Не побоюсь утверждать, что наибольший вклад в физику XIX века внёс выдающийся физик своего времени Джеймс Клерк Максвелл, который создал полную теорию электромагнетизма, теорию, описывающую большинство физических явлений, лежащих в основе нашей сегодняшней техники — от источников света и электродвигателей до компьютеров. Венцом этой теории было предсказание особого поведения света.
Ещё в начале XIX века физики, самым известным из которых был британский учёный Майкл Фарадей — ученик переплётчика, ставший директором «сердца британской науки», Королевского института, — обнаружили связь между электричеством и магнетизмом — двумя силами, которые первые натурфилософы считали различными. Действительно, у магнитов всегда есть два полюса: северный и южный. Северный полюс притягивается к южному, и наоборот. Если разрезать магнит посередине, то вы не получите два разных полюса, части магнита по-прежнему будут иметь северный и южный полюсы. Электрические заряды, напротив, как правило, существуют по отдельности и, как показал Бенджамин Франклин, предложивший называть разноимённые заряды положительными и отрицательными, их легко изолировать друг от друга.
В течение первой половины XIX века учёные находили всё новые свидетельства связи между электричеством и магнетизмом. Сначала было установлено, что магнитные поля, то есть магниты, могут быть созданы движущимися электрическими зарядами, то есть токами. Далее было обнаружено, что магнит способен отклонять движущийся электрический заряд. Но самый главный сюрприз преподнёс Майкл Фарадей (и независимо от него американский физик Джозеф Генри), показавший, что движущийся магнит способен создавать электрическое поле и возбуждать в проводнике электрический ток.
С последним открытием связана интересная история, которую я не могу не рассказать (особенно сегодня, в разгар дебатов о финансировании таких проектов, как сверхпроводящий суперколлайдер, о котором я расскажу позже). Будучи директором Королевского института, Фарадей занимался «чистой наукой», как принято говорить сейчас — фундаментальными исследованиями природы электричества и магнетизма, не уделяя большого внимания практическому применению полученных результатов. Тем не менее все современные технологии базируются именно на открытиях Фарадея. И вот однажды в лабораторию к Фарадею пришёл тогдашний английский премьер-министр и, посмотрев на вертящиеся магниты и прыгающие стрелки измерительных приборов, недоуменно спросил, какая же практическая польза от всех этих фокусов. Фарадей ответил, что пока он не может определённо сказать, как использовать на практике его открытия, но уверен, что они очень важны. Настолько важны, что не пройдёт и нескольких десятилетий, и Её Величество обложит их налогами. И он оказался прав.
В середине XIX века стало ясно, что фундаментальная связь между электричеством и магнетизмом определённо существует, но суть этой связи была не ясна. Заслуга Максвелла состоит в создании единой теории электричества и магнетизма, которая показала, что электрическая и магнитная силы на самом деле представляют собой просто две стороны одной медали. В частности, Максвелл, обобщив имеющиеся экспериментальные данные, получил, что любое изменение электрического поля создаёт магнитное поле, а любое изменение магнитного поля, в свою очередь, создаёт электрическое поле. Если вы покоитесь относительно электрического заряда, вы наблюдаете только электрическое поле, но, начав двигаться относительно него, вы обнаружите появление магнитного поля. Другими словами, результат, который вы получаете в результате измерения, зависит от состояния вашего движения. То, что один наблюдатель фиксирует как электрическое поле, другой фиксирует как магнитное. Эти два поля — просто разные проявления одной сущности!
Этот результат имел одно очень важное следствие. Если я стану покачивать электрический заряд вверх-вниз, то вследствие движения заряда возникнет периодически изменяющееся магнитное поле. Это изменение магнитного поля, в свою очередь, вызовет изменяющееся электрическое поле, которое, в свою очередь, снова породит изменяющееся магнитное поле, и так далее. Электромагнитные возмущения, или волны, будет распространяться от колеблющегося заряда во все стороны. Это замечательный результат. Ещё более замечательной оказалась возможность вычислить скорость, с которой должно распространяться это возмущение, основываясь исключительно на результатах измерений сил, действующих между неподвижными зарядами и между магнитами. Полученная Максвеллом скорость распространения электромагнитной волны удивительным образом совпала с уже известной на тот момент скоростью света. Это позволило предположить, что свет является не чем иным, как электромагнитной волной, скорость которой определяется значением двух констант, одна из которых характеризует силу взаимодействия между электрическими зарядами, а вторая — силу взаимодействия между магнитами.
