Истина и красота. Всемирная история симметрии. - Иэн Стюарт

В течение всего 1901 года Альберт не оставлял попыток найти работу в каком-либо университете, для чего писал письма и рассылал экземпляры своей статьи, подавая на все возможные вакансии. Но тщетно. В отчаянии он временно устроился школьным учителем. К своему удивлению, он обнаружил, что ему нравится преподавать; кроме того, это оставляло ему достаточно свободного времени для продолжения исследований по физике.

Он сказал своему друг Марселю Гроссманну, что работает над теорией газов и — снова! — проблемой движения материи через эфир. Он перешел в другую школу, тоже в качестве временного преподавателя.

На помощь Альберту пришел Гроссманн: он уговорил своего отца Марселя порекомендовать Альберта директору Федерального бюро патентов в Берне. Когда вышло официальное объявление об открывшейся вакансии, Эйнштейн подал заявление в качестве соискателя на эту должность. Он оставил школьное преподавание и переехал в Берн в начале 1902 года, хотя официально еще не был принят. Возможно, он узнал об этом неофициально или же просто был очень уверен, что все сложится хорошо.

Его официальное зачисление произошло в июне 1902 года. То не была академическая должность, к которой он так стремился, но она приносила достаточно денег — 3500 швейцарских франков в год, — чтобы обеспечить пропитание, одежду и жилье. И она оставляла достаточно времени для физики.

Еще в ETH он встретил молодую студентку Милеву Марич, которая проявляла сильный интерес к наукам — и к Альберту. Они полюбили друг друга. К сожалению, Паулине Эйнштейн потенциальная невестка не понравилась, и это вызвало неприязнь. У Германа в то же самое время развилось крайне серьезное сердечное заболевание. На смертном одре он наконец согласился на брак Альберта и Милевы, а затем попросил всех членов семьи удалиться, чтобы умереть в одиночестве. Альберт испытывал чувство вины всю свою оставшуюся жизнь. В январе 1903 они с Милевой поженились; их единственный сын Ханс Альберт родился в мае 1904 года[55].

Работа в бюро патентов устраивала Эйнштейна. Он исполнял свои обязанности настолько эффективно, что ближе к концу 1904 года его должность сделали постоянной — однако начальник предупредил его, что дальнейшее продвижение будет зависеть от того, овладеет ли он техническими дисциплинами. Продвигались и работы Эйнштейна по физике в области статистической механики.

Так и наступил «золотой 1905 год», когда служащий бюро патентов написал статью, которая в итоге принесла ему Нобелевскую премию. В том же году он защитил диссертацию в Цюрихском университете. Кроме того, его повысили до технического эксперта второго класса, прибавив жалованье на 1000 швейцарских франков в год, — похоже, он сумел освоить технические дисциплины.

Даже став знаменитым, Альберт всегда питал благодарность к Гроссманну, способствовавшему его трудоустройству в бюро патентов. Именно это больше, чем что-либо другое, говорил Эйнштейн, дало ему возможность заниматься физикой. Это была гениальная комбинация, идеальная работа, и он никогда об этом не забывал.

В тот замечательный год в истории физики Эйнштейн опубликовал три важнейших научных статьи.

Первая была посвящена броуновскому движению — случайным перемещениям очень маленьких частиц, взвешенных в жидкости. Это явление названо именем своего первооткрывателя ботаника Роберта Брауна[56]. В 1827 году Браун разглядывал в микроскоп плавающие в воде зерна цветочной пыльцы. Внутри полостей в пыльце он заметил еще меньшие, беспорядочное дергающиеся частицы. Математическую модель движения такого типа разработал в 1880 году Торвальд Тиле, а в 1900-м независимо — Луи Башелье. Башелье интересовался в первую очередь не броуновским движением как таковым, но такими же случайными флуктуациями фондового рынка; их математика оказалась тождественной.

Физическая же природа этого движения еще ждала своего объяснения. Эйнштейн и независимо от него польский ученый Мариан Смолуховский осознали, что броуновское движение может подтверждать еще недоказанную на тот момент теорию, что материя состоит из атомов, комбинации которых образуют молекулы. Согласно так называемой кинетической теории молекулы в газах и жидкостях постоянно соударяются, в результате совершая, по существу, случайное движение. Эйнштейн разработал математические аспекты такого процесса, что позволило ему показать, что процесс соответствует экспериментальным наблюдениям броуновского движения[57].

