После окончания Политехникума в 1900 году Эйнштейн два года безуспешно пытался устроиться на место преподавателя физики в разных университетах Европы, жил на грани нищеты, затем поступил на должность скромного специалиста патентного бюро в Берне. Неожиданно эта работа по экспертизе изобретений увлекла его; параллельно он активно работал и над собственными исследованиями. Правда, первые его научные статьи оказались слабыми. А затем произошло необъяснимое чудо. В 1905 году Эйнштейн публикует три новые работы. В них он заложил три главных, краеугольных камня всей мировой физики XX века. В первой работе, посвященной «специальной теорией относительности», он представил новый оригинальный взгляд на механизм действия Вселенной, в которой такие привычные понятия, как пространство и время, оказываются не абсолютными, а относительными, зависимыми величинами от скорости света. Реакция научного сообщества последовала лишь через пару лет, а на основе эксперимента эта теория была доказана лишь в 1919 году: до того она считалась лишь яркой, смелой гипотезой. В своей второй работе в том удивительном году молодой Эйнштейн исследует явление так называемого фотоэффекта (луч света выбивает атомы с поверхности металлов). Тогда этот процесс был необъясним, но Эйнштейн смело предположил, что свет – это не только волна, но и поток микрочастиц, порции энергии которых он назвал «квантами», открыв этим окно в новый удивительный мир субатомных частиц. Наконец, в своей третьей работе 1905 года скромный, мало кому известный патентный чиновник из Берна постулировал, что материя и энергия – эквивалентны (одно по сути есть другое, и наоборот) и соотносятся друг с другом по формуле E = mc2. Это формула позже была признана главным уравнением физики. Из нее также следовало, что человечество в будущем может овладеть сверхмощной атомной энергией. Год ученого и вправду получился весьма продуктивным.
В течение жизни Эйнштейн написал около трехсот научных трудов и статей, но эти три, созданные им всего в 26 лет, так и остались, пожалуй, самыми важными, ключевыми. С одной оговоркой: через десять лет, в 1914 году, ученый основательно доработает теорию относительности – из специальной теории (СТО) она превратится в общую теорию относительности (ОТО). Тогда ему было 35 лет – меньше чем середина его жизни, – но в одном из писем он с тоской пишет другу о том, что после публикации ОТО он исполнил свое предназначение на Земле. Очевидно, что это было не так: те же его будущие споры с апологетами квантовой теории были крайне полезны для развития этой науки. Он также еще совершит ряд важных открытий в области космологии. Но правда и в том, что еще более фантастических вершин науки при всей его гениальности и заслуженной необъятной славе ему действительно покорить в будущем, пожалуй, уже не доведется.
Мы сидели вдвоем на широкой скамье лицом к озеру. Какое-то время просто молчали, дыша полной грудью свежим весенним воздухом и слушая звуки возродившейся от зимнего оцепенения природы. Я понимал, что моим собеседником был самый выдающийся ученый ХХ столетия и одна из самых замечательных личностей века. Но меня это ничуть не сковывало и не тяготило. Мне казалось, что это просто новый знакомый: мудрый, интеллигентный, но вполне обычный живой человек со своими как достоинствами, так и недостатками.
– Герр Эйнштейн, вы знаете шутку о вашей знаменитой теории. Один ученый, ваш помощник и коллега, как-то читал публике лекцию об относительности. Присутствовавший на лекции репортер заметил: «Эта теория такая странная и сложная, что, кажется, всего человека три в мире понимают ее». Ваш помощник ответил: «Странно. Эйнштейн, я… А кто же третий?»
Ученый весело, заразительно рассмеялся. Чувством юмора он обладал отменным и ценил это качество в окружающих.
– Знаете, когда я оказываюсь в кругу людей, совсем уж далеких от науки, но которые все равно требуют объяснить им смысл релятивизма, я объясняю так: «Когда вы сидите рядом с красивой девушкой, один час вам кажется минутой, а на раскаленной сковороде минута кажется часом».
Я слышал эту шутку, но все равно улыбнулся. Затем принял более серьезный вид.
– Проблема в том, что мне надлежит объяснить принцип относительности серьезной, уважаемой многомиллионной аудитории «Таймс». Надо сделать это по возможности научно. Но так, чтобы это было понятно обычному человеку. Позвольте мне, как журналисту и научному редактору газеты, объяснить суть вашей теории моими собственными словами. А вы меня поправляйте, где надо.
– Пожалуйста. Популяризацию науки я всеми силами приветствую.
– Разумеется, я буду сглаживать и упрощать ход мыслей, на грани допустимости. Все началось с того, что ученые всего мира не могли объяснить важное явление. Каким образом вы бы ни измеряли скорость света – например, на платформе, которая движется по направлению к вам, или, наоборот, быстро мчащейся от вас, – она оказывается абсолютно одинаковой. С точки зрения привычной нам логики это весьма странно. Допустим, два поезда едут друг другу навстречу, каждый со скоростью сто километров в час. Значит, их скорость по отношению друг к другу – двести километров в час. Это ясно и ребенку. Представим другую ситуацию. Во Вселенной встречаются два противоположно направленных луча света. Какова их скорость относительно друг друга? Тот же ребенок легко бы ответил: конечно же – две скорости света. Более того, даже великие Ньютон и Галилей согласились бы с ним. Но вот незадача. Это неправильный ответ. На самом деле скорость лучей относительно друг друга – это всегда всего ОДНА скорость света. Интуитивно это кажется полной бессмыслицей.
