Но наиболее важным достижением Эйнштейна в «год чудес» стало создание специальной теории относительности. Он наконец-то обратился к вопросу погони за лучом света, который занимал его с юных лет. Эйнштейн пришел к выводу, что, независимо от того, как быстро вы движетесь и как сильно стараетесь, вы никогда не сможете догнать световую волну.
В сегодняшней науке существование максимально возможной скорости — это широко известный факт, но в те времена это было практически немыслимо. Классическая физика со времен Ньютона и на протяжении всех последующих веков в качестве непреложных законов учила тому, что относительная скорость — это аддитивная величина. То есть если вы катитесь по палубе корабля на скейтборде на запад с некоторой скоростью относительно палубы, а корабль при этом тоже движется на запад с какой-то скоростью относительно поверхности океана, то эти две скорости складываются. Ваша скорость относительно поверхности океана будет равна сумме скорости скейтборда и скорости корабля. Если судно каким-то образом разогнать до скорости, равной двум третям скорости света, и при этом вы тоже смогли бы на своем скейтборде похвастать такой же поразительной скоростью, то в этом случае с точки зрения ньютоновской механики вы могли бы легко обогнать луч света.
Во времена Эдисона считалось, что возможности человека ограничены лишь его воображением. Раз уж с помощью электроэнергии можно освещать города, она заставляет работать двигатели поездов и трамваев и производственные мощности заводов, то, безусловно, в мире найдется достаточно энергии, чтобы разогнать что угодно до какой угодно скорости. Если один аккумулятор может разогнать некоторое тело до определенной скорости, то никакие физические законы не исключают возможности заставить это тело двигаться в миллиард раз быстрее, используя миллиард аккумуляторов.
Принимая уравнения Максвелла для электромагнитного поля как несомненный факт, но при этом игнорируя идею эфира, Эйнштейн предположил, что скорость света в вакууме является абсолютной константой независимо от того, кто ее измеряет. «Вояджеры»[4], летящие с невероятной скоростью вдоль луча света, будут фиксировать, что этот луч удаляется от них с той же скоростью, как если бы они просто стояли на месте. Поэтому, как мираж в пустыне, независимо от того, как быстро вы движетесь, попытка догнать свет останется для вас несбыточной мечтой.
Эйнштейн понял, что для того, чтобы согласовать постулат о постоянстве скорости света с правилом сложения скоростей, ему придется пересмотреть часть ключевых понятий ньютоновской механики. Он решил отказаться от понятий абсолютного времени и абсолютного пространстве (последнее критиковал Мах) и заменить их более подходящими концепциями. Он рассуждал, что если бы у движущихся наблюдателей часы шли медленнее, а измерительная линейка укорачивалась в направлении движения, то скорость света для них могла бы сохранить свое прежнее значение. Эти две идеи — замедление времени и сокращение линейных размеров — согласовывали теорию Максвелла с модифицированной механикой Ньютона, развеивая одно из облаков Кельвина и приближая светлое будущее науки.
Замедление времени предполагает расхождение между собственным временем наблюдателя, движущегося вместе с исследуемым объектом, и собственным временем второго наблюдателя, движущегося с некоторой постоянной скоростью относительно первого. К примеру, предположим, что первый наблюдатель — это пассажир космического корабля, движущегося со скоростью, близкой к скорости света. Для этого пассажира время, которое показывают часы на корабле, будет его собственным временем. Однако если второй наблюдатель, сестра этого пассажира, оставшаяся на Земле, каким-то образом посмотрит на его часы (с помощью супермощного телескопа, направленного на большие иллюминаторы космического корабля), то она обнаружит, что часы брата идут медленнее.
