Прямоходящие мыслители. Путь человека от обитания на деревьях до постижения миро устройства - Леонард Млодинов

Теория относительности потребовала не замены Ньютоновой теории, а, скорее, ее видоизменения: Ньютоновы законы движения необходимо было подправить и с удобством обустроить в новой модели Эйнштейновых времени и пространства, согласно которой результаты измерений зависят от скорости измеряющего. Для предметов и наблюдателей, движущихся сравнительно медленно относительно друг друга, теория Эйнштейна, по сути, эквивалентна Ньютоновой. И лишь когда рассматриваемые скорости приближаются к скорости света, эффекты относительности делаются заметными.

Поскольку необычные эффекты относительности проявляются лишь в чрезвычайных условиях, на нашу повседневную жизнь они влияют гораздо меньше, чем квантовая теория, объясняющая саму стабильность атомов, из которых мы состоим. Но никто в те времена не знал, до чего далеко идущими у квантовой теории окажутся следствия, а между тем теория относительности произвела на сообщество физиков эффект землетрясения: в Ньютоновом мировосприятии, формировавшем науку на протяжении двухсот с лишним лет, наметилась первая трещина.

Теория Ньютона основывалась на том, что объективная действительность у нас одна. Пространство и время образуют неизменную структуру – сцену, на которой разворачиваются события мира. Наблюдатели пусть наблюдают откуда угодно, двигаясь или нет, видеть они будут одну и ту же пьесу, подобно Богу, что глядит на нас извне. Относительность противоречила этой установке. Утверждая, что нет никакой единой пьесы, – то есть, применительно к нашей повседневной жизни, действительность, переживаемая нами, у каждого своя личная и зависит от того, где мы находимся и как движемся, – Эйнштейн взялся рушить Ньютонов мир так же, как Галилей взялся за снос Аристотелева.

Работы Эйнштейна оказали важное влияние на культуру физики: они придали смелости не одному поколению новых мыслителей и упростили им решение дерзать и возражать старым представлениям. К примеру, книга по теории относительности, которую Эйнштейн написал для школьников, вдохновила Вернера Гейзенберга [Хайзенберга], с которым мы скоро познакомимся, податься в физику, а подход

Эйнштейна к относительности наделил Нильса Бора, с которым мы тоже вскоре встретимся, храбростью вообразить, что атом может подчиняться законам, радикально отличным от тех, что правят нашей повседневной жизнью.

Как ни странно, из всех великих физиков, принявших и понявших Эйнштейнову теорию относительности, менее всех впечатлился сам Эйнштейн. По его мнению, он призывал не отринуть Ньютонов взгляд на мир, а лишь слегка его подправить, и поправки эти очень мало сказывались на почти любых экспериментальных наблюдениях того времени, однако, что важно, исправляли недочет в логическом устройстве теории. Более того, математические изменения, необходимые для того, чтобы Ньютонова теория не противоречила теории относительности, внести было довольно просто. И потому, тогда как Эйнштейн позднее сочтет квантовую теорию концом Ньютоновой физики, по словам физика и биографа Абрахама Пайса, он «считал теорию относительности никакой не революцией»[341]. По Эйнштейну, работа по теории относительности – наименее значимая из его трудов 1905 года. Куда фундаментальнее, с его точки зрения, были две другие его статьи – об атоме и о кванте.

Работа Эйнштейна, посвященная кванту, анализировала явление броуновского движения, открытое старым другом Дарвина Робертом Броуном в 1827 году. «Движение», о котором идет речь, – загадочные, случайные блуждания крошечных частиц вроде зернышек пыльцы в воде. Эйнштейн считал это движение результатом высокочастотной бомбардировки плавающей частицы субмикроскопическими молекулами. Хотя отдельные столкновения недостаточны, чтобы спихнуть частицу с места, Эйнштейн доказал, что статистически количество и частота, с которой дергается наблюдаемая частица, могут быть объяснены тем, что очень редко, по чистой случайности, гораздо больше молекул ударяют частицу с какой-нибудь одной стороны и таким образом сообщают ей нужный для движения импульс.

