Как родилась новая физика
«Если вы не можете объяснить что-то просто, значит, вы недостаточно хорошо это понимаете»
Альберт Эйнштейн
Физика на распутье
К началу двадцатого века физика пребывала в состоянии, которое внешне напоминало дворец, роскошный снаружи, стены которого внутри попросту растрескивались. Здание классической механики, возведённое Ньютоном, стояло уже двести лет прочно и торжественно. И тем мучительнее было, войдя через красивое крыльцо в высокие залы, увидеть на их стенах эти трещины, которые никак не удавалось заделать.
Трещин было несколько, и каждая убегала в свою сторону.
Во-первых, атомы. Идея о том, что материя состоит из неделимых частиц, восходит к древним грекам, но научный фундамент под неё подвёл английский химик Джон Дальтон (John Dalton; 1766—1844) в начале 19-го века. Именно Дальтон сформулировал атомную теорию в виде, пригодном для химии: каждый элемент состоит из атомов определённого веса, атомы одного элемента одинаковы между собой, химические реакции — это перегруппировка атомов. К 1900 году никто из серьёзных учёных не сомневался в том, что материя состоит из атомов и молекул. Но прямого экспериментального доказательства не было. Атом оставался понятием теоретическим — удобными строительными лесами для химии и термодинамики, но не более. Скептики — а среди них были весьма авторитетные люди — не без оснований указывали: то, что теория, построенная на предположении об атомах, даёт правильные результаты, ещё не доказывает, что атомы существуют в действительности.
Во-вторых, свет. Джеймс Клерк Максвелл в 1860-е годы показал, что свет — это электромагнитная волна, и уравнения, описывающие электромагнитное поле, работали блестяще. Но свет при этом вёл себя странно. В некоторых экспериментах – действительно, как волна, а в некоторых, например, в случае с фотоэффектом, как поток частиц.
В-третьих, оказалось, что механика Ньютона противоречила электродинамике Максвелла. Скорость света согласно уравнениям Максвелла, была постоянной в любой системе отсчёта, хотя по законам механики она должна была зависеть от того, движется ли наблюдатель относительно источника. Этот парадоксальный результат доказанный экспериментально американцами Альбертом Майкельсоном и Эдуардом Морли в 1887 году, прямо противоречил здравому смыслу и механике Ньютона, а хуже всего, объяснения этому факту не было.
В 1900 году три раздела физики, механика, термодинамика и электродинамика, не имели общего языка. Противоречия между ними не удавалось примирить даже крупнейшим учёным эпохи.
И вот в 1905-м году молодой человек двадцати шести лет, не числившийся ни в каком университете и служивший клерком третьего класса в патентном бюро Берна, опубликовал три статьи. Каждая из них разрешала одно из противоречий. Вместе они изменили физику навсегда.
Annus Mirabilis — год, когда всё началось
Латинское выражение «Annus Mirabilis», то есть «год чудес», имеет почтенную историю. Так называли 1666 год, когда двадцатитрёхлетний Исаак Ньютон, спасаясь от чумы в деревне Вулсторп, в течение одного года заложил основы дифференциального исчисления, теории гравитации и теории цвета.
Параллель с Ньютоном не случайна. 1905-й иногда так и называют — «вторым годом чудес» в истории физики. Эйнштейн в этом году опубликовал не три, а даже четыре важные работы, включая диссертацию. Но именно три из них стали историческими.
Альберт Эйнштейн (Albert Einstein; 1879—1955) к этому времени уже несколько лет работал в Бернском патентном бюро. Работа была несложной, не занимала мыслей, и позволяла думать о любимой Эйнштейном физике. Коллеги вспоминали Эйнштейна, как человека дружелюбного, склонного к разговорам о физике и неизменно жизнерадостного. Университетской кафедры у него не было. Диссертации — тоже, пока. Академических связей — минимум. По меркам тогдашней научной иерархии, он был никем.
Тем не менее к 1905 году ему уже удалось опубликовать несколько статей в главном немецком физическом журнале «Annalen der Physik» («Анналы физики»). Не выдающихся, но добросовестных — достаточно, чтобы редакция знала его имя. Это обстоятельство, как будет видно дальше, сыграло роль.
Три статьи: что в них было
Первая: свет как поток частиц
9 июня 1905 года в «Анналах физики» вышла статья «Об эвристической точке зрения на производство и преобразование света». Редакция получила её ещё в марте — и, видимо, вопросов она не вызвала.
Статья была посвящена фотоэффекту. Явление это открыл Генрих Герц в 1887 году: оно состояло в том, что под действием света металл терял электрический заряд.
Эйнштейн предложил идею, которая выглядела почти еретически: свет состоит из дискретных порций энергии — квантов. Эту идею за пять лет до того выдвинул Макс Планк для описания теплового излучения, но сам Планк считал её математическим приёмом, а не физической реальностью. Эйнштейн сделал следующий шаг: если свет квантован, то каждый квант несёт определённую энергию, зависящую от частоты. Электрон вылетает, получив один квант — и его энергия определяется именно частотой, а не интенсивностью. Это совпадало с результатами экспериментов и объясняло фотоэффект.
