E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения мира - Боданис Дэвид

Сразу после открытия радиоактивности в 1890-х ученые заподозрили, что уран или подобное ему «топливо» может работать во всей вселенной и, в частности, поддерживать горение нашего Солнца. Именно нечто столь мощное и требовалось, поскольку открытия Дарвина и геологические находки показывали, что Земля должна была существовать — и обогреваться Солнцем — в течение миллиардов лет. Уголь и иные привычные виды топлива такой большой энергии дать не могли.

К сожалению, никаких признаков наличия урана на Солнце астрономы найти не сумели. Каждый химический элемент создает отчетливый зримый сигнал, и оптическое устройство, именуемое спектроскопом (ибо оно раскладывает любое излучение на составляющие его «спектра»), позволяет эти сигналы идентифицировать. Однако направьте спектроскоп на Солнце и вы ясно увидите: ни урана, ни тория, ни других радиоактивных элементов там нет.

При анализе света далеких звезд — как и нашего Солнца — бросалось в глаза еще одно обстоятельство: в них всегда присутствовало железо, и в очень большом количестве. Ко времени, когда Эйнштейну удалось, наконец, оставить работу в патентном бюро, к 1909 году, уже имелись очень веские доказательства того, что Солнце примерно на 66 процентов состоит из чистого железа.

Результат этот обескураживал. Уран способен изливать, в соответствии с формулой E=mc 2, энергию, поскольку его ядро столь велико и до того переполнено частицами, что оно еле-еле удерживает их в себе. Железо — это совсем другое дело. Ядро атома железа является едва ли не самым совершенным и стабильным из всех доступных воображению. Шар, состоящий из железа, — даже расплавленного, ионизированного или газообразного, — не смог бы изливать тепло в течение миллиардов лет.

И неожиданно выяснилось, что использовать E=mc 2и другие связанные с этим уравнения для истолкования того, что происходит во вселенной, невозможно. Астрономам оставалось лишь выглядывать за пределы земной атмосферы, в огромный космос со всеми его звездами, и дивиться.

Человеком, преодолевшим это препятствие и позволившим E=mc 2вырваться из крепких пут Земли, была молодая англичанка Сесилия Пэйн, которой нравилось смотреть, как далеко способен зайти ее ум. Увы, первые ее преподаватели по Кембриджскому университету, в который она поступила в 1919-м, интереса к такого рода экспериментам не питали. Она сменила факультет, потом сменила его еще раз и в итоге стала специализироваться по астрономии, а когда Пэйн принимала какое бы то ни былорешение, результаты неизменно получались впечатляющие. Прозанимавшись астрономией всего несколько дней, она впервые оказалась ночью вблизи университетского телескопа и привела в ужас ночного дежурного. Он «сбежал вниз по лестнице, — вспоминала Пэйн, — и, задыхаясь от изумления закричал: «Там какая-то женщина вопросы задает!»». Однако ее это не обескуражило, и несколько недель спустя произошел еще один инцидент такого рода, также ею описанный: «У меня появился вопрос и я поехала на велосипеде к Обсерватории физики Солнца. Там я обнаружила молодого человека с копной спадавших на глаза светлых волос, — он сидел верхом на коньке крыши одного из зданий, занимаясь ее починкой. «Я приехала, чтобы спросить, — крикнула я ему снизу, — почему в звездном спектре не наблюдается эффект Старка?»».

Этотмолодой человек не стал спасаться от нее бегством. Эдуард Милн — так его звали — и сам был астрономом; он и Пэйн подружились. Пэйн пыталась увлечь астрономией своих друзей и подруг с факультета искусств и хотя те, по большей части, понимали меньше половины того, что слышали от нее, Пэйн все равно пользовалась у них большой популярностью. Ее квартирка в Ньюнем-Колледже почти всегда была переполнена людьми. Один из ее друзей писал: «…с удобством разлегшись на полу (кресла ей ненавистны), она заводит разговор о чем угодно — от этики до новой теории приготовления какао».

