Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн - Тибо Дамур

«[…] Теперь у нас возникает чувство, что мы зашли в тупик, и старые теории все более показывают свое бессилие разорвать сумрак непонимания, окружающий нас со всех сторон. В этом положении любопытная идея об элементарных составляющих энергии, выдвинутая Планком и примененная к решению ряда проблем Эйнштейном, Нернстом и др., стала драгоценным лучом света. Она открывает неожиданные перспективы, и даже тот, кто воспринимает эту гипотезу с недоверием, должен признать ее важность и плодотворность. Поэтому она заслуживает того, чтобы быть в центре внимания наших дискуссий, [даже если], в свою очередь, эта новая идея в ее настоящей форме вызывает серьезные возражения».

Словом, основным предметом обсуждения на осеннем саммите 1911 г. стала серия новаторских работ 1905–1907 гг. самого молодого участника конгресса, Альберта Эйнштейна (не считая, хотя и положившей начало, однако не вызвавшей особого отклика физического сообщества работы Планка 1900 г.). При этом самому Эйнштейну на саммите была отведена роль «заморской знаменитости» – ему предназначалось сделать заключительное выступление.

А что же думал сам Эйнштейн, только недавно получивший позицию профессора (в Праге), об этом Сольвеевском конгрессе – по сути первом международном конгрессе, в котором он принял участие? С одной стороны, по-видимому, он был благодарен за такую возможность подробно обсудить интересующие его вопросы с именитыми коллегами и попытаться убедить их отказаться от своих ошибочных стереотипов. Так, он писал в письмах: «Планк следует предвзятым представлениям, не соответствующим действительности… хотя тут ни у кого нет ясного видения. Во всей этой истории нашлось бы чем порадовать целую компанию чертовых иезуитов», а также: «мне, наконец, удалось убедить Планка согласиться с многими моими идеями, которым он сопротивлялся много лет. Все-таки это человек с врожденным чувством справедливости, который ставит общие интересы выше частных».

С другой стороны, в декабре 1911 г. он писал своему ближайшему другу Микеле Бессо: «Этот конгресс напоминал плач на развалинах Иерусалима. Он не привел ни к чему новому. Мои сбивчивые выступления вызвали большой интерес, но никакой серьезной критики. Я не извлек для себя никакой пользы, поскольку все, что слышал, было мне уже известно».

Если Эйнштейн не почерпнул для себя почти ничего, то его коллеги только сейчас начинали понимать, что за новый мир открывается для физики – мир квантов и что именно Эйнштейн был в нем первопроходцем. Высказывание Марселя Бриллюэна, взятое в качестве заглавия этого раздела, хорошо выражает чувства всех участников конгресса относительно потенциальной значимости явления квантовой дискретности. А как насчет широкой публики? Разделила ли она энтузиазм в связи с открытием этого нового мира? Участвовала ли пресса в обсуждении этого исторически значимого научного события? Да, первый Сольвеевский конгресс действительно стал предметом хроник, однако вовсе не по научным причинам! Французская пресса, а затем присоединившаяся к ней бельгийская на протяжении всего конгресса назойливо атаковала Марию Кюри за ее «любовную связь» с женатым и имеющим четверых детей Полем Ланжевеном [напомним, что Пьер Кюри умер в 1906 г.]. Оба ученых были участниками конгресса в Брюсселе, что делало скандал еще более заметным. Ксенофобская и антифеминистская кампания прессы (с попытками изобразить г-жу Кюри «пришедшей ниоткуда… роковой студенткой») в основном была направлена на то, чтобы не позволить ей стать членом Французской академии наук (и результат был достигнут!). Без этого скандала, возможно, читатели европейской прессы и вовсе не услышали бы о конгрессе, который между тем отметил весьма важный этап в оценке роли квантовой революции, а также в ее распространении. Отметим только, что проявившимся позднее результатом оживленных дискуссий в Брюсселе стал тот факт, что именно благодаря услышанным от Резерфорда, по его возвращении в Манчестер, «потрясающе подробным пересказам обсуждений первого Сольвеевского конгресса» Нильс Бор вдохновился на исследования квантовых эффектов и что Луи де Бройль также загорелся желанием прояснить загадку квантов, читая материалы конгресса, опубликованные (на французском) его старшим братом Морисом де Бройлем.

Но вернемся на несколько лет назад и попробуем понять, каким образом Эйнштейну удалось убедить значительную часть физического сообщества в отсутствии непрерывности в тех областях физики, где прежде непрерывность не подлежала сомнению.

Идея «действительно революционная»

Берн, Швейцария, март 1905 г.

