Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная Айзексон Уолтер
Озеро Комо, май 1901 года
“Ты непременно должна приехать ко мне на Комо, маленькая ведьмочка, – писал он Марич в конце апреля 1901 года, – и ты увидишь сама, каким веселым и бодрым я стал и уже не хмурю брови”.
Семейные разборки и неудачи в поисках работы сделали его раздражительным, но он пообещал, что теперь все останется в прошлом. Он извинялся: “Все мои придирки к тебе – из-за нервозности”. Чтобы загладить вину, он предложил совершить совместную романтическую приятную поездку в одно из самых романтических и приятных мест в мире – на озеро Комо, огромное, вытянутое в длину озеро, альпийскую жемчужину. В начале мая на берегах озера, расположенного высоко в горах на границе Италии и Швейцарии, деревья покрываются пышной листвой и замечательно смотрятся на фоне величественных заснеженных вершин. “Привези с собой мой синий халат, мы сможем в него завернуться, – писал он, – я обещаю тебе пикник, подобного которому ты никогда не видела”[168].
Марич сразу согласилась, но потом передумала, поскольку получила письмо от своей семьи из Нови-Сада, “которое отняло у меня все желание не только развлекаться, но и вообще жить”. Он должен ехать один, писала она в расстройстве. “Кажется, мне ничего не дается без того, чтобы за этим не последовала расплата”. Но потом все-таки поменяла решение. “Вчера я писала тебе маленькую открытку, будучи в отвратительном настроении из-за полученного письма. Но, когда сегодня я прочитала твое письмо, я немного взбодрилась, потому что вижу, как сильно ты меня любишь, и решила, что несмотря ни на что мы поедем в это путешествие”[169].
Так и случилось: 5 мая 1901 года ранним утром в воскресенье Альберт Эйнштейн ждал Милеву Марич на железнодорожной станции в итальянской деревне Комо “с распростертыми объятиями и бьющимся сердцем”. Они провели там день, любуясь готическим собором и старым городом за стенами, а затем сели на один из великолепных белых пароходов, неторопливо обходивших деревушки, рассыпанные по берегам озера.
Они остановились, чтобы посетить виллу “Карлотта” – самый роскошный из всех особняков, которыми усыпано побережье озера, – с ее украшенными фресками потолками, копией эротической скульптуры Антонио Кановы “Купидон и Психея” и 500 видами растений. Марич позже написала подруге, как она восхищалась “изумительным садом, который я сохранила в своем сердце, тем более что нам не разрешили сорвать ни одного цветка”.
После ночи в гостинице они решили сходить в горы и дойти до Швейцарии, но обнаружили, что в горах толщина снежного покрова местами достигает шести метров. Тогда они наняли небольшие сани – “которыми обычно пользуются влюбленные друг в друга люди, в них достаточно места для двоих, а кучер стоит сзади на маленькой скамейке, бормочет все время и называет тебя сеньорой, – писала Марич, – можешь ли ты представить себе что-нибудь более прекрасное?”
Везде, куда ни бросишь взгляд, весело падает снег, “и от этой холодной белой бесконечности меня бросало в дрожь, и под пальто и шалями я крепко держала возлюбленного в своих объятиях”. На пути вниз они потопали и попинали снег, стараясь спустить маленькие лавины и “таким образом немножко попугать людей внизу”[170].
Через несколько дней Эйнштейн вспоминал: “Как прекрасно было в последний раз, когда ты позволила мне прижать к себе мою дорогую малютку самым естественным образом”[171]. И этим самым естественным образом Милева Марич зачала ребенка от Альберта Эйнштейна.
После возвращения в Винтертур, где он замещал постоянного учителя, Эйнштейн написал Марич письмо, в котором есть упоминание о ее беременности. Странно – или, возможно, совсем и не странно, – но начал он с вопросов не личных, а научных.
“Я только что прочитал замечательную статью Ленарда по испусканию катодных лучей под действием ультрафиолетового света, – написал он в начале письма, – под впечатлением от такой замечательной статьи я весь переполнился радостью и счастьем и должен поделиться ими с тобой”. Вскоре Эйнштейн, опираясь на результаты работы Ленарда, произведет революцию в науке, построив теорию световых квантов для объяснения фотоэлектрического эффекта. И тем не менее странно или по крайней мере удивительно, что, восторженно говоря о желании поделиться “радостью и счастьем” с только что забеременевшей возлюбленной, он описывает статью об испускании пучков электронов.
