Рис. 2.6. Из чего состоит наш мир?

Наши современные технологии основаны на использовании физических объектов – электромагнитных волн, – которые не были открыты эмпирически: они были предсказаны Максвеллом путем поиска математического описания, соответствующего догадке Фарадея, возникшей из возни с катушками и иголками. Такова поразительная мощь теоретической физики.

Мир изменился: он больше не состоит только из частиц в пространстве, теперь это частицы и поля в пространстве (рис. 2.6). Может показаться, что это незначительное изменение, но несколько десятилетий спустя молодой человек еврейского происхождения, гражданин мира, сделает из этого выводы, которые пойдут намного дальше того, что могло нарисовать себе буйное воображение Майкла Фарадея, и которые до основания потрясут ньютоновский мир.

Физика XX столетия кардинально изменила ньютоновский образ мира. Новые открытия стали основой значительной части современных технологий. Более глубокое понимание мира основано на двух теориях: общей теории относительности и квантовой механике. Обе они потребовали смелой переоценки наших привычных представлений о мире: о пространстве и времени – в теории относительности, о материи и энергии – в квантовой теории.

Во второй части книги я довольно подробно описываю эти две теории, пытаясь прояснить их глубинный смысл и подчеркнуть ту концептуальную революцию, которую они произвели. Именно здесь берет начало волшебство физики XX столетия. Изучать эти теории и пытаться понять их до самой глубины – это поистине восхитительное приключение.

Эти две теории – относительность и кванты – заложили основу, на которой мы сегодня строим квантовую теорию гравитации. Они служат фундаментом, отталкиваясь от которого мы пытаемся двигаться вперед.

Отец Альберта Эйнштейна строил электростанции в Италии. Когда Альберт был ребенком, уравнениям Максвелла было всего несколько десятков лет от роду, но Италия уже входила в эпоху промышленной революции, и турбины с трансформаторами, которые строил отец Эйнштейна, основывались на этих уравнениях. Мощь новой физики была очевидна для всех.

Альберт был бунтарем. Родители оставили его в Германии для завершения школьного образования, однако он считал немецкую школьную систему слишком жесткой и военизированной; он не смог смириться со школьными порядками и бросил учебу. Вернувшись к родителям в Италию, в Павию, он проводил время в безделье. Затем он отправился учиться в Швейцарию, но не смог сразу поступить в Цюрихский политехникум, куда стремился. После университета он не смог получить исследовательскую позицию и, чтобы заработать на жизнь себе и своей гражданской жене, нанялся на работу в патентный офис в Берне.

Это было не самое завидное место для дипломированного физика, однако оно обеспечило Альберту время для размышлений и независимой работы. И он размышлял и работал. В конце концов, именно этим он занимался с самой ранней юности: вместо того чтобы учиться в школе, он читал «Начала» Евклида и «Критику чистого разума» Канта. Ведь невозможно попасть в новые места, следуя проложенным трассам.

В возрасте 25 лет Эйнштейн отправляет в Annalen der Physik три статьи. Каждая из них была как минимум достойна Нобелевской премии и даже большего. И каждая стала опорой для нашего понимания мира. Я уже рассказывал о первой из этих статей, в которой молодой Альберт вычислил размеры атомов и доказал спустя 23 столетия, что идеи Демокрита были верны – материя зерниста.

Вторая статья принесла Эйнштейну наибольшую славу – именно в ней он представил свою теорию относительности. Именно теории относительности и посвящена эта глава.

На самом деле существует две теории относительности. Конверт, отправленный в редакцию двадцатипятилетним Эйнштейном, содержал изложение первой из них – теории, которую сегодня мы называем специальной теорией относительности. Она дает важное уточнение структуры пространства и времени, которое я проиллюстрирую здесь, прежде чем переходить к другой, более важной, теории Эйнштейна – общей теории относительности.

Специальная теория относительности – это тонкая и концептуально сложная теория. Ее труднее усвоить, чем общую теорию относительности. Читателю не следует пугаться, если следующие несколько страниц покажутся ему не очень простыми для понимания. Эта теория впервые показывает, что в ньютоновской картине мира не просто чего-то не хватает, но она должна быть радикально изменена, причем таким образом, что станет полностью противоречить здравому смыслу. Это первый реальный шаг к пересмотру наших самых глубоких интуитивных представлений о мире.

Теории Ньютона и Максвелла противоречат друг другу в одном тонком моменте. Из уравнений Максвелла выводится величина скорости – скорости света. Однако ньютоновская механика несовместима с существованием фундаментальной скорости, поскольку в уравнения Ньютона входит ускорение, а не скорость. В ньютоновской физике скорость может быть только скоростью чего-то относительно чего-то другого. Галилей подчеркивал тот факт, что Земля движется относительно Солнца, даже если мы не воспринимаем это движение, поскольку то, что мы обычно называем скоростью, – это скорость относительно Земли. Именно это мы имеем в виду, говоря, что скорость – это относительная величина, то есть скорость объекта самого по себе не имеет смысла, единственная скорость, которая существует, – это скорость одного объекта относительно другого. Это то, что изучали студенты-физики в XIX веке, и то, что они изучают сегодня. Но если это так, то относительно чего определена скорость света, выводимая из уравнений Максвелла?

Одна из возможностей разрешения этого спорного вопроса состоит в том, что существует некая универсальная среда, по отношению к которой свет и движется со своей скоростью. Однако положения теории Максвелла выглядят независимыми от этой среды. Все экспериментальные попытки измерить скорость Земли по отношению к этой гипотетической среде, предпринимавшиеся в конце XIX века, закончились неудачей.

Эйнштейн утверждал, что на верный путь его навели не эксперименты, а только видимые противоречия между уравнениями Максвелла и механикой Ньютона. Он задался вопросом: можно ли каким-то образом совместить ключевые открытия Ньютона и Галилея с теорией Максвелла?

Занимаясь этим, Эйнштейн пришел к удивительному открытию. Чтобы понять его, подумайте обо всех прошлых, настоящих и будущих событиях (по отношению к тому моменту, когда вы читаете этот текст) и представьте их изображенными как на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Пространство и время до Эйнштейна