Находясь уже в зрелом возрасте, Эйнштейн рассказывал, что когда ему было шестнадцать лет, он впервые задумался о скорости распространения света для двух движущихся относительно друг друга наблюдателей. В те годы Альберт уже достаточно интересовался физикой, чтобы знать о нашумевших результатах опыта Майкельсона и Морли. Вот как сам он свидетельствует об этом. «Нет сомнения, — пишет А. Эйнштейн в письме к Бернарду Джеффу, автору прекрасной биографии Майкельсона, — что опыт Майкельсона оказал значительное влияние на мою работу, поскольку он укрепил мою уверенность в правильности принципа специальной теории относительности. С другой стороны, я был почти полностью убежден в правильности этого принципа еще до того, как узнал об эксперименте и его результате».
В основе классической механики лежали, в частности, два фундаментальных положения. Первое заключалось в механическом законе сложения скоростей. Мы уже приводили пример с движением пассажира вдоль вагона мчащегося поезда. Чтобы немного разнообразить тему, представим себя на палубе парохода во время шторма. Волны бегут в одном направлении и с одинаковой скоростью. По приказанию капитана корабль поворачивается кормой к ветру и устремляется вслед за волнами. Проходит некоторое время. Скорость корабля сравнивается со скоростью волн, и картина шторма вокруг нас застывает. Наш теплоход, словно «Летучий голландец», замер на гребне волны и оказался как бы в мире неподвижных водяных горбов и впадин.
Второе положение — это принцип относительности. Вот как объяснял его сам Эйнштейн: «Представим себе двух физиков, у каждого из которых лаборатория, снабженная всеми мыслимыми физическими аппаратами. Лаборатория одного из физиков находится в открытом поле, а лаборатория другого в вагоне поезда, быстро несущегося в некотором направлении. Принцип относительности утверждает: два физика, применив все аппараты для изучения всех существующих в природе законов — один в неподвижной лаборатории, другой в вагоне, найдут, что эти законы одни и те же, если вагон движется равномерно и без тряски. Если сказать в более абстрактной форме, то это выглядит так: согласно принципу относительности законы природы не зависят от переносного движения систем отсчета». Оговоримся, что до Эйнштейна в формулировке принципа относительности фигурировали не любые возможные законы природы, а лишь законы механики.
Повторяя про себя принципы классической механики, Альберт Эйнштейн возвращался мыслью к результатам опыта Майкельсона. Американцу не удалось обнаружить сложения скорости света со скоростью Земли. Почему?.. Эйнштейн пытался представить себя движущимся вслед за лучом света со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Тогда, следуя законам классической механики, он должен был бы видеть свет в виде покоящегося в пространстве переменного электромагнитного поля. Однако представить себе такую картину было невозможно, она просто не имела права на существование.
«Интуитивно мне казалось ясным с самого начала, что с точки зрения такого наблюдателя все должно совершаться по тем же законам, как и для наблюдателя неподвижного относительно Земли, — говорил он в дальнейшем, рассказывая о парадоксе, занимавшем его мысли в пору юности. — В самом деле, как же первый наблюдатель может знать или установить, что он находился в состоянии быстрого равномерного движения?»
Мы, современники XX столетия, привыкли к неожиданным выводам теории. Нас даже удивить, к сожалению, стало трудно открытием парадоксальных явлений или доказательствами того, что еще вчера казалось фантастикой. Это сомнительная привилегия нашего века. В XIX столетии не было ни такого обилия сногсшибательных открытий, ни такой массы научно-фантастических романов, отнимающих у читателей под видом прославления науки способность к удивлению.
Эйнштейн окончил Цюрихский политехникум и после довольно продолжительных поисков устроился на постоянную работу в Берне, заняв скромную должность технического эксперта третьего класса в патентном бюро. Начался самый счастливый и плодотворный период в его жизни. Биографы часто сравнивают это время с годами жизни Ньютона в Вулсторпе во время лондонской чумы.
«Составление патентных формул было для меня благословением, — писал Эйнштейн в своей автобиографии за месяц до смерти. — Оно заставляло много думать о физике и давало для этого повод. Кроме того, практическая профессия — вообще спасение для таких людей, как я: академическое поприще принуждает молодого человека беспрерывно давать научную продукцию и лишь сильные натуры могут при этом противостоять соблазну поверхностного анализа».
В Берне Эйнштейн близко сошелся с несколькими молодыми людьми, интересовавшимися, как и он, физикой и математикой. Образовалась удивительно дружная компания, названная ее членами «академией Олимпией». Молодые люди вместе гуляли, вместе читали философские книги, трудно поддающиеся чтению в одиночку, много спорили и обменивались идеями. Эйнштейн, будучи в жизни весьма непритязательным человеком, был счастлив. «Подумайте, — писал он одному из друзей, покинувшему Берн, — ведь кроме восьми часов работы, остается восемь часов ежедневного безделья и сверх того воскресенье».
