Дэвид Боданис - E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения мира
И сидящие в машинах пассажиры с ней согласятся. Плеер играет совершенно нормально, скажут они, молодой Майкл Джексон поет так же быстро, как пел всегда. Зато люди на улицах движутся замедленно и швейцары гостиниц, подзывающие такси для постояльцев, руки поднимают с немалым трудом, а щеки, собираясь посвистеть, раздувают, точно глубоководные рыбы.
В теории относительности все эти явления подытоживаются так: всякий, кто наблюдает за удаляющимся от него объектом, видит, что масса этого объекта растет, его размеры растягиваются и время для него растягивается тоже. Люди, стоящие на улице, видят, как это происходит с автомобилем; люди, сидящие, в автомобиле видят, как это происходит с теми, кто стоит на улице.
Человеку, прочитавшему это утверждение впервые, оно представляется бессмыслицей. Даже Эйнштейну поначалу трудно было принять его — в тот летний день, когда он еще работал над своей статьей, его томила во время длинной прогулки с Мишелем Бессо необъяснимая подавленность. Однако принять это утверждение нам трудно лишь потому, что мы никогда не взаимодействуем друг с другом на скоростях, близких к 300000000 м/с (а эффекты, возникающие при обычных для нас скоростях, слишком малы, чтобы мы их заметили). Представьте себе, скажем, музыкальный плеер, принесенный кем-то на пикник. С точки зрения человека, который стоит с ним рядом, плеер играет громко. Тому, кто уходит от него на несколько сот метров, музыка почти не слышна. Мы соглашаемся с тем, что ответа на вопрос, громко ли звучит плеер «на самом деле», не существует, — но лишь потому, что мы способны ходить достаточно быстро и можем отойти от него на сотни метров за довольно короткое время. А муравей или иное крохотное существо способны удалиться от плеера так далеко, чтобы громкость его звучания изменилась, лишь за сроки, равные продолжительности жизни нескольких поколений его сородичей. И ему наши представления о том, что для разных наблюдателей музыка может звучать с разной громкостью, показались бы попросту безумными.
На посвященном этой книге интернетовском сайте приводятся подробности относительно того, как физикам удается показать, что все это следует из простого утверждения о постоянстве скорости света. Однако нас окружает немалое число вполне привычных предметов, работающих с такими скоростями, на которых эти эффекты становятся заметными. Электроны, к примеру, летящие в обычном телевизоре к поверхности экрана, движутся так быстро, что если бы мы могли видеть их, то заметили бы возрастание их массы. И инженерам приходится учитывать это явление, когда они конструируют магниты, фокусирующие потоки электронов на поверхности экрана. Если бы они этого не делали, картинка получалась бы размытой.
Навигационные спутники Системы глобального позиционирования (СГП), которые летают высоко над нами и посылают координатные сигналы автомобилям, реактивным самолетам и участникам пеших походов, тоже движутся так быстро, что время на них — с нашей точки зрения — замедляется. Схемы портативных устройств СГП, с помощью которых мы определяем наше местоположение, как и схемы устройств более крупных, используемых банками для синхронизации платежей, спроектированы так, чтобы компенсировать это обстоятельство в соответствии с уравнениями, которые Эйнштейн вывел в 1905 году.
Эйнштейну всегда не очень нравился ярлык «относительность», прилипший к тому, что он создал. По его мнению, слово это создавало неверное впечатление, внушало мысль о том, что все преходяще, что никаких точных результатов получить больше не удастся. А это не так. Предсказания науки точны.
Ярлык этот способен ввести в заблуждение еще и потому, что все уравнения Эйнштейна образуют единство, что они взаимосвязаны. Несмотря на то, что каждый из нас может видеть происходящее во вселенной по-своему, оно должно быть достаточно синхронизированным для того, чтобы обеспечить сведение наших различных точек зрения в единую картину, гарантировать ее согласованность. Старые представления о том, что масса никогда не меняется, а время течет для всех одинаково, имеют смысл, лишь когда люди наблюдают за обычными, медленно движущимися объектами. Однако в по-настоящему широком мире представления эти не верны — тем не менее, и в нем существуют точные законы, показывающие, как они видоизменяются.
Достижения, подобные этому, случались в истории лишь считанное число раз. Представьте себе, что вам удалось создать хрустальную, сверкающую модель вселенной, которая умещается у вас в кулаке. А теперь раскройте ладонь и посмотрите, как эта модель стремительно расширяется, обретая всю полноту существования. Ньютон был первым человеком, проделавшим это еще в 1600-х: он создал законченную картину мира, которая описывалась лишь горсткой уравнений, но содержала также и правила, позволяющие создавать, опираясь на эту горстку, полноценный мир.