Чтобы понять причину этого расхождения, представьте себе, что наш пассажир проводит время, играя в своего рода пинг-понг с лучом света. В этой игре он направляет луч света прямо на зеркало, установленное на потолке. Отражаясь в нем, свет движется вертикально вниз и попадает на нижнее зеркало, установленное на полу. Сам пассажир при этом измеряет, сколько времени занимает такое движение вверх-вниз. Наблюдая в телескоп за этой игрой, его сестра увидит, что луч света описывает зигзагообразную траекторию, поскольку для нее космический корабль еще и перемещается в пространстве, пока свет летит вверх и вниз. Горизонтальное движение космического корабля в сочетании с вертикальными колебаниями луча света приводит к тому, что свет движется по V-образной траектории. Поскольку для сестры нашего пассажира свет прошел большее расстояние, чем для ее брата, а скорость света постоянна, то по часам сестры этот процесс занял больше времени по сравнению с тем, что измерил ее брат. Таким образом, она увидит, что время на корабле течет медленнее.
Релятивистское[5] сокращение длины — это частный случай лоренцева сокращения, при котором происходит сжатие самого пространства в направлении движения, а не просто сплющивание материи. Наблюдатель, движущийся вместе с некоторым объектом, измеряет собственную длину объекта, а вот измерения того же объекта другими исследователями, движущимися с различными постоянными скоростями относительно объекта, дадут длину, которая будет меньше в направлении их движения.
Чтобы было легче понять эту идею, снова представьте, что пассажир космического корабля играет в «световой пинг-понг», но не вверх-вниз, а вперед-назад (в направлении движения корабля). То есть он размещает зеркало на передней стенке и направляет к нему луч света, который отражается и летит обратно к задней стенке, где установлено еще одно зеркало. Умножая время полета луча от стенки к стенке на скорость света, он определяет общую длину его пути. На Земле его сестра наблюдает за кораблем в свой супермощный телескоп и измеряет длину пути этого же луча. Поскольку корабль мчится в том же направлении, что и луч света (до того, как он отразится от передней стенки), то она обнаружит, что время, которое затрачивает луч на прохождение всего пути вперед и назад, будет меньше, чем с точки зрения ее брата. Следовательно, по ее наблюдениям, длина пути луча света будет меньше.
В последующих работах по специальной теории относительности Эйнштейн показал, что происходит с массой при движении с большими скоростями. Он предположил, что релятивистская масса эквивалентна энергии и они связаны знаменитым уравнением Е = тс2. Пока объект не движется, он обладает только массой покоя — его врожденной характеристикой, так сказать. По мере того как он разгоняется, его масса, связанная с его энергией движения, увеличивается. И чем ближе его скорость к скорости света, тем больше его масса. Но чтобы разогнать объект до скорости света, потребуется преобразовать в массу бесконечное количество энергии, а это невозможно. Таким образом, для материальных тел скорость света недостижима (если только объект уже не движется с такой скоростью).
Союз пространства и времени
После того как Эйнштейн опубликовал свои потрясающие результаты, немецкое научное сообщество наконец-то обратило на него внимание. Но до всемирной славы было еще далеко. Одним из первых его сторонников стал физик Макс фон Лауэ, бывший тогда ассистентом Планка в Берлине. Летом 1906 года он нашел время, чтобы навестить Эйнштейна в патентном бюро. Он сидел в приемной, нетерпеливо ожидая встречи с удивительным наследником трона Ньютона.
Фон Лауэ вспоминал: «Молодой человек, вышедший встретить меня, выглядел настолько неожиданно для меня, что я не мог поверить в то, что это и есть создатель теории относительности. Так что я позволил ему пройти мимо, и лишь когда он вернулся из приемной, нас познакомили»{22}.
Фон Лауэ много сделал для продвижения теории относительности Эйнштейна и изучения множества ее следствий. Он написал первый учебник по теории относительности, изданный в 1911 году. Эйнштейн высоко ценил его поддержку и дружбу, которая продлилась всю их жизнь.
Другим его сторонником оказался Минковский, кардинально изменивший мнение о бывшем студенте. Пораженный тем, что «лентяй» смог дать верную трактовку уравнениям Максвелла, Минковский решил переформулировать теорию более точным математическим языком. В то время он уже занимал пост профессора в «математической Мекке» — Гёттингене, где влиятельный логик и геометр Давид Гильберт занял место главного новатора в науке Клейна. В этом центре изучения всего, лежащего за пределами евклидовой геометрии, Минковский чувствовал себя на своем месте и использовал новейшие достижения математиков по максимуму.