Переоценить роль этого открытия невозможно. Свет является главным действующим лицом во всех действиях физической драмы XX века, и сейчас я собираюсь рассказать об одном из этих действий. Эйнштейн был, разумеется, знаком с результатами Максвелла и понимал, что они приводят к парадоксу, который ставит под сомнение справедливость принципа относительности Галилея.
Галилей утверждал, что законы физики не должны зависеть от того, покоится или движется физическая лаборатория, в которой они изучаются. Например, два физика, один в лаборатории на борту корабля, плывущего с постоянной скоростью, а другой в университетской лаборатории на берегу, измеряя силу, действующую между двумя неподвижными относительно их лабораторий электрическими зарядами, расположенными в одном метре друг от друга, должны получить один и тот же результат. Аналогично, измеряя силу, действующую между двумя магнитами, помещёнными в метре друг от друга, они тоже должны получить одинаковые результаты.
С другой стороны, Максвелл говорит нам, что, если мы станем покачивать заряд вверх-вниз, мы будем производить электромагнитные волны, которые будут удаляться от нас со скоростью, определяемой законами электромагнетизма. Таким образом, наблюдатель, трясущий заряды на корабле, увидит электромагнитные волны, удаляющиеся от него с этой скоростью. Аналогично наблюдатель, трясущий заряды на берегу, тоже увидит электромагнитные волны, удаляющиеся от него с такой же скоростью. Для того чтобы выполнялся принцип относительности Галилея, скорость электромагнитных волн, генерируемых наблюдателем на корабле, должна складываться со скоростью корабля. То есть скорости электромагнитных волн, генерируемых наблюдателем на корабле и наблюдателем на берегу, должны различаться.
Вот тут, как понял Эйнштейн, и возникает парадокс. Допустим, мы движемся рядом с электромагнитной волной почти с той же скоростью, что и сама волна, и проводим измерения электрического и магнитного поля этой волны. Мы обнаружим, что электрическое поле медленно меняется, но даже эти медленные изменения порождают изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, опять порождает электрическое… Максвелл утверждает, что эти возмущения полей должны двигаться со скоростью, определяемой константами электрического и магнитного взаимодействий, которые, в силу принципа относительности Галилея, должны быть относительно движущегося наблюдателя теми же самыми, что и для неподвижного, а значит, скорость электромагнитной волны относительно нас должна быть по-прежнему равна скорости света, что противоречит первоначальной посылке о том, что мы движемся почти с той же скоростью, что и сама волна.
Эйнштейн, таким образом, столкнулся со следующей очевидной проблемой. Либо надо отказаться от принципа относительности, утверждающего, что законы физики не зависят от того, изучаете вы их в состоянии покоя или в состоянии равномерного движения, либо отказаться от красивой теории Максвелла. В результате Эйнштейн совершил поистине революционный шаг, позволивший сохранить и принцип относительности, и теорию Максвелла. Справедливо считая, что и принцип относительности, и теория Максвелла слишком разумны, чтобы оказаться неверными, он принял смелое решение пересмотреть понятия пространства и времени.
Его решение оказалось на удивление простым. Единственным способом удовлетворить принципу Галилея и теории Максвелла было постулировать, что скорость электромагнитных волн всегда равна одной и той же величине, независимо от того, как движется наблюдатель, который эту скорость измеряет.
На первый взгляд это требование звучит не парадоксально, но задумайтесь на мгновение, что из него следует. Если я смотрю, как ребёнок в проносящемся мимо меня поезде бросает погремушку в сидящую напротив него мать, то скорость погремушки, которую я измеряю, допустим, 10 км/ч, будет складываться со скоростью поезда, скажем 100 км/ч, и составит 110 км/ч. В то же время мать, сидящая напротив ребёнка, увидит летящую в неё погремушку со скоростью 10 км/ч. Однако если вместо того, чтобы бросить погремушку, ребёнок посветит в глаз матери лазерной указкой, результат будет совсем иным. Специальная теория относительности требует, чтобы скорость светового луча, которую я измеряю, составляла в точности 299 792 458 м/с, и точно такую же скорость имел бы этот же световой луч с точки зрения матери ребёнка.
Единственный способ добиться этого состоит в том, чтобы каким-то образом «настроить» наши измерения расстояния и времени, чтобы оба результата измерения давали одну и ту же скорость распространения светового луча. Скорость определяется путём измерения промежутка времени, за который исследуемое тело проходит некоторое фиксированное расстояние. Если бы для пассажира поезда расстояние «сжималось» или его часы шли медленнее, чем мои, то мы могли бы добиться требуемого результата измерения. Теория относительности утверждает, что именно это и происходит! Кроме того, она утверждает, что эти явления относительны, а именно, с точки зрения пассажира поезда, расстояние «сжимается» у меня, и мои часы отстают от его часов!