Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

В 1889 г. появляется краткая, в несколько строк и безо всяких формул, заметка Джорджа Фрэнсиса Фитцджеральда (1851–1901): опыт Майкельсона-Морли можно объяснить, если принять, что все тела сокращаются в направлении своего движения. Но идею эту он дальше не разрабатывает, а своему другу Оливеру Хевисайду пишет: «Я совершенно не боюсь допустить ошибку и поэтому предлагаю самые сырые идеи в надежде, что они заставят задуматься других и тем будут способствовать движению вперед».

В 1894 г. X. А. Лорентц соглашается с идеей Фитцджеральда: «Я думал об этих опытах долго и безуспешно и наконец представил только одну возможность для выхода из создавшегося положения». Он продолжает развивать идею таких преобразований, которые приводили бы к сокращению размеров тел в направлении их движения. Окончательный результат он получил к 1899 г. (Эти формулы названы преобразованиями Лорентца, а сокращение длины называют сокращением Фитцджеральда-Лорентца.)

Великий математик Анри Пуанкаре с годами все больше занимался принципиальными проблемами физики. В 1898 г. он — с позиций скорее общефилософских, чем физических — критикует понятие одновременности: как два наблюдателя (возможно, движущихся) могут установить, что часы у них идут одинаково равномерно? Нет, как он говорит, такой реальной процедуры. В статьях 1900 и 1904 гг. Пуанкаре обрушивается на понятие эфира: «А наш эфир — существует ли он в действительности?». Но свое выступление 1904 г. он заканчивает пессимистически: нужны какие-то дополнительные гипотезы, вполне возможно, что старые принципы еще докажут свою справедливость.

Пуанкаре оставалось сделать лишь один шаг для построения теории относительности, практически все, что нужно, плюс колоссальный математический опыт, интуиция и энциклопедические знания — все это было, но решающий шаг так и не был сделан. Его предстояло совершить 26-летнему служащему Патентного бюро в городе Берне.

Пережив период глубокой юношеской религиозности, Альберт Эйнштейн (1879–1955) испытал в 12 лет потрясение, когда ему в руки попала книжка по евклидовой геометрии: утверждения, казалось бы, совсем не очевидные, «могли быть доказаны с уверенностью, исключающей всякие сомнения. Эта ясность и уверенность произвели на меня неописуемое впечатление».

И далее в автобиографии следует фраза, очень важная для понимания мировоззрения Эйнштейна: «Меня не беспокоило то, что аксиомы должны быть приняты без доказательств» — именно так, на аксиоматической базе, он будет строить теорию относительности.

Можно думать, что интерес Эйнштейна к наиболее сложным проблемам мироздания пробудился еще в юности, когда в возрасте около 13–14 лет он со студентом Максом Талмудом (Талми), который был старше него на 10 лет, читал научно-популярные и философские книги, особенно «Критику чистого разума» Иммануила Канта. Много позже он писал: «Наука без теории познания (насколько это вообще мыслимо) становится примитивной и путаной».

И не может быть, чтобы его не заинтересовали декларированные Кантом ограничения возможностей чистого разума — четыре антиномии (т. е. противоречивые суждения, которые логически нельзя ни доказать, ни опровергнуть): 1) ограничен ли мир в пространстве и во времени или бесконечен; 2) состоит ли мир из неких простых (неделимых) частиц или он бесконечно делим; 3) существуют ли законы природы, которыми все можно объяснить, или есть нечто вне таких законов; 4) существует ли в мире или над миром некое высшее существо.

Эйнштейн и развитие физики на основе его теорий, как мы увидим, фактически разрешили первую антиномию — и именно на основе разума: мир возник в результате Большого взрыва 15–20 млрд лет тому назад и имеет определенные пространственные размеры. Вторая антиномия уже несколько раз как будто разрешалась: казалось, что весь мир состоит из неизменных атомов, затем их место заняли несколько элементарных частиц, сейчас есть другие претенденты, но проблема не кажется столь острой, как во времена Канта.

Что касается третьей антиномии, то физик исповедует незыблемую веру во всеобщее царствие причинности — иначе занятия наукой совершенно бессмысленны. И очень показательны слова, сказанные Эйнштейном его ассистенту Эрнсту Штраусу: «Что меня действительно интересует, так это то, мог ли Бог создать мир по-иному, т. е. оставляет ли необходимость логической простоты место для какой-нибудь свободы?» Итак, мир прост и поэтому он познаваем, а много позже Эйнштейн даже пишет: «Главное достоинство теории заключается не столько в подтверждении ее частных следствий, сколько в существенном упрощении теоретического базиса всей физики в целом».

