. пер.

20

Эйнштейн, завсегдатай германского светского общества, был постоянно окружен богатыми матронами, жаждавшими приобщиться к его остроумию и мудрости, и многие из них были готовы щедро жертвовать на выбранные им дела и благотворительные проекты. Некоторые из них время от времени присылали свои личные лимузины, чтобы подбросить Эйнштейна из его загородного дома в Капуте на какую-нибудь благотворительную вечеринку или концерт. Естественно, это порождало слухи и о его любовных связях. Если проследить источник этих слухов, выяснится, что исходят они в основном из воспоминаний горничной в загородном доме Герты Вальдов, которая продала свою историю прессе. Однако у нее не было никаких доказательств предполагаемых романов Эйнштейна, и она признавала, что эти светские дамы неизменно лично угощали Эльзу шоколадом, когда увозили ее мужа, чтобы избежать каких бы то ни было подозрений в нарушении приличий. Более того, Конрад Вахсман – архитектор, участвовавший в проектировании загородного дома, наблюдал отношения в семье Эйнштейна и пришел к выводу, что все эти внешние связи совершенно невинны. Он считал, что все они «почти без исключения» были платоническими по природе и что Эйнштейн никогда не изменял Эльзе с этими женщинами. – Прим. авт.

21

Американский летчик, первым (в 1927 г.) совершивший перелет через Атлантический океан в одиночку. – Прим. ред.

22

Это произошло несколько раньше: Хаббл предположил фундаментальное различие между газопылевыми туманностями и настоящими галактиками в 1922 г. и смог доказать существование последних, разрешив несколько галактик на звезды, к 1926 г. – Прим. пер.

23

Поскольку вещество предпочитает находиться в состоянии с минимальной энергией, это означало, что все электроны имели бы возможность провалиться в состояние с отрицательной энергией, и Вселенная схлопнулась бы. Чтобы «предотвратить» такую катастрофу, Дирак постулировал, что все отрицательные энергетические состояния уже заполнены. Проходящий гамма-квант может выбить электрон из состояния с отрицательной энергией, оставив на его месте «дырку», или пузырек. Эта дырка, предсказывал Дирак, будет вести себя как электрон с положительным зарядом, то есть как антивещество. – Прим. авт.

24

Эйнштейн очень ясно изложил свою позицию по детерминизму и неопределенности: «Я детерминист, вынужденный действовать так, как будто свободная воля существует, потому что, если я хочу жить в цивилизованном обществе, я должен действовать соответственно. Я знаю, что с философской точки зрения убийца не виноват в своих действиях, но я не стал бы с ним чаевничать… У меня нет никакой власти, в первую очередь над этими загадочными железами, в которых природа готовит самую суть жизни. Генри Форд может называть это своим Внутренним Голосом, Сократ – своим демоном: каждый человек по-своему объясняет тот факт, что человеческая воля не свободна… И начало, и конец – все определено силами, над которыми мы не властны. Все определено в равной степени для насекомого и для звезды. Люди, овощи или космическая пыль – все мы танцуем под загадочный ритм, исполняемый в отдалении невидимым музыкантом». – Прим. авт.

25

Реактор Энрико Ферми, запущенный в декабре 1942 г. в Чикаго, также работал на природном уране и продемонстрировал возможность выработки изотопа плутоний-239, пригодного для изготовления атомной бомбы. Последующие американские работы развивались по двум основным направлениям: строительство реакторов на природном уране для наработки оружейного плутония и заводов по обогащению природного урана с выходом в виде почти чистого урана-235. К 1945 г. оба эти пути привели к созданию атомного заряда. – Прим. пер.

26

Петиция Силларда была засекречена Оппенгеймером и подлежала передаче установленным порядком по военным каналам. До президента она доведена не была. – Прим. пер.

27

В 1948 г. он помогал составлять свое Послание к интеллектуалам, в котором говорилось: «Человеку не удалось создать политические и экономические формы организации, которые гарантировали бы мирное сосуществование государств мира. Мы, ученые, трагической судьбой которых стало участие в разработке методов уничтожения еще более ужасных и эффективных, должны считать своим священным и исключительным долгом сделать все, что в наших силах, чтобы предотвратить использование этого оружия в бесчеловечных целях, для которых оно было придумано. Какая задача могла бы быть для нас важнее этой? Какая общественная цель могла бы быть ближе нашим сердцам?»

Он пояснил свои взгляды относительно мирового правительства так: «Единственное спасение для цивилизации… заключается в создании мирового правительства, где безопасность государств будет основываться на законе… До тех пор, пока суверенные государства продолжают иметь отдельные вооруженные силы и военные тайны, новые мировые войны будут неизбежны». – Прим. авт.

28

Точнее, Белл выступал за перепроверку старого мысленного эксперимента Эйнштейна – Подольского – Розена. В принципе, возможно измерить угол между осями поляризации пары электронов. Проведя подробный анализ зависимости между различными углами поляризации двух пар электронов, Белл сумел построить в отношении этих углов неравенство, названное его именем. Если квантовая механика верна, то величины должны удовлетворять одному набору отношений, если неверна – другому. Всякий раз, когда проводится этот эксперимент, корректными оказываются предсказания квантовой механики. – Прим. авт.

29

Первоначальный проект LISA не был реализован. Близок к осуществлению его предварительный этап под названием LISA Pathfinder, который ведет ЕКА при участии американской Лаборатории реактивного движения. – Прим. пер.

30

Именно в него попадают англоязычные стрелки вместо нашего «в яблочко». – Прим. пер.

31

Ключевой вклад в Инфляционную модель Вселенной внесли советские астрофизики А. Старобинский, А. Линде, В. Муханов и ряд других. – Прим. ред.

32

Фактически подтверждение сводится к определению скорости вращения вещества вокруг компактного центрального объекта. Масса его, оказывается, настолько велика, что единственным возможным вариантом природы объекта остается гигантская черная дыра. – Прим. пер.

33

А не кубу радиуса, как можно было бы ожидать для обычного тела. – Прим. пер.

34

Уайт Т. Король былого и грядущего. Книга Мерлина. – М.: Рипол Классик, 2013.

Content

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

Предисловие Новый взгляд на наследие Альберта Эйнштейна

Благодарности

Часть I Картина первая Верхом на луче

Глава 1 Физика до Эйнштейна

Глава 2 Ранние годы

Глава 3 Специальная теория относительности и «год чудес»

Часть II Картина вторая Искривленное пространство-время

Глава 4 Общая теория относительности и «счастливейшая мысль моей жизни»

Глава 5 Новый Коперник

Глава 6 Большой взрыв и черные дыры

Часть III Незавершенная картина Единая теория поля

Глава 7 Обобщение и квантовый вызов

Глава 8 Война, мир и E = mc²

Глава 9 Пророческое наследие Эйнштейна

Библиография

Сноски