Статья была написана по всем правилам: изложение предшествующих экспериментов, корректные ссылки на предыдущие работы, количественное сравнение теоретических расчётов с экспериментальными данными. Редактор журнала принял её без возражений. Впоследствии именно за эту статью Эйнштейн получил Нобелевскую премию — в 1921 году.
Вторая: атомы существуют, и вот доказательство
16 июля 1905 года вышла вторая статья — «О движении малых частиц, взвешенных в неподвижной жидкости, как того требует молекулярно-кинетическая теория тепла». Журнал получил её в мае.
Статья была посвящена броуновскому движению — явлению, которое наблюдал шотландский ботаник Роберт Броун ещё в 1827 году: взвешенные в жидкости мелкие частицы непрерывно хаотически движутся, словно их что-то толкает со всех сторон. Объяснение казалось очевидным — это следствие движения молекул жидкости.
Эйнштейн математически описал это движение, и доказал: если атомы и молекулы реально существуют, то их тепловое движение должно порождать наблюдаемое случайное блуждание частиц — и при этом можно предсказать, как далеко частица уйдёт от начальной точки за данное время. Это предсказание можно было проверить экспериментально. Более того: из измерений можно было вычислить число Авогадро — фундаментальную константу, связывающую мир молекул с миром, доступным нашим весам и линейкам.
Это и была та самая прямая экспериментальная проверка существования атомов, которой так не хватало физике. В 1908 году французский физик Жан Перрен провёл серию блестящих экспериментов, точно подтвердивших предсказания Эйнштейна — и получил за это Нобелевскую премию.
Следует добавить, что в этой статье Эйнштейн допустил численную ошибку в одной из формул и получил неверное значение числа Авогадро. Когда впоследствии расхождение с экспериментом обнаружили, он ошибку признал, пересчитал формулу и опубликовал исправление — и новый результат прекрасно совпал с экспериментальными данными. Что характерно: после этого случая Эйнштейн стал значительно осторожнее с количественными предсказаниями в своих работах.
Третья: время не абсолютно
26 сентября 1905 года вышла третья статья — «Об электродинамике движущихся тел». Это и есть специальная теория относительности.
По содержанию она была наиболее радикальной из трёх. По стилю — наиболее странной.
Проблема, которую Эйнштейн взялся решать, была простой по формулировке и отчаянно трудной по существу. Механика Ньютона и электродинамика Максвелла противоречили друг другу: из уравнений Максвелла следовало, что скорость света постоянна и не зависит от движения наблюдателя; из законов Ньютона следовало ровно обратное.
Эйнштейн предложил переосмыслить саму основу. Он принял два постулата: законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта, и скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей. Из этих двух утверждений — кажущихся почти банальными — следовали выводы, которые переворачивали всё привычное представление о пространстве и времени. Время течёт по-разному для движущегося и неподвижного наблюдателей. Длины тел сокращаются при движении. Понятие одновременности двух событий зависит от того, с какой скоростью и в каком направлении движется наблюдатель. Масса и энергия связаны знаменитым соотношением E = mc² — хотя это уравнение появилось в отдельной, четвёртой статье того же года.
Для физики это был переворот, которого не было со времён Коперника. Исчезло Ньютоновское абсолютное время — время, которое течёт одинаково для всей Вселенной. Пространство и время оказались связаны в единое целое, а механика — частным случаем более общей теории.
Как это выглядело со стороны редактора
Вот тут начинается самое интересное — и именно это делает историю трёх статей не просто научным событием, но и человеческой.
Любой, кто имел дело с публикацией научных статей, знает: первое, на что смотрит редактор или рецензент, — это не содержание. Первое — это автор. Где работает? Какое учреждение? Если автор из солидного университета с хорошей репутацией, к его результатам относятся с доверием. Если из малоизвестного места или вовсе не из академической среды — насторожённость немедленно возрастает, и каждое утверждение будет проверяться вдвойне придирчивее.
По этому критерию Эйнштейн в 1905 году был кандидатом подозрительным. Патентное бюро — не университет. Официального академического статуса — никакого. Спасало его только одно: к 1905 году он уже имел несколько публикаций в том же «Анналы физики», и редакция знала его имя.
Второй критерий — цитирование. Хорошая статья цитирует предыдущие работы в данной области, демонстрируя, что автор ориентируется в теме и знает, что сделано до него. Если же автор ссылается исключительно на самого себя или на учебники двадцатилетней давности — это дурной знак.
Третья статья Эйнштейна — о теории относительности — по этому критерию выглядела совершенно неприемлемо. В ней не было ни одной ссылки на других учёных. Ни на Лоренца, который за несколько лет до этого вывел практически те же преобразования координат. Ни на Пуанкаре, который ставил те же вопросы. Ни на Майкельсона и Морли, чей эксперимент лежал в основе всего рассуждения, — хотя результаты этого эксперимента были широко известны в немецких физических кругах уже восемнадцать лет.
Третий критерий — для теоретических работ особенно важный — количественное сравнение теории с экспериментом. Если теория не предсказывает ничего измеримого, она — чистая умозрительность, философия, а не физика. В третьей статье Эйнштейна количественных предсказаний не было тоже. Единственная привязка к реальности — утверждение о постоянстве скорости света.