Четвертая антиномия — интимный вопрос для каждого человека и к его научным занятиям, во всяком случае в физике, отношения не имеет.

Интерес Эйнштейна к электродинамике и к проблеме эфира пробудился очень рано. Первую попытку разрешить эти проблемы он предпринимает еще в юности: в 16 лет пишет наивный трактат о состоянии эфира в магнитном поле. Чуть позже, как он отмечает в автобиографии, «у меня возник вопрос: если бы можно было погнаться за световой волной со скоростью света, то имели бы мы перед собой не зависящее от времени волновое поле? Такое, все-таки, кажется невозможным! Это был первый мысленный эксперимент, который относился к специальной теории относительности».

Можно предположить, что эти мысли возникли у него при чтении чрезвычайно популярных в то время книг Камиля Фламмариона (1842–1925), известного астронома и популяризатора. В одной из них автор, сам глубоко верующий, описывает, как после смерти человека его душа, покинувшая тело, летит (по-видимому, в рай) со скоростью, большей скорости света. Душа нагоняет и обгоняет световые волны и поэтому видит все произошедшее в обратном, по времени, порядке: гроб выкапывают, вносят его, пятясь, в дом, вскрывают, покойник встает, оживает и т. д. (Запустите киноленту наоборот…)

Таким образом, если двигаться быстрее света, то можно как бы поменять местами причины и их следствия! Это означало бы, что третья антиномия Канта имеет право на существование, а принцип причинности — основная аксиома науки! — может нарушаться.

Самостоятельная работа Эйнштейна начинается с молекулярно-кинетической теории капиллярности и разности потенциалов в растворах. Связано это, возможно, с интересами его преподавателя Г. Ф. Вебера (1843–1912) и влиянием соответствующих исследований в институтской лаборатории. Однако эти вполне рядовые изыскания приводят к тому, что образцом для него становится классическая термодинамика. Эйнштейн утверждал: «Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута». В ходе освоения ее понятий Эйнштейн, «не будучи знакомым с появившимися ранее исследованиями Больцмана и Гиббса…развил статистическую механику и основанную на ней молекулярно-кинетическую теорию термодинамики».

При этом его построения, все же, отличаются от теории предшественников. Так, уже в конце статьи 1904 г. говорится о том, что флуктуации энергии излучения в объеме порядка длины волны должны быть того же порядка, что и сама энергия излучения: отсюда один шаг до рассмотрения потока излучения как потока частиц.

В автобиографии Эйнштейн пишет: «В эти годы… главным моим вопросом был следующий: какие общие выводы позволяет сделать формула излучения относительно электромагнитной основы физики?»

Но представляется, что раньше была обдумана, хотя и опубликована чуть позже статья о броуновском движении: «Не зная, что наблюдения над "броуновским движением" давно известны, я открыл, что атомистическая теория приводит к существованию доступного наблюдению движения взвешенных микроскопических частиц».

Эти слова излишне скромны. Ведь само существование атомов еще не доказано и ряд видных ученых (В. Оствальд, Э. Мах и др.) в нем сомневаются — атомарная гипотеза кажется в те годы излишним усложнением теории. Есть, правда, электроны, обнаруженные Дж. Дж. Томсоном, но это еще не доказывает пределов делимости веществ. Фактически именно исследование броуновского движения (аналогичную теорию практически одновременно выдвигает М. Смолуховский) дало неопровержимое доказательство существования атомов. Статья эта заканчивается эмоционально, не принятым в научной литературе призывом: «Если бы какому-либо исследователю удалось вскоре ответить на поднятые здесь важные для теории теплоты вопросы!»

Теории броуновского движения посвящен и ряд работ Эйнштейна на протяжении последующих трех лет, но концептуально важна эта, первая. По-видимому, еще до ее завершения и отсылки в печать, внутренне убедившись в существовании атомов, т. е. в невозможности бесконечной делимости вещества, можно обдумать проблему их взаимодействия с излучением. И этот шаг совершается в статье «Об одной точке зрения, касающейся возникновения и превращения света», которую сам Эйнштейн считал наиболее революционной из своих работ.