annus mirabilis, в биографии ученого. Эйнштейну удавалось сочетать родительские обязанности и работу в патентном бюро от звонка до звонка – и при этом опубликовать четыре фундаментальные научные статьи, и все это без доступа к источникам и ресурсам, который дала бы ему академическая должность.
Весной того года Эйнштейн послал три статьи в немецкое периодическое издание Annalen der Physik («Анналы физики»). Все три статьи вышли одновременно в 17-м номере журнала. Первую свою статью, о кванте света, сам Эйнштейн называл «очень революционной». В ней он исследовал феномен кванта (фундаментальной единицы энергии), который открыл немецкий физик Макс Планк. Эйнштейн нашел объяснение фотоэлектрическому эффекту: на каждый выпущенный электрон высвобождается определенное количество энергии. А согласно представлению о квантах, энергия испускается порциями, которые можно описать только целыми числами. Эта теория заложила основу существенной части квантовой механики. Эйнштейн предположил, что свет следует считать совокупностью независимых частиц энергии, однако, что примечательно, не привел никаких данных наблюдений. Он просто выдвинул гипотезу о существовании «кванта света» из чисто эстетических соображений.
Физики не сразу приняли теорию Эйнштейна. Слишком уж она расходилась с общепринятыми научными идеями того времени и даже с открытиями Планка. И Нобелевскую премию по физике в 1921 году Эйнштейну присудили не за работы по теории относительности, а за его первую статью – «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света».
Во второй статье – «Размер молекул», – которая была его докторской диссертацией, и в третьей – «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» – Эйнштейн предложил метод определения размера и движения атомов. Кроме того, он нашел причины броуновского движения – это явление описал английский ботаник Роберт Броун, заметив хаотическое движение пыльцы, взвешенной в жидкости. Эйнштейн утверждал, что это движение вызвано соударениями между атомами и молекулами. В то время само существование атомов еще было предметом научных споров, поэтому значение этих статей невозможно недооценить. Эйнштейн подтвердил атомную теорию строения вещества.
Эйнштейн с первой женой Милевой и сыном Гансом-Альбертом. 1906 год.
В последней статье 1905 года – «К электродинамике движущихся тел» – Эйнштейн очертил теорию, которой в будущем предстояло стать специальной теорией относительности. Эта статья читается скорее как эссе, чем как научное сообщение. Она чисто теоретическая, в ней нет никаких библиографических ссылок и цитат. Этот трактат объемом в 9000 слов Эйнштейн написал всего за пять недель, однако историки науки считают его не менее фундаментальным и революционным, чем «Начала» Ньютона.
Ньютон перевернул наши представления о гравитации, а Эйнштейн – о пространстве и времени, при этом умудрившись еще и опровергнуть ньютоновскую концепцию времени. Ньютон утверждал, что «абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно». А Эйнштейн считал, что скорость света одинакова для всех наблюдателей, независимо от того, с какой скоростью движутся они сами. Кроме того, Эйнштейн утверждал, что и масса тела не неизменна, что она увеличивается при увеличении скорости тела. Впоследствии эксперименты показали, что небольшая вещественная частица, разогнанная до 86 процентов скорости света, обладает массой в два раза больше, чем в покое.
У теории вероятности было и другое следствие: соотношение энергии и массы можно выразить математически, что Эйнштейн и сделал в своей знаменитой формуле E = mc2. Это выражение – энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате, – натолкнуло физиков на мысль, что даже крошечные количества вещества потенциально обладают колоссальным количеством энергии. А значит, если полностью преобразовать в энергию хотя бы часть массы нескольких атомов, будет мощнейший взрыв. Таким образом, скромная формула Эйнштейна заставила физиков задуматься, что произойдет, если расщепить атом, после чего они под давлением властей своих государств создали атомную бомбу. В 1909 году Эйнштейн получил место профессора теоретической физики в Цюрихском университете, а через три года сбылись его честолюбивые мечты: он вернулся в Государственную политехническую школу в Цюрихе на постоянную должность профессора. Затем последовали другие престижные и руководящие должности в академической среде. Все это время Эйнштейн продолжал работать над теорией гравитации, а также над общей теорией относительности. Профессиональная карьера шла в гору, однако семейная жизнь и здоровье начали разлаживаться. В 1914 году – в том же году, когда Эйнштейн получил должность профессора в Берлинском университете, – Альберт и Милева начали бракоразводный процесс. Потом Эйнштейн заболел, и ухаживала за ним его двоюродная сестра Эльза, на которой он и женился в 1919 году.