Иными словами, если бы такую статью получил на рецензию любой добросовестный физик, не знающий, кто её автор, — он бы её отклонил. Без колебаний.
Эйнштейн, как гениальный стратег
И вот здесь обнаруживается нечто, что делает историю Эйнштейна куда более интересной, чем просто историей гения, изрекающего истины.
По всей видимости, все три знаменитые статьи были написаны примерно одновременно или в короткий промежуток времени. Но публиковались они совсем не случайным образом — и хронология этой публикации говорит о незаурядном понимании того, как устроена наука как социальный институт.
Сначала — 9 июня 1905 года — вышла статья о фотоэффекте. Вполне конвенциональная по форме, снабжённая всеми полагающимися ссылками и количественными расчётами. Она была принята хорошо.
Статья о броуновском движении к этому моменту уже была отправлена в редакцию, но ещё не опубликована. Пока она ждала своей очереди, 30 апреля Эйнштейн завершил диссертацию «Новое определение размеров молекул» — и 20 июня, то есть через одиннадцать дней после выхода статьи о фотоэффекте и явно воодушевлённый её хорошим приёмом, подал диссертацию на утверждение.
Через несколько дней пришли положительные отзывы на диссертацию. Репутация физика Альберта Эйнштейна укреплялась.
И только после этого — 30 июня 1905 года — Эйнштейн отправил в редакцию третью статью. Ту самую, странную. Ту, в которой нет ссылок, нет количественных расчётов и нет привязки к эксперименту. Ту, которая по всем правилам должна была быть отклонена.
Но к тому моменту у Эйнштейна уже было три принятых работы в том же журнале и положительные отзывы на диссертацию. Редактор знал его. И статья вышла — 26 сентября 1905 года.
Эйнштейн не только понимал физику, он прекрасно знал, как работало современное ему научное сообщество. Здесь авторитет зарабатывается последовательно, а потому революционную идею нужно предъявлять тогда, когда к тебе уже есть доверие. Одного гениального озарения недостаточно — нужно уметь его правильно подать.
Не случайно Нобелевскую премию Эйнштейну дали именно за первую статью — о фотоэффекте. За ту, которая соответствовала всем правилам и была принята без споров.
Что изменилось после
Публикация трёх статей не вызвала немедленной сенсации. Наука работает иначе, чем газеты: новые идеи усваиваются медленно, через семинары, переписку, постепенное воспроизведение результатов. Но к 1908–1910 годам физическое сообщество уже понимало, что произошло нечто значительное.
Экспериментальное подтверждение броуновского движения Перреном в 1908 году окончательно закрыло дискуссию о существовании атомов — один из главных открытых вопросов физики предыдущего столетия. Теория относительности медленно, через споры и возражения, входила в обиход. Уравнение E = mc² оказалось, пожалуй, самым знаменитым уравнением в истории науки — и одним из наиболее плодотворных. Если, конечно, можно назвать плодотворным ядерный взрыв.
Эйнштейн получил университетскую должность в 1909 году — в Цюрихе. Затем последовали Прага, снова Цюрих, Берлин. В 1916 году он опубликовал общую теорию относительности, создав новую теорию гравитации. В 1919 году британская экспедиция наблюдала солнечное затмение и подтвердила предсказанное Эйнштейном отклонение световых лучей в поле тяготения. Газеты по всему миру вышли с заголовками о революции в науке. Нобелевская премия пришла в 1921 году.
Патентный клерк из Берна стал самым знаменитым учёным в мире.
Три задачи — одно решение
Оглядываясь назад, видно, что три статьи 1905 года решали три разные задачи — но все три были, по существу, об одном: о противоречиях между различными областями физики, которые накопились к началу двадцатого века и не давали покоя лучшим умам эпохи.
Статья о фотоэффекте примиряла электромагнитную теорию света с экспериментами, которые она не могла объяснить. Квантовая гипотеза Планка, до того остававшаяся чисто математическим приёмом, получила физический смысл — и дала начало квантовой механике, которая в следующие двадцать лет полностью изменила понимание природы вещества.
Статья о броуновском движении примиряла термодинамику и статистическую физику с вопросом о физической реальности атомов. Она давала в руки экспериментаторам инструмент для прямого наблюдения следствий молекулярного движения — и тем самым переводила атом из категории теоретической абстракции в категорию измеримой реальности. Дальтон, предложивший атомную теорию за столетие до этого, мог бы быть доволен.
Статья о теории относительности примиряла механику и электродинамику — две области, которые давали взаимно несовместимые предсказания относительно поведения скорости света. Цена примирения оказалась высокой: пришлось отказаться от ньютоновской картины мира. Пространство и время перестали быть абсолютными.
Есть что-то поразительное в том, что все три задачи были решены в течение одного года одним человеком. Тем более — человеком без кафедры, без учеников и без привычного академического окружения, которое обычно и порождает прорывы. Только патентное бюро, свободное время и голова, в которой всё это каким-то образом помещалось одновременно.
Основой для этой статьи послужила интереснейшая статья Михаила Голосовского