Результатом столь интенсивной интеллектуальной жизни и полного пренебрежения к достижению житейских благ явилось то, что в 1905 году Эйнштейн написал несколько научных статей, которые послал в журнал «Анналы физики». Одна из них, как писал он в письме к приятелю, «…исходит из понятий электродинамики движущихся тел и видоизменяет учение о пространстве и времени…». Это и была частная, или специальная, теория относительности. В ней, обобщив классический принцип относительности, выдвинутый Галилеем лишь по отношению к ходу механических процессов, на оптические и любые другие явления и заменив механический закон сложения скоростей постулатом независимости скорости света от скорости движения источника, Эйнштейн построил новую механику. Его теория была свободна от противоречий, с которыми столкнулась классическая теория в объяснении опытов Майкельсона и Кауфмана.
Проницательный читатель уже, наверное, заметил повторение истории с открытием неэвклидовой геометрии.
Отбросив безусловную глобальную справедливость постулата Эвклида о параллельных и заменив его, казалось бы, абсурдным утверждением обратного характера, Лобачевский пришел к открытию новой геометрии.
Точно так же «абсурдный» постулат о постоянстве скорости света привел Эйнштейна к созданию новой механики, отличной от классической механики Ньютона. Аналогию можно продолжить. Точно так же, как мало отличается геометрия Лобачевского для небольших расстояний от геометрии Эвклида, так и механика Эйнштейна дает результаты, практически не отличающиеся от классических результатов для скоростей, много меньших скорости света.
Автор уже говорил о том, что о теории относительности написано много прекрасных книг советскими и зарубежными специалистами. Какая-нибудь из них наверняка лежит и на вашей полке, дорогой читатель. И потому автор не станет изощряться в поисках новых примеров и аналогий. Тем более что в наши дни теория относительности перестала быть чем-то из ряда вон выходящим. С ее парадоксами ребята впервые знакомятся на страницах приключенческих романов, затем учат ее в школе и на первых курсах институтов. Правда, при этом некоторые пользуются модным названием лишь для того, чтобы, взмахнув рукой, произнести сакраментальную фразу: «Все равно все в жизни относительно». Расширяя несколько представление о смысловых особенностях сочетания слов «теория относительности», автор хотел бы напомнить: термин «теория относительности» не имеет в виду относительность человеческих знаний, а лишь относительную равноценность систем отсчета (или систем координат), движущихся с постоянной скоростью друг относительно друга. Не более…
Профессор математики Герман Минковский, лекции которого так старательно некогда прогуливал студент Эйнштейн, с удивлением говорил профессору физики Максу Борну после того, как прочитал статью в «Анналах физики»: «Это было для меня большой неожиданностью. Мой цюрихский студент Эйнштейн?.. Да ведь раньше он был настоящим лентяем и совсем не занимался математикой…»
В Политехникуме Эйнштейн записался сразу на тринадцать математических курсов, из которых шесть читал профессор Минковский. Но бывал на лекциях редко, предпочитая самостоятельно заниматься интересующими его вопросами. Принудительное изучение предметов было для него невыносимо. «В сущности, почти чудо, — писал он в конце жизни, — что современные методы обучения еще не совсем удушили святую любознательность, ибо это нежное растеньице требует наряду с поощрением прежде всего свободы — без нее оно неизбежно погибает». Здесь, надо думать, Эйнштейн несколько сгустил краски.
Однако нелестное мнение о студенте Эйнштейне не помешало Минковскому настолько проникнуться взглядами специальной теории относительности, что он занялся разработкой ее математического аппарата.
Герман Минковский (1864–1909) прожил недолгую и небогатую внешними событиями жизнь. Он родился в России в маленьком местечке Алексоты Минской губернии. А затем, как и Майкельсона, его увезли родители с родины. Но не за океан, а в Германию. Там он окончил гимназию и университет, там выдвинулся своими работами, посвященными геометрической теории чисел. Сейчас он заслуженно считается основателем этой отрасли математики, несмотря на то, что геометрическими методами в теории чисел до него пользовались и другие математики. Уже в конце своей короткой жизни Минковский занялся геометризацией еще одной теории. На этот раз теории физической, носящей сегодня имя специальной теории относительности.
В 1908 году на собрании естествоиспытателей и врачей в Кельне он прочел свой знаменитый доклад о геометрических основах теории относительности, озаглавленный «Пространство и время».
«…Никто еще не наблюдал, — говорил Минковский, — какого-либо места иначе, чем в некоторый момент времени, и какое-нибудь время иначе, чем в некотором месте». И он называет точку пространства, соответствующую данному моменту времени, «мировой точкой», а совокупность всех мировых точек, которые только можно себе представить, для краткости — «миром». Тогда любому телу, существующему некоторое время в пространстве, будет соответствовать некая кривая — мировая линия.