В то время в Кембридже преподавал Резерфорд, однако что ему делать с Пэйн, он не понимал. С мужчинами Резерфорд вел себя грубовато, но дружелюбно, а вот с женщинами — грубовато и едва ли не по-свински. На лекциях он обращался с Пэйн попросту жестоко, добиваясь того, чтобы у его студентов-мужчин эта единственная среди них женщина ничего, кроме смеха, не вызывала. От посещения лекций Резерфорда ее это не отвратило — на семинарах Пэйн неизменно удавалось доказать, что она ни в чем не уступает даже лучшим его студентам, однако и сорок лет спустя, уже уйдя в отставку с поста профессора Гарварда, она помнила ту лекционную аудиторию с рядами выкрикивающих грубости студентов, которые лезли из кожи вон, пытаясь сделать то, чего ждет от них их профессор.

Зато спокойный квакер Артур Эддингтон, также работавший в университете, был рад видеть ее на своих семинарах. И хотя осторожная сдержанность никогда его не покидала, — если он приглашал студентов на чаепитие, на них непременно присутствовала его незамужняя старшая сестра, — Пэйн, которой шел тогда двадцать второй год, переняла у Эддингтона его почти не выражавшееся в словах преклонение перед силой теоретической мысли.

Эддингтон любил показывать своим студентам, каким образом разумные существа, живущие на полностью окутанной облаками планете, могли бы постичь основные особенности не наблюдаемой ими вселенной. Он представлял себе ход их рассуждений так: там, наверху, могут существовать раскаленные сферы, поскольку в плавающих по космосу облаках изначального газа должны постепенно формироваться такие его скопления, которые обладают плотностью, достаточной для того, чтобы внутри них началась ядерная реакция, благодаря чему они вспыхнули бы — и обратились в солнца. Плотность этих раскаленных сфер была бы достаточной и для того, чтобы сила их притяжения удерживала вращающиеся вокруг них планеты. И если бы вдруг задувший на этой мифической планете ветер разорвал облака, ее обитатели, взглянув вверх, увидели бы то, что они и ожидали увидеть, — вселенную, полную раскаленных звезд с вращающимися вокруг них планетами.

Мысль о том, что кто-то из обитателей Земли сумеет разрешить проблему входящего в состав Солнца железа, подтвердив тем самым правильность нарисованной Эддингтоном картины, была волнующей. И когда он поставил перед Пэйн задачу, касающуюся внутреннего строения звезд и бывшую хотя бы начальным шагом к решению этой проблемы, «задача эта преследовала меня днем и ночью. Помню мои яркие сны — я находилась в центре [гигантской звезды] Бетельгейзе и отчетливо понимала, как просто все в ней устроено; однако при свете дня эта простота куда-то исчезала».

Впрочем, и при поддержке такого замечательного человека, возможности защитить диссертацию в этой научной области женщина в Англии не имела, поэтому Пэйн перебралась в Гарвард, где преуспела еще больше. Она сменила плотные шерстяные платья на более легкие, модные в Америке 1920-х; нашла себе научного руководителя, многообещающего астрофизика Харлоу Шепли; ей нравилась свобода, царившая в студенческих общежитиях, нравилась новизна тем, которым посвящались университетские семинары. Ее распирал энтузиазм.

Вот он-то и мог стать серьезной преградой на ее пути. Энтузиазм в чистом виде для молодых ученых опасен. Если вас волнует новая область исследований, если вам не терпится присоединится к тому, чем занимаются ваши профессора и однокашники, это обычно приводит к тому, что вы предпринимаете попытки приладиться к принятым ими подходам. Студенты, работы которых выгодно отличаются от всех прочих, предпочитают, как правило, этого избегать, сохранять критическую дистанцию. Эйнштейн относился к своим цюрихским профессорам без особого почтения, считая большинство их просто рабочими лошадками, никогда не ставившими под сомнение основания того, чему они учили студентов. Фарадей не мог довольствоваться объяснениями, оставлявшими за скобками его сокровенное религиозное чувство; Лавуазье оскорбляла расплывчатая, лишенная точности химия, которую он получил в наследство от своих предшественников. Что касается Пэйн, необходимая ей дистанция возникла, когда она получше познакомилась со своими веселыми однокашниками. Вскоре после приезда в Гарвард: «Я рассказала подруге о том, как мне нравится одна девушка, жившая в том же, что и я, общежитии Рэдклифф-Колледжа. Ее это шокировало: «Она же еврейка!» — воскликнула моя подруга. Я сильно удивилась… а после обнаружила такое же отношение и к студентам африканского происхождения».