Эта работа мгновенно стала сенсацией – и до того яркой, что даже заклятый враг понятия атома Оствальд после чтения работы Эйнштейна признал, что атомы существуют. Великий поборник представления об атоме Больцман, с другой стороны, по необъяснимым причинам не узнал ни о работе Эйнштейна, ни о перемене настроений, которая возникла в результате. Отчасти от отчаяния из-за отклика на его собственные работы он на следующий же год совершил самоубийство. Это тем более печально, потому что, благодаря статье Эйнштейна по броуновскому движению и той, что он написал в 1906 году, физики наконец согласились с подлинностью предметов, которые не могут ни потрогать, ни увидеть, – именно это без особого успеха проповедовал сам Больцман аж с 1860-х годов.

За три десятилетия ученые, применив новые уравнения, описывающие атом, подошли к возможности объяснять глубинные законы химии и, наконец, растолковать и доказать представления Дальтона и Менделеева. Взялись они и за работу над воплощением мечты Ньютона о постижении свойств материалов на основании анализа сил, что действуют между частицами, составляющими их, то есть атомами. К 1950-м годам ученые продвинутся еще дальше и применят знание атома к более глубокому пониманию биологии. А во второй половине ХХ века теория атома проложит путь технологической, компьютерной и информационной революциям. Начавшись с анализа движения частицы пыльцы, новое знание превратится в инструмент, который преобразит современный мир.

Законы, на которых зиждутся все перечисленные практические начинания, и уравнения, описывающие свойства атома, не могли бы, тем не менее, возникнуть из классической физики Ньютона – и даже из поправленной «релятивистской» формы его не могли бы. Описание атома требовало новых законов природы – квантовых, и именно квант стал предметом второй революционной статьи Эйнштейна в 1905 году.

В той статье под названием «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света»[342] Эйнштейн взял представления Планка и вывел из них глубокие физические принципы. Эйнштейн осознавал, что, как и теория относительности, квантовая теория – вызов Ньютону. Но тогда квантовая теория еще никак не намекала ни на масштаб этого вызова, ни на ошеломляющие философские последствия, которые возникнут при дальнейшем ее развитии, и потому Эйнштейн не понимал, во что он вдохнул жизнь.

Поскольку «точка зрения», которую Эйнштейн представил в своей работе, предполагала обращение со светом как с квантовой частицей, а не как с волной, то есть не в соответствии с успешнейшей теорией Максвелла, к статье отнеслись не так, как к другим его переворотным работам 1905 года. Еще точнее: физическому сообществу на принятие этой статьи потребовался десяток лет. Чувства самого

Эйнштейна по этому поводу наглядно иллюстрирует письмо, написанное им другу в 1905 году[343], до отправки всех трех статей. О своей работе по относительности Эйнштейн заметил, что часть ее «тебя заинтересует». Меж тем работу по квантовым воззрениям он назвал «очень революционной». И, конечно, именно она оказала наиболее мощное влияние, и, в частности, за нее Эйнштейн получил в 1921 году Нобелевскую премию.

Эйнштейн неслучайно принялся за квантовую теорию там, где Планк ее бросил. Как и Планк, Эйнштейн начал свою карьеру в тех же застойных водах – в термодинамике, и трудился над вопросами, связанными с ролью атомов. Но в отличие от Планка Эйнштейн был для современной физики человеком посторонним. И в отношении атома у Эйнштейна с Планком были диаметрально противоположные цели: Планк своей диссертацией стремился выпихнуть понятие атома из физики, а Эйнштейн говорил, что задача его первых статей, написанных между 1901 и 1904 годами, – «найти факты, гарантирующие как можно точнее существование атомов определенных конечных размеров»[344], и в 1905 году в своем революционном исследовании обусловленности броуновского движения случайными перемещениями атомов он этой цели наконец достиг.

Но хотя Эйнштейн и помог физикам окончательно принять понятие атома, в своей работе, посвященной квантовой теории Планка, Эйнштейн ввел новую «атомоподобную» теорию света, которую физикам оказалось еще труднее усвоить. Изучив исследования абсолютно черного тела, проделанные Планком, Эйнштейн пришел к своей собственной теории. Не удовлетворившись рассуждениями Планка, он разработал собственные математические приемы понимания этого явления. И хотя пришел он к тому же заключению – что излучение абсолютно черного тела можно объяснить лишь в понятиях кванта, – в его объяснении содержалось важнейшее, пусть и чисто техническое с виду, отличие: Планк допустил, что дискретный характер энергии излучения происходит от особенностей осцилляции атомов и молекул абсолютно черного тела, происходящей при излучении, а Эйнштейн счел дискретную природу неотъемлемым свойством самого излучения.