Дэвид Боданис - Самая большая ошибка Эйнштейна Страница 8

Идея о том, что энергия и масса – одно и то же, пока еще не была вполне ясна Эйнштейну. Но летом 1905 года, завершая другие свои работы, он пошел дальше. Представление о взаимо связи энергии и массы (о туннеле, соединяющем город Е и город М) как раз и легло в основу последней статьи той эйнштейновской серии 1905 года. Но перед обнародованием столь радикальной теории следовало ответить на вопрос: как этот туннель между М и Е действует в нашем реальном мире? Может, он непосредственно передает всякие штуки взад-вперед? Или каким-то образом увеличивает их, когда они движутся в одном направлении, и сжимает, когда они движутся в обратную сторону? Первый случай вызывает в воображении мир, где есть лишь два города (скажем, Мюнхен и Эдинбург), между которыми проложен тайный ход, и по нему люди снуют туда-сюда, не меняясь в размерах: они прибывают в пункт назначения, таинственным образом обретя способность говорить на местном языке. Во втором же случае обитатели каждого города меняются в размерах, прибывая в другой: чем-то это напоминает Алису в Стране Чудес. Но жители какого города будут уменьшаться в ходе путешествия, а какого – расти?

Эйнштейн выяснил это в конце лета 1905 года. Как он показал, Вселенная устроена так, чтобы нам казалось, будто объекты в Городе массы расширяются при трансформации в энергию. В нашем примере с Мюнхеном и Эдинбургом рыхлые бюргеры города М будут попадать в трансформационный туннель, обладая обычными размерами тучных пассажиров, но затем, окончив свое удивительное путешествие в Эдинбурге, они выйдут из туннеля как невероятно огромные «энергетические существа» ростом в сотни футов, эдакие ходячие небоскребы, способные одним махом перешагнуть полгорода. А если эдинбуржцы летят по туннелю в Мюнхен, они сжимаются, так что когда эти изумленные съежившиеся пассажиры вынырнут в Мюнхене, они будут меньше, чем мельчайшие фрагменты свиных сарделек высокой плотности, которыми искушают прохожих уличные торговцы.

Насколько сильно меняются жители каждого города при таком преображении? Решая эту задачу, Эйнштейн применил совершенно невиданный подход, который пришел ему в голову в тот же удивительный год: идея столь же неожиданная, как, например, гениальный шахматный ход. Мы привыкли думать, что если мы сидим в припаркованном автомобиле и включаем передние фары, их лучи будут двигаться с определенной скоростью, и если мы затем начнем движение и достигнем, к примеру, 90 километров в час, лучи света будут двигаться быстрее на те же 90 километров в час.

Однако, исходя из некоторых глубинных принципов, Эйнштейн пришел к выводу, что это не так. Путем еще кое-каких изобретательных выкладок он сумел показать, что энергия и масса превращаются друг в друга и что это, в сущности, просто два обозначения одной и той же штуки.

К тому времени ученые уже давно выяснили, что скорость света очень велика. Она составляет примерно 670 миллионов миль в час [около 300 тысяч километров в секунду]: этого вполне достаточно, чтобы сигнал, посланный с Земли, достиг Луны менее чем за 2 секунды, а всю Солнечную систему пересек за какие-то часы. Эту величину (670 миллионов миль в час, или 300 тысяч километров в секунду) обозначили буквой c, от латинского слова celeritas («быстрота»).

Если массу, путешествующую по туннелю, просто умножить на эту большую величину, такая масса даст колоссальное количество энергии. Но расчеты Эйнштейна показали, что даже этого недостаточно. Возведите с в квадрат, и вы получите (если исходили из скорости, выраженной в милях в час) примерно 449 000 000 000 000 000 000. Вот во сколько раз любой клочок массы будет увеличиваться, превращаясь в энергию. Итак, масса способна становиться энергией, порождая при этом невероятно огромные количества этой самой энергии. Огромное число c² точно показывает, каково это изменение. Короче говоря, Е = mc².

Почти все время энергия, присущая массе, остается скрытой, поскольку почти все вещества на Земле весьма малоподвижны. Энергия, которая таится внутри обычного камня или металла, подобна (Эйнштейн часто обращался к этому сравнению) огромной груде монет, которые хранит у себя богач-скряга: они способны оказать очень большое воздействие, если пустить их в дело, но деньги эти держат в запертом подвале, и окружающему миру они не видны. Впрочем, уже в 1905 году некоторые специалисты нащупывали пути к тому, чтобы выпустить кое-что наружу.

