В 1895 году голландский математик Хендрик Лоренц (1853–1928) предложил свое объяснение постоянства скорости света. Он разработал ряд правил, которые связывают увиденное наблюдателем, находящимся в движении, с тем, что он должен видеть в состоянии покоя (см. главу 2). В этих правилах он ввел понятие некоего «фиктивного» времени: если вы двигаетесь с высокой скоростью, вам надлежит использовать именно это время, которое будет отличаться от времени, отсчитанного нормальными часами. Благодаря этому математическому трюку все становится на свои места, и скорость света оказывается одинаковой для всех.
Искривление времени
Пятью годами позже французский ученый Анри Пуанкаре (1854–1912) написал статью «Измерение времени», в которой оспаривал наше непреклонное отношение ко времени. Если Лоренц представлял искривление времени просто как математический трюк, то Пуанкаре (не ссылаясь явно на Лоренца) показал, что в будущем, по-видимому, придется отказаться от концепции единства физического времени. Этот своеобразный философский прорыв помог в дальнейшем Эйнштейну сформулировать свою теорию относительности.
С философской точки зрения второй побуждающий импульс для творчества Эйнштейна исходил от австрийского физика и философа Эрнста Маха (1838–1916). В своей книге «Механика. Историко-критический очерк ее развития» (1883) Мах утверждал, что мы никогда не должны говорить об абсолютном движении тела; мы можем говорить только о его движении относительно чего-либо.
Итак, почва для Эйнштейна была готова. В статье «Об электродинамике движущихся тел» он выдвинул два предположения:
1. Законы физики остаются одинаковыми в любой системе отсчета, движущейся с постоянной скоростью.
2. Мы должны со всей серьезностью относиться к уравнениям Максвелла – любой луч света движется в любой такой системе отсчета с одинаковой скоростью.
Об Альберте Эйнштейне
Альберт Эйнштейн родился на юго-западе Германии в городе Ульме 14 марта 1879 года. Он был вторым ребенком в семье Германа Эйнштейна, основателя электрической инженерной компании, и его жены Паулины. Семья, которая происходила из евреев-ашкеназов, не соблюдавших религиозные ритуалы, вскоре переехала в Мюнхен, где Альберт и пошел в школу.
В возрасте 17 лет Эйнштейн поступил в швейцарскую Федеральную политехническую школу в Цюрихе, чтобы получить диплом преподавателя физики и математики. Здесь же он познакомился со своей сокурсницей Милевой Марич, на которой женился в 1903 году. Из переписки супругов, обнаруженной в 1987 году, следует, что еще до официальной регистрации брака, в 1902 году, у них родилась дочь. Судьба этой девочки неизвестна: может быть, она была удочерена третьими лицами либо умерла в младенчестве. Позднее у супругов родились два сына, Ганс и Эдуард. Но семейная жизнь не удалась, и в 1919 году супруги развелись, после чего Альберт Эйнштейн женился на своей кузине Эльзе Лёвенталь, урожденной Эйнштейн.
После окончания высшего учебного заведения Эйнштейн провел два года в неудачных поисках преподавательской работы и, в конце концов, поступил на работу в Швейцарское патентное бюро. Именно здесь, в свободное время, он сделал свои первые открытия и написал замечательную серию статей в знаменательный для него 1905 год (см. «Чудесный год» в главе 2). Все его труды привели к тому, что в 1908 году он был назначен преподавателем в Бернском университете в Швейцарии. Довольно скоро Эйнштейн получил должность профессора в Цюрихском университете. К 1914 году он уже являлся профессором Берлинского университета. Без малого два десятка лет Эйнштейн работал в этом университете. Затем политическая ситуация в Германии изменилась, нацистские власти стали преследовать евреев, запрещая им занимать преподавательские должности в университетах. В 1933 году Эйнштейн отказался от гражданства Германии и уехал в Америку. Он получил работу в Институте перспективных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси) и работал там до пенсии.
Эйнштейн знаменит не только своими замечательными научными открытиями. Он был страстным любителем музыки, пацифистом, борцом за права человека и сторонником сионизма. Он умер от аневризмы в 1955 году в возрасте 76 лет. Место, где развеян его прах, неизвестно. Мозг ученого был сохранен (см. далее в этой главе).
Относительно специальная
Несколько коротких страниц статьи Эйнштейна, как рог изобилия, вместили в себя все те постулаты, которые мы сейчас называем специальной теорией относительности. Многие данные были известны и ранее, но теперь они были собраны вместе и получили ясную физическую интерпретацию. Стало ясно, например, что замедление времени вполне реально: находящиеся в движении часы действительно должны запаздывать. Возможно, благодаря крепкому фундаменту, заложенному Лоренцем и Пуанкаре, специальная теория относительности Эйнштейна, предложенная им в 1905 году, не вызвала больших возражений. Конечно, она не произвела такого фурора, как последующая за ней общая теория относительности, для создания которой потребовалось еще более десятка лет.
Первый результат в этом направлении был получен польско-немецким математиком Германом Минковским (1864–1909), но он оказался малоутешительным. Минковский предложил лаконичное объяснение специальной теории относительности, соединив воедино пространство и время. События, разворачивающиеся в пространстве и времени, можно представить в виде карты: нижняя часть карты – это далекое прошлое, верхняя – отдаленное будущее, а слева и справа располагаются самые различные места в пространстве. Минковский понимал, что движение происходит по различным направлениям пространства-времени: вместо того, чтобы двигаться строго вверх, вы отклоняетесь то влево, то вправо. Математически это очень похоже на вращение, когда часть вашего пространства заменяется временем, а часть вашего времени – пространством. Такая абстрактная картина правильно, в стройной и логичной манере, приводит к результатам специальной теории относительности.
Но Эйнштейн понимал, что специальная теория относительности имеет ограничения. Она корректно связывает различные системы координат только в том случае, если они движутся с постоянными скоростями. Эйнштейна также беспокоила роль гравитации. Наилучшей теорией гравитации на тот момент была теория всемирного тяготения Ньютона. Ньютон, как и Максвелл, стремился к объединению различных явлений: он показал, что та же сила, которая удерживает нас на поверхности Земли, удерживает и Луну от бегства в космическое пространство и заставляет Землю кружить вокруг Солнца. Эта теория работает прекрасно, но подразумевает наличие мгновенной притягивающей силы, подобно тому, как присутствие Земли у нас под ногами означает, что к нам с ее стороны приложена сила. В каждый момент времени мы чувствуем притяжение всех галактик, рассеянных в космосе. Такие представления не уживаются со специальной теорией относительности, в которой ничто не может распространяться мгновенно; чтобы уладить противоречия, приходится предположить, что скорость движения тел, а также их взаимодействия, не должна превышать скорость света.
Принцип эквивалентности
Первую попытку внедрить гравитацию в свою теорию Эйнштейн предпринял в 1907 году, сформулировав так называемый принцип эквивалентности. Он указал на то, что при падении мы как будто находимся в мире без гравитации. Окружающие нас предметы, находящиеся одновременно с нами в состоянии падения, будут казаться неподвижными, потому что падают с такой же скоростью. Именно это и происходит на Международной космической станции: то, что космонавты находятся в невесомости, вовсе не означает, что на них не действует поле притяжения Земли; просто космическая станция все время падает на Землю вместе с космонавтами. (Другое дело, что она никогда не упадет на нашу планету, так как одновременно двигается с высокой скоростью в горизонтальном направлении.)