Альберт Эйнштейн и его вторая жена Эльза.
Специальная теория относительности коренным образом изменила понятия времени и массы, а общая теория относительности – наши представления о пространстве. Ньютон писал, что «абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным». Пространство Ньютона – это пространство Евклида, бесконечное и безграничное. Все тела в нем тяготеют друг к другу, однако никак не воздействуют на структуру самого пространства. Напротив, общая теория относительности Эйнштейна гласит, что гравитационная масса тела воздействует не только на все остальные тела, но и на структуру пространства. Если тело достаточно массивно, пространство вокруг него искажается. Свет в такой области пространства искривляется.
В 1919 году сэр Артур Эддингтон решил экспериментально проверить общую теорию относительности. Эддингтон организовал две экспедиции – в Бразилию и в Западную Африку – с целью пронаблюдать, как звездный свет проходит мимо массивного тела – Солнца – во время полного солнечного затмения 29 мая. В обычных условиях сделать такие наблюдения невозможно, поскольку слабый свет далеких звезд при дневном свете незаметен, однако во время затмения его пусть ненадолго, но видно.
В сентябре Эйнштейн получил телеграмму от Хенрика Лоренца – коллеги-физика и близкого друга. Там говорилось: «Эддингтон обнаружил смещение звезд у кромки солнечного диска, предварительные измерения от девяти десятых секунды до значения вдвое больше». Данные Эддингтона вполне соответствовали смещению, предсказанному общей теорией относительности. На фотографиях из Бразилии известные звезды во время затмения находились в небе не там, где обычно по ночам, когда их свет не проходил мимо Солнца. Общую теорию относительности удалось подтвердить, и это навсегда изменило ход научного прогресса. Много лет спустя, когда один студент спросил Эйнштейна, что бы он почувствовал, если бы теорию опровергли, Эйнштейн ответил: «Я от души пожалел бы Господа Бога. Теория верна».
Подтверждение общей теории относительности принесло Эйнштейну всемирную славу. В 1921 году он был избран членом Британского Королевского общества. Почетные степени и награды ожидали его повсюду, куда бы он ни прибыл. В 1927 году Эйнштейн приступил к работе над основами квантовой механики совместно с датским физиком Нильсом Бором, однако не упускал из виду свою мечту – единую теорию поля. Он часто ездил в США и в результате в 1932 году получил место профессора математики и теоретической физики в Институте передовых исследований в Принстоне, в штате Нью-Джерси.
Эйнштейн читает лекцию в Принстоне. 1932 год.
Год спустя он навсегда перебрался в Принстон, поскольку нацистская партия, взявшая верх в Германии, проводила политику против «еврейской науки». Имущество Эйнштейна конфисковали, ученого лишили гражданства Германии и возможности работать в немецких университетах. До той поры Эйнштейн считал себя пацифистом. Однако когда Гитлер превратил Германию в военную машину, опустошавшую Европу, Эйнштейн пришел к мысли, что использование силы против Германии морально оправданно. В 1939 году, в самом начале Второй мировой войны, Эйнштейн понял, что немцы, вероятно, вот-вот сумеют создать атомную бомбу – оружие, ставшее возможным благодаря его же исследованиям, так что он чувствовал себя в ответе за него. Тогда Эйнштейн обратился с письмом к президенту Франклину Д. Рузвельту, предупредил его о такой возможности и посоветовал, чтобы США тоже предприняли ядерные исследования. Это письмо он составил вместе со своим другом и коллегой Лео Силардом, и оно послужило толчком для запуска проекта «Манхэттен», в результате чего и были созданы первые атомные бомбы в мире. В 1944 году Эйнштейн продал рукопись своей статьи 1905 года и вырученные средства – шесть миллионов долларов – передал на нужды союзников.
Представления Эйнштейна об искажении пространственно-временного континуума под воздействием массивных тел.
После войны Эйнштейн продолжил заниматься волнующими его общественно-политическими вопросами. В ноябре 1952 года ему предложили стать президентом Израиля, поскольку он много лет поддерживал сионизм. Эйнштейн учтиво отказался, сославшись на недостаток опыта. В апреле 1955 года, за неделю до смерти, Эйнштейн написал письмо философу Бертрану Расселу, в котором соглашался поставить свою подпись под манифестом, призывающим все страны отказаться от ядерного оружия.
Эйнштейн умер от острой сердечной недостаточности 18 апреля 1955 года. Он всю жизнь стремился разгадать тайны мироздания, опираясь исключительно на разум, а не на чувства. «Истинную теорию видишь не глазами, а разумом», – заметил он однажды.