В Париже Мария и Пьер Кюри прославились благодаря своим опытам, в ходе которых они обнаружили радиоактивность: из крупиц радиевой породы неустанно сочится тепло – час за часом, день за днем, год за годом. При этом сама радиевая руда с виду совершенно не менялась, хотя теперь-то мы понимаем, что вся эта энергия излучалась благодаря трансформации весьма небольшого количества атомов: при умножении на величину c² (449 и пятнадцать нулей, если выражать скорость света в милях в час, или 9 с десятью нулями, если выражать скорость света в километрах в секунду) возникает заметное тепловое излучение. Эйнштейн, конечно, слышал о работах супругов Кюри. В конце своей финальной статьи 1905 года (будучи еще достаточно скромным, дабы понимать, что всякая великая идея нуждается в каких-никаких доказательствах) он предположил: «Не исключено, что окажется возможным проверить эту теорию на материалах, чье энергетическое содержание колеблется в широких пределах: например, на солях радия».

Лето перешло в осень, и Эйнштейн, внеся последние исправления в свою пятую и последнюю статью в этом цикле, отослал ее в немецкий журнал Annalen der Physik. Он понятия не имел, что ждет человечество впереди. Всего 40 лет спустя ученые одной великой страны придумают, как сделать так, чтобы целые унции очищенного урана претерпевали трансформацию согласно его уравнению: каждый грамм массы «усиливался» благодаря огромному множителю с², «исчезая» как материя и тут же являя себя в виде чистой энергии. В результате энергия, взметнувшаяся над Хиросимой, разрушила весь город, породив пожары, ураганы и вспышку света столь интенсивную, что она достигла даже Луны, после чего, отразившись от нее, снова дошла до Земли. Когда эмигрировавший в США Эйнштейн услышал в 1945 году эту новость по радио, ученый печально сказал своей верной секретарше: если бы он знал, что такое случится, он и пальцем бы не пошевелил, чтобы этому поспособствовать.

Но все это лишь далеко в будущем, а пока молодой физик доволен своей работой. В предпоследней статье, отосланной в Annalen der Physik, он показал основополагающую роль, которую скорость света играет в самых разных идеях и понятиях. Статья вышла в сентябре 1905-го, и изложенные в ней взгляды позже стали называть специальной теорией относительности. Через день после выхода журнала редакция получила его последнюю в этой серии статью – демонстрирующую впечатляющий вывод, основанный на предыдущей статье: масса и энергия могут превращаться друг в друга. Это следствие специальной теории относительности опубликовали 21 ноября 1905 года, и оно стало завершением его annus mirabilis – самого необычайного года и для Эйнштейна, и для всей мировой науки.

За какие-то месяцы 1905 года никому не ведомый 26-летний Эйнштейн опубликовал статьи, которые можно смело отнести к числу наиболее выдающихся во всей истории науки. Он увидел, как четко организован внутренний механизм Вселенной, разглядев невообразимый прежде туннель между массой и энергией, который столь точно описывается уравнением E = mc². Эти и другие идеи его статей 1905 года постепенно приведут к полному пересмотру царивших тогда представлений обо всем – от действия света до природы пространства и времени. Постепенно осознавая всю значимость этой работы, физики дадут ее автору почувствовать вкус уважения коллег, которого он так жаждал. Но когда осенью 1905-го вышла последняя статья цикла, Эйнштейн мог лишь гадать, что ждет его впереди – и какой большой путь ему еще предстоит пройти.

Да, его уверенность в себе росла, но высокомерия и самодовольства в нем отнюдь не замечалось. Когда ему впервые пришла в голову идея последней статьи (о связи Е и М), он написал одному из друзей: «Идея забавная и очень заманчивая. Впрочем, не знаю, потешается надо мной Господь или же ведет меня по тайной тропе в райский сад».

И еще он безмерно устал: сказывались долгие месяцы изнурительных трудов. Всего перечисленного он добился, по-прежнему работая в своем бюро по 6 дней в неделю, по 8 часов в день. Когда он наконец закончил свой труд, они с Милевой отправились выпить, что случалось у них чрезвычайно редко: Эйнштейн нечасто позволял себе больше одной кружки пива, и обычно они оба просто пили за столом чай или кофе. Их недостаточный опыт в этой сфере демонстрирует сохранившаяся открытка, подписанная ими обоими и несущая в себе следующее откровение: «Увы, мы оба, вдрызг пьяные, валялись под столом».