Второе осложнение заключалось в том, что нераспространяющийся свет – это не зависящая от времени световая волна. Как отличить один момент времени от другого, если все неподвижно? “Мы приходим к не зависящему от времени волновому полю, – написал Эйнштейн позднее одному из друзей. – Но представляется, что ничего подобного существовать не может!” [55] Он интуитивно чувствовал: здесь что‐то не так.
В течение многих лет эта проблема продолжала занимать Эйнштейна, и именно она послужила отправной точкой для одного из его величайших открытий. Впоследствии он скажет: “Это был первый детский мысленный эксперимент на пути к специальной теории относительности” [56].
8
Эйнштейн любил, чтобы у него в кабинете на стене висели портреты Исаака Ньютона, Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла. Они всю жизнь оставались его научными кумирами, первопроходцами, подсказывающими, каким курсом надо двигаться, чтобы достичь заветной цели.
Первым великим объединением, как называли это впоследствии физики, была работа Ньютона, который в конце XVII века показал, что сила притяжения одинакова и на небе, и на земле. Иначе говоря: яблоко падает на землю по той же причине, что и Луна не сходит с орбиты. Это утверждение далеко не очевидно. Ньютон установил единство двух миров, казавшихся абсолютно разными.
Второе великое объединение физики связано с работами двух других ученых, портреты которых висели в кабинете Эйнштейна. Сын кузнеца Майкл Фарадей родился в 1791 году. Фарадей показал, что движущийся магнит вызывает появление электрического тока. Точно так же переменный электрический ток производит магнетизм. Поднесите магнит к проволочной петле или проволочную петлю к магниту – в любом случае результатом будет электричество.
Фарадей был первым человеком, который с помощью магнита заставил двигаться железную стружку [57]. Он показал, что крошечные кусочки металла выстраиваются вдоль соединяющей полюса магнита изогнутой кривой. Фарадей предположил, что из магнита выходят похожие на усики “силовые линии”, образующие то, что он назвал “полем”. Магнетизм локализован не внутри магнита, а вокруг него – там, где есть силовые линии. Он доказывал, что именно эта странная невидимая “корона” – поле – обуславливает возбуждение электрического тока.
Фарадею было ясно, что электричество и магнетизм связаны не только на поверхностном, но и на более глубоком уровне. В своих работах он пытался объединить два этих явления, которые считали разными. Он даже предположил, что свет – это колебания силовых электромагнитных линий. К сожалению, из‐за отсутствия систематического образования математику Фарадей знал плохо, и обосновать свои догадки теоретически строго ему не удалось.
С этим справился Джеймс Клерк Максвелл, родившийся в Эдинбурге через сорок лет после Фарадея. Как и Фарадей, Максвелл приложил руку к большому числу научных проблем. Например, он сделал первую цветную фотографию, на которой был запечатлен бант из клетчатой ленты. В 1859 году, когда Максвеллу было двадцать восемь лет, он предложил объяснение для природы колец Сатурна – этот вопрос волновал ученых два столетия. Даже с помощью очень слабого телескопа можно увидеть, что в космическом масштабе кольца Сатурна очень тонкие. Было непонятно, как, будучи такими тонкими, кольца Сатурна остаются целыми: не ломаются и не падают на Солнце, или их обломки не уносит в открытый космос. Максвелл математически доказал, что гравитационные силы разорвали бы твердые кольца Сатурна на части. Он предположил, что кольца состоят из невероятно большого числа отдельных небольших частиц, которые наподобие гигантского табуна независимо вращаются вокруг Сатурна. Решение Максвелла было признано правильным и не подвергалось сомнению, а через сто с лишним лет фотографии, сделанные космическим зондом “Вояджер”, подтвердили это.
Наибольшую известность принесли Максвеллу полученные им уравнения электромагнетизма. Изучив работы Фарадея, он решил доказать его правоту и задался целью объяснить математически связь между электричеством и магнетизмом. Максвеллу это удалось: он вывел четыре уравнения, связывающие магнитные и электрические поля и токи. Сама эта работа была большим достижением, но гений Максвелла проявился еще в том, что он понял: объединенные вместе, эти уравнения составляют нечто новое. Из них следует, что между электрическим и магнитным полем существует обратная связь. Это значит, что изменение электрического поля приводит к изменению магнитного поля, что, в свою очередь, вызывает изменение электрического поля и так далее. Иначе говоря, характер связи этих полей предполагает, что они только разные проявления одного и того же, а именно – электромагнитного поля.
Основываясь на своих уравнениях, Максвелл показал, что электромагнитные поля могут осциллировать, образуя волны. Ему удалось вычислить скорость этих волн. К своему удивлению, он обнаружил, что электромагнитные волны распространяются со скоростью триста тысяч километров в секунду. Это было невероятное открытие, поскольку их скорость оказалась в точности равна скорости распространения света. Простым совпадением это быть не могло. Максвеллу ничего не оставалось, как предположить, что свет – это тоже электромагнитная волна. И, более того, он пришел к заключению, что свет составляет часть спектра таких волн. Точно так же как частота красного света меньше частоты синего, должны быть электромагнитные волны с частотами более высокими и более низкими, чем у света, – Максвелл предсказал существование радиоволн за двадцать с лишним лет до того, как впервые была продемонстрирована беспроволочная передача электрического сигнала.
Вывод Максвелла до сих пор звучит неправдоподобно: он показал, что в определенном смысле свет, электричество и магнетизм – одно и то же. Это было Второе великое объединение.
Эйнштейн, родившийся в год смерти Максвелла, считал себя продолжателем его традиций. В Берлине он как‐то сказал одному из студентов: “Максвеллу я обязан больше, чем кому‐либо другому” [58]. Последние тридцать лет жизни Эйнштейн посвятил безрезультатному поиску “единой теории поля”, которая объединила бы разрозненные и фрагментарные области физики в единое и гармоничное целое. Эта теория должна была завершить работу, начатую тремя великими людьми, чьи портреты висели на стене у Эйнштейна.
В то время, когда Эйнштейн размышлял о человеке, бегущем рядом со световым лучом, уравнениям Максвелла было уже тридцать лет. Очертания физики продолжали меняться. Это было хорошее время для тех, кого переполняли идеи.
9
Возвышающийся над городом цюрихский Политехникум расположен на склоне поросшего лесом холма Цюрихберг. Это вытянутое, внушительное официальное здание из камня бледно-песочного цвета стоит на широком бульваре Рамиштрассе