Вторая статья была посвящена фотоэлектрическому эффекту. Александр Беккерель, Уиллоуби Смит, Генрих Герц и некоторые другие уже обнаружили, что определенные металлы производят электрический ток под действием света. Эйнштейн исходил из квантово-механического предположения, что свет состоит из мельчайших частиц. Его вычисления показали, что это предположение очень хорошо согласуется с экспериментальными данными. Это было одним из первых серьезных свидетельств в поддержку теории квантов.

Любая из этих двух статей сама по себе составляла значительное открытие. Но третья оставила первые две далеко позади. Это была статья о специальной теории относительности — теории, которая выходила за рамки ньютоновской физики и перевернула наши взгляды на пространство, время и материю.

Наше повседневное восприятие пространства ничем не отличается от восприятия Эвклида и Ньютона. Пространство имеет три измерения — три независимых взаимно перпендикулярных направления, как на углу здания: на север, на восток и вверх. Структура пространства одна и та же во всех точках, хотя материя, которую оно вмещает, может от точки к точки меняться. Объекты в пространстве можно передвигать различными способами: их можно вращать, отражать как в зеркале или переносить параллельно самим себе без вращений.

Если рассуждать более абстрактно, то можно считать, что эти преобразования применяются к пространству самому по себе (изменение «системы отсчета»). Структура пространства, а также физические законы, которые выражают эту структуру и оперируют с ней, симметричны относительно этих преобразований. Другими словами, законы физики одинаковы во всех местоположениях и во все моменты времени.

При ньютоновском взгляде на физику время образует еще одно «измерение», которое не зависит от пространственных. Время одномерно, и его преобразования симметрии очень просты. Время можно сдвигать (добавлять фиксированный промежуток к каждому наблюдению) или отражать (пустить в обратном направлении — хотя и только в рамках мысленного эксперимента). Физические законы не зависят от того момента, когда вы начали делать измерения, так что они должны быть симметричны относительно сдвигов по времени. Наиболее фундаментальные физические законы — хотя и не все, что представляется некоторой загадкой, — симметричны также относительно обращения времени.

Но когда математики и физики начали размышлять о недавно открытых законах электричества и магнетизма, оказалось, что ньютоновские представления неадекватны. Преобразования пространства и времени, которые оставляют законы неизменными, не были простыми «движениями» — сдвигами, вращениями и отражениями; более того, оказалось невозможно применять эти преобразования к пространству или времени по отдельности. При изменениях в одном только пространстве уравнения перекашивались. Следовало выполнить компенсирующее преобразование времени[58].

До некоторой степени эту проблему можно было игнорировать, например, если рассматриваемые системы не движутся. Но во всей остроте встала проблема математического описания движущейся электрически заряженной частицы (например, электрона); в физике конца девятнадцатого столетия эта проблема была центральной. Невозможно было долго игнорировать сопровождавшую ее озабоченность насчет симметрии.

В годы, предшествовавшие 1905-му, целый ряд физиков и математиков был озадачен этим странным свойством уравнений Максвелла.

Если выполнить какой-нибудь эксперимент с электричеством и магнетизмом в лаборатории и в движущемся поезде, то как согласовать результаты? Разумеется, немногие экспериментаторы работают в движущихся поездах, но все они работают на движущейся Земле. Для многих целей Землю можно считать неподвижной, поскольку экспериментальные приборы движутся вместе с ней, так что движение не создает никаких реальных отклонений. Ньютоновы законы движения, например, остаются в точности теми же в любой «инерциальной» системе отсчета — такой, которая движется с постоянной скоростью по прямой линии. Скорость Земли с неплохой точностью постоянна, но она вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца, так что ее движение относительно Солнца не является прямолинейным. Тем не менее путь, по которому движется прибор, почти прямой; имеет ли кривизна какое-либо значение, зависит от эксперимента, причем часто она никакого значения не имеет.