– Пока все верно. Добавлю лишь то, что уравнения электричества Максвелла, открытые сто лет назад, тоже ведут к этому парадоксу. Но до меня на это никто не обращал внимания.
– Вы несколько лет безуспешно ломали голову над этой загадкой. Но однажды, гуляя по Берну, вспомнили свой детский сон. Вы мчитесь по космосу на велосипеде, стараясь догнать луч света, но он от вас ускользает. Наконец, предприняв усилие, вы догоняете этот луч. Поравнявшись с лучом света, вы взглянули на него. И оказалось, что он… неподвижен.
– Да, в этом был ключ к решению загадки. Вспомните, как скорости двух встречных поездов складываются и оказывается, что они несутся друг к другу со скоростью 200 километров в час. Но вот вопрос: кто ее может измерить? Для наблюдателя, сидящего на вокзале, оба этих поезда все равно едут со скоростью 100 километров в час, только в разные стороны. Для любого стороннего наблюдателя, откуда бы он ни смотрел на эти поезда – с вокзала, с холма, с неба, – каждый из них все равно будет двигаться со скоростью 100 километров в час. Есть только одно место, где можно зафиксировать встречную скорость в 200 километров час. Это место – сам поезд (один или второй). Скорость поездов друг к другу могут замерить только их машинисты и больше никто, понимаете? То же и с лучами света. Представьте, что на концы этих лучей мы посадили по человеку-машинисту (хотя это невозможно) и поставили бы физический прибор, спидометр. Что с ними сталось бы на скорости триста тысяч километров в секунду? Если коротко, то им бы показалось, что каждый из них стоит на месте, является точкой отсчета, а вся Вселенная пролетает мимо них. Луч света, летящий навстречу каждому из них, движется не с двумя, а всего с одной скоростью света.
– В этом и есть самый непонятный момент. Позвольте привести мне другой пример. Всем понятно, что чем быстрее движется предмет, тем больше из-за своей инерции он весит. Представьте человека, разогнавшегося почти до скорости света. Его вес вырастет до тысяч тонн, а часы на его руке будут весить десятки тонн. Разумеется, стрелки таких часов из-за своей огромной тяжести будут двигаться все медленнее. Процессы внутри человека тоже замедлятся с точки зрения стороннего наблюдателя. Наконец, когда человек достигнет скорости света (хотя это невозможно, так как его вес стал бы бесконечным), часы на его руке просто остановились бы. Для предмета, несущегося со скоростью света, с точки зрения стороннего наблюдателя, времени не существует. Его часы стоят. Он сам есть точка отсчета всего вокруг. Так же ощущает себя и человек, несущийся на луче света ему навстречу. Им обоим кажется, что они стоят посреди Вселенной, а скорость встречного луча, направленного на них из любой точки космоса, равна одной скорости света, а не двум, как в случае поездов.
Эйнштейн отреагировал неопределенно. Мой пример был слишком вольным с точки зрения физики, хотя и близким к сути этого сложного вопроса.
– Относительность времени сам я объясняю на таком примере. Допустим, вы сидите на платформе. Мимо вас с огромной скоростью проносится поезд. В вагоне от пола до потолка прямо вверх светит луч. Человеку в вагоне на любой скорости кажется, что луч светит абсолютно ровно. То есть время для него течет обычно. Но человеку на платформе из-за огромной скорости поезда кажется, что луч внутри вагона немного скошен вбок. Мелочь, кажется. Но именно она объясняет суть Вселенной. Если луч скошен вбок, значит, ему надо пройти большее расстояние от пола до потолка. Но мы знаем, что скорость света для любого наблюдателя постоянна. Свету нужна более высокая скорость, чтобы пройти более длинное, скошенное, а не прямое расстояние, но это по определению невозможно. Как же быть? Очень просто. Для наблюдателя на платформе само время внутри вагона на огромной скорости течет медленнее, чем для него. То есть, чтобы пройти на той же скорости большее расстояние, свет, с точки зрения наблюдателя, имеет больше времени. Теперь в нашей формуле все совпадает. Дальше, представим, что поезд разогнался еще сильнее и его скорость приблизилась к скорости света. В этом случае для человека в вагоне луч по-прежнему будет светить вертикально, сверху вниз. А человеку на платформе луч света покажется, наоборот, горизонтальным. То есть пространство внутри поезда, с его точки зрения, сожмется так сильно, что этот луч света внутри вагона для него никогда не пройдет весь путь от пола до потолка. Значит, для человека на платформе время внутри поезда, несущегося на скорости света, остановится.