Задача, стоявшая перед Эйнштейном, была ясна. Нужно было понять, как измеряются пространство и время для людей движущихся с различной скоростью относительно друг друга, так чтобы на всех них распространялись одни и те же законы физики. Эти законы должны быть едиными вне зависимости от того, как человек движется: падает, вращается или сидит, вжавшись в кресло, в резко стартующей машине. Специальную теорию относительности нужно было превратить в общую.
[143]
В этом желании Эйнштейна не было ничего необычного. Для того чтобы законы физики приобрели универсальный статус, они не должны зависеть от точки зрения наблюдателя. Движемся мы мимо магнита с постоянной скоростью или с ускорением — это не должно играть никакой роли. Закон магнетизма должен оставаться неизменным.
Но у специальной теории относительности были и другие проблемы, помимо ускорения. Например, она не сочеталась с законом всемирного тяготения Ньютона.
По сути, этот закон описывает, как значение силы притяжения меняется при увеличении расстояния до тела, обладающего массой, к примеру Солнца. Это можно переформулировать так: притяжение массивного тела ощущается на любой дистанции мгновенно, а это равнозначно заявлению о том, что гравитация движется со скоростью света. Однако, если верить специальной теории относительности, ничто, даже сила притяжения, не может преодолеть космический потолок скорости, то есть скорость света.
Закон всемирного тяготения Ньютона и специальная теория относительности Эйнштейна вступают в наиболее очевидный конфликт в гипотетическом сценарии, при котором наше Солнце исчезает. Разумеется, подобное событие вряд ли произойдёт! Но если бы это случилось, то, согласно Ньютону, Земля тут же заметила бы это и улетела в космос. Если же верить Эйнштейну, то она спокойно оставалась бы на своём месте в течение того времени, которое требуется солнечному свету, чтобы достигнуть нашей планеты. Лишь через 8,5 минуты мы бы поняли, что Солнца больше нет, — и Земля покинула бы свою орбиту.
Эйнштейн установил, что единственный способ включить скорость света как предел допустимой скорости в закон всемирного тяготения — использовать понятие поля. Оно было введено английским учёным и первооткрывателем электричества Майклом Фарадеем в начале XIX века.
[144] Подходя к магниту с куском железа в руках, Фарадей чувствовал, как на металл действует невидимая сила притяжения, которая формирует вокруг магнита силовое поле. Когда же он рассыпал металлическую стружку вокруг магнита, то смог даже разглядеть линии этой силы.
По мнению Фарадея, магнит не влияет с определённой силой непосредственно на кусок железа в его руке. Вместо этого он распространяет вокруг себя магнитное поле, подобно лучу-транспортёру в «Звёздном пути», а это поле, в свою очередь, воздействует на железо. Кажется, будто разница невелика. Но эта гипотеза не только утверждает, что поле существует в физической реальности (в случае с электромагнитным полем проходящая через него вибрация является электромагнитной волной (светом)), но и признаёт, что оно может распространяться с определённой скоростью.
[145]
По аналогии с электромагнетизмом Эйнштейну нужно было создать такую теорию, в рамках которой масса была бы источником гравитационного поля, а уже это поле воздействовало бы на другие объекты, обладающие массой. Что самое важное, это поле должно было бы распространяться с определённой скоростью, которая вписывалась бы в космический лимит.
Однако создание теории гравитационного поля, совместимой со специальной теорией относительности, было ещё не самой сложной из задач Эйнштейна. Третья из его проблем была связана с тем, что источником притяжения в ньютоновской теории была масса. Но Эйнштейн уже выявил, что все формы энергии имеют эффективную массу и, следовательно, силу притяжения. Соответственно, конечным источником гравитации должна быть не масса, а энергия.
Эйнштейн почти наверняка осознавал эти недочёты специальной теории относительности после завершения своей статьи в 1905 году. Но решающей стадии его затруднения достигли в октябре 1907 года, когда немецкий физик Йоханнес Штарк предложил ему сделать краткий пересказ его теории для журнала The Yearbook of Radioactivity and Electronics.
В то время Эйнштейн всё ещё работал в патентном бюро, а 1 апреля 1906 года ему даже был присвоен ранг технического инспектора II класса. Трудясь над статьёй после работы, он управился с ней за два месяца и 1 декабря 1907 года передал её Штарку. В первых четырёх разделах приводились базовые идеи специальной теории относительности, а также объяснялось, что она значит для времени, места, массы и энергии. Пятая часть была озаглавлена «Принцип относительности и гравитация».
Пока другие физики изо всех сил пытались понять запутанные идеи специальной теории относительности, Эйнштейн уже понимал, что это только начало. В письме своему другу Конраду Хабихту в конце декабря он признавался, что работает над новой концепцией относительности, хотя пока у него ничего не выходит.
[146]
Это были прозорливые слова. Эйнштейну потребуется ещё восемь лет, чтобы включить в свой принцип относительности гравитацию и создать общую теорию относительности. Возможно, это заняло бы у него ещё больше времени, если бы не озарение, которое посетило его, пока он смотрел в окно патентного бюро.
Для дополнительного чтения
Bais S. Very Special Relativity. — Cambridge, MA: Harvard University Press, 2007.
Einstein A. Relativity: The Special and General Theory. — London: Folio Society, 2004.
Fölsing A. Albert Einstein. — London: Penguin, 1998.
Jaffe B. Michelson and the Speed of Light. — Garden City, NY: Anchor Books, 1960.