Эйнштейн стал следующим.
И словно для того, чтобы произвести на нас еще более сильное впечатление, и Эйнштейн, и Ньютон проделали бóльшую часть своей работы на третьем десятке лет и за немыслимо короткое время. Ньютон не смог вернуться в университет, закрытый по причине чумы, и потому застрял на ферме матери в Линкольншире; в его распоряжении оказалось примерно восемнадцать месяцев, за которые он успел создать фундаментальные труды — разработать математический анализ, открыть закон всемирного тяготения и развить ключевые понятия применимой ко всей вселенной механики. Эйнштейн в 1905-м управился примерно за восемь месяцев, — при этом он еще и работал с понедельника по субботу в патентном бюро, — именно за этот срок он создал первую свою теорию относительности, вывел уравнение E=mc2 и помог проложить путь к лазерам, компьютерным чипам, ключевым аспектам современных фармацевтической и биоинженерной индустрий и все коммутирующим устройствам Интернета. Он действительно пребывал, — как сказал некогда о себе двадцатилетнем Ньютон — «в лучшем для изобретательства возрасте». Подобно Ньютону, Эйнштейн пробился за границы известного, объединил то, что до него оставалось разъединенным, и задался вопросами о верности того, что до него все просто-напросто принимали как данность.
У существовавших около 1905 года ученых, которые открыли малую часть того, что затем вывел Эйнштейн, не было шансов сравниться с ним. Пуанкаре подошел к его результатам ближе, чем кто бы то ни было, но, когда потребовалось разрушить обычные наши представления о потоке времени или природе одновременности, спасовал, оказавшись не способным разобраться в выводах из столь новых воззрений.
Но почему же успех выпал именно на долю Эйнштейна? Так и хочется сказать: да просто потому, что он был умнее всех. Однако среди бернских друзей Эйнштейна имелись личности высоко интеллектуальные, существовали и люди, такие как Пуанкаре, для которых в тестах, позволяющих определять коэффициент интеллекта, попросту отсутствовали оценки достаточно высокие. Торстейн Веблен написал однажды любопытное маленькое эссе, в котором указывается, на мой взгляд, причина более глубокая. Предположим, говорит Веблен, что ребенка учат следующему: все, сказанное в Библии, чистая правда. Затем он попадает в среднюю школу или в университет и слышит, что никакой правды там нет. «То, что вы узнали, сидя на коленях матери, полностью не верно. А вот то, чему мы научим вас здесь, будет полностью верным». Кто-то из учащихся сказал бы: «Ну и ладно, согласен». Однако нашлись бы и другие, в итоге проникшиеся подозрениями. Один раз их уже одурачили, заставив целиком принять на веру традиционный мир. И оказаться одураченными снова они не хотят. Они будут изучать то, что им предлагают, но отнесутся к нему критически, как всего лишь к одной из возможностей. Эйнштейн был евреем и хоть в своей обычной семейной жизни традиций этого народа не соблюдал, он оставался пропитанным культурой, воззрения которой на личную ответственность, справедливость и веру в авторитет отличались от стандартного немецкого и швейцарского консенсуса на сей счет.
Однако дело не только в этом. Еще маленьким мальчиком Эйнштейн заинтересовался тем, как работает магнит. И родители, вместо того, чтобы посмеяться над ним, отнеслись к его интересу с полной серьезностью. А действительно, как работает этот самый магнит? Должна же существовать какая-то причина его поведения, и в основе этой причины должна лежать другая причина, и быть может, если проследить всю их цепочку, ты доберешься до… до чего?
Какое-то время в семье Эйнштейна имелся очень ясный ответ на этот вопрос. В пору, когда росли его деды и бабушки, большинство евреев Германии еще оставалось близким к традиционной вере. То был мир, пропитанный Библией и одновременно вполне рациональными, накопленными поколениями результатами анализа Талмуда. В этом мире считалось важным добраться до границы уже известного и постараться постичь еще более значительные формы, которые Бог предписал нашему миру. В отрочестве Эйнштейн пережил период напряженной религиозности, хотя ко времени учебы в средней школе Аарау буквалистская вера его покинула. Однако стремление понять самые глубокие основы осталось при нем, как и уверенность в том, что, сумев добраться до них, ты увидишь нечто величественное. Существовала ожидающая нас «ниша», в которой все объяснялось умопостижимым, рациональным образом. Одно время ее заполняла религия. Однако не составляло труда расширить эту нишу так, чтобы она вместила и науку. Эйнштейн питал сильную веру в то, что ответы существуют, что они лишь ждут, когда их обнаружат.