Вернемся к «чудесному году», 1905 г., когда молодой сотрудник бернского патентного бюро заложил основу современной физики. Обычно мы ассоциируем Эйнштейна с теорией относительности, или, точнее, с двумя теориями относительности, но, как свидетельствует высказывание немецкого физика (обладателя Нобелевской премии) Макса Борна, взятое в качестве эпиграфа к этой главе, даже если бы Эйнштейн не написал ни строчки о теории относительности, его другие вклады в теоретическую физику настолько фундаментальны, что их было бы достаточно, чтобы считать их автора одним из величайших физиков в истории человеческой мысли. Каковы же эти другие вклады? И откуда Эйнштейн взял время, чтобы сделать эти фундаментальные вклады, когда, как мы видели, он был поглощен специальной теорией относительности с 1905 по 1907 г., а с 1907 по 1918 г. построением и развитием общей теории относительности? На самом деле Эйнштейн сделал свой самый революционный вклад в физику XX в. за четыре месяца до выхода его статьи о специальной теории относительности в июне 1905 г. И он продолжал предлагать разные инновационные идеи о скрытой природе света и материи на всем протяжении периода с 1905 по 1924 г. Эти идеи совместно с идеями Макса Планка и Нильса Бора легли в основу третьей грандиозной научной революции XX в.: квантовой теории, которая была впервые полностью сформулирована в 1925–1926 гг. в работах Вернера Гейзенберга, Макса Борна, Паскуаля Йордана, Эрвина Шредингера и Поля Дирака.

В марте 1905 г., когда ему только исполнилось 26 лет, Эйнштейн заканчивал статью, предлагающую новый взгляд на природу света и его поглощение и излучение материей. В письме, написанном вскоре после этого своему другу Конраду Габихту, одному из трех членов (вместе с Эйнштейном и Морисом Соловином) «Олимпийской академии», он рассказывал о содержании данной статьи следующим образом: «Там исследуются радиационные и энергетические свойства света с помощью действительно революционного подхода…» Вспомним, что Эйнштейн никогда не считал «революционной» свою июньскую работу по теории относительности 1905 г., он оценивал ее лишь как содержащую определенный концептуальный «шаг». Итак, в чем же заключалась революционность идеи мартовской статьи 1905 г.? Вопреки тому, что все считали строго установленным в то время, идея состояла в том, что световая энергия не распространялась в пространстве непрерывно, но была сосредоточена в маленьких световых квантах (Licht-quanten), т. е. в частицах световой энергии, локализованных в отдельных точках пространства.

Революционность этой идеи можно оценить хотя бы по тому факту, что в течение 20 лет она расценивалась как абсурдная и отклонялась почти всеми физиками! Даже Макс Планк, которого часто считают инициатором квантовой революции, отвергал гипотезу Эйнштейна о световых квантах как ошибочное предположение. И это при том, что Планк был первым физиком-теоретиком, признавшим значимость инновационных концепций Эйнштейна, в том числе его июньской работы по теории относительности 1905 г. В 1913 г. Планк и его коллеги составили отчет о научных достижениях Эйнштейна для выдвижения его кандидатуры в Прусскую академию наук. В этом отчете они высоко оценивали исключительную важность вклада Эйнштейна в физику. В то же время в заключение отчета они посчитали необходимым сделать следующее негативное замечание, которое многое говорит об их отношении к «действительно революционной» идее Эйнштейна:

«В целом мы можем сказать, что среди основных проблем, которыми изобилует современная физика, едва ли найдется та, в которую Эйнштейн не сделал бы выдающийся вклад. Это правда, что иногда он теряет цель в своих предположениях, например в случае с гипотезой о световых квантах; но мы не можем упрекать его в этом, ибо даже в самых точных науках невозможно вводить действительно новые идеи без того, чтобы иногда не рисковать».

Волновая природа света

С начала XIX в. природа света казалась хорошо изученной. Англичанин Томас Юнг (в 1801–1807 гг.) и француз Огюстен Френель (в 1815–1821 гг.) доказали при помощи новаторских экспериментов, что свет ведет себя, как волна. Рябь, распространяющаяся по поверхности спокойного озера, может накладываться одна на другую, это приводит к так называемой интерференции, т. е. чередованию областей, где рябь в результате наложения усиливается, и областей, где она подавляется, оставляя, таким образом, поверхность воды спокойной. Эксперименты Юнга и Френеля показали, что свет из одного источника, но прошедший по разным маршрутам, прежде чем рекомбинировать, интерферирует, т. е. создает чередование светлых и темных областей. Из этого они заключили, что свет представляет собой волновое явление, энергия которого непрерывно распределена в пространстве и которое распространяется поступательно со скоростью 300 000 км/с.