Только после излияния этого научного восторга он кратко упоминает об их ожидаемом ребенке, которого он называет мальчиком: “Как ты, дорогая? Как мальчик?”
Дальше идет специфическое высказывание о том, как он представляет себе их будущее, когда они станут родителями: “Можешь ли ты вообразить, как приятно будет, когда мы опять сможем работать, абсолютно никто нас не потревожит и никто не будет указывать нам, что делать!”
Больше всего он пытался быть убедительным. Он обещал, что найдет работу, даже если для этого потребуется заниматься страхованием. Они вместе создадут удобный дом. “Будь счастлива и не волнуйся, дорогая. Я не брошу тебя и приведу все к счастливому завершению. Ты только наберись терпения! Ты увидишь, что мои руки достаточно надежны, чтобы в них можно было чувствовать себя спокойно, хотя ситуация и не очень легкая”[172].
Марич готовилась к пересдаче выпускных экзаменов, надеялась продолжить занятия в докторантуре и стать физиком. И она, и ее родители в течение многих лет прикладывали огромные усилия, как финансовые, так и эмоциональные, чтобы достичь этой цели. Она могла бы, если бы захотела, прервать беременность. Цюрих становился в то время центром контроля за рождаемостью, в частности, там базировалась фирма, пересылающая по почте препараты, вызывающие выкидыш.
Однако она решила, что хочет иметь ребенка от Эйнштейна – даже несмотря на то, что он еще не выражал желания жениться на ней. Рождение ребенка вне брака тогда было вызовом, учитывая их воспитание, но не было редкостью. Официальная статистика свидетельствовала, что в Цюрихе в 1901 году 12 % детей рождались вне брака. Еще вероятнее незамужней женщине было забеременеть в Австро-Венгрии. На юге Венгрии 33 % детей рождались вне брака. У сербов был самый высокий процент незаконнорожденных детей, а у евреев намного меньший[173].
Это решение Марич заставило Эйнштейна всерьез задуматься о будущем. “Я буду искать работу немедленно, какой бы унизительной она ни была, – говорил он ей, – мои цели в науке и мое личное самолюбие не помешают мне согласиться даже на самое непрестижное место”. Он решил позвонить отцу Бессо и директору местной страховой компании и обещал жениться на ней, как только получит место. “И тогда никто не сможет бросить камень в твою дорогую маленькую головку”.
Беременность могла бы разрешить проблемы (по крайней мере, он надеялся на это), возникшие у них с обеими семьями. “Когда твои и мои родители будут поставлены перед свершившимся фактом, им придется, хотят они того или нет, принять его”[174].
Марич, вынужденная лежать в постели из-за токсикоза, страшно взволновалась. “И ты, мой дорогой, хочешь немедленно найти работу? И чтобы я переехала к тебе?” Это предложение им не было явно высказано, но она немедленно заявила, что “рада” его принять. “Дорогой мой, конечно, это не значит, что нужно соглашаться на действительно плохое место, – добавила она, – иначе я буду чувствовать себя отвратительно”. По совету сестры она попыталась убедить Эйнштейна приехать к ее родителям в Сербию на летние каникулы. “Это бы сделало меня такой счастливой, – уговаривала она, – и, когда мои родители увидели бы нас обоих перед собой, их сомнения улетучились бы”[175].
Но Эйнштейн, к ее ужасу, решил опять провести летние каникулы с матерью и сестрой в Альпах. И в результате в конце лета 1901 года его не оказалось рядом, и он не помог и не поддержал ее при пересдаче экзаменов. Возможно, из-за беременности и сложной ситуации, в которой она оказалась, Милева и во второй раз не смогла сдать экзамены, получив 4 балла из 6, и вторично оказалась единственной из группы, не сумевшей получить диплом.
Таким образом, Милеве Марич пришлось отказаться от своей мечты стать ученым. Она приехала домой в Сербию одна и рассказала родителям о крахе своей академической карьеры и о беременности. Перед отъездом она попросила Эйнштейна написать письмо ее отцу об их планах и, вероятно, попросить разрешения жениться на ней.
“Не пришлешь ли ты мне это письмо, чтобы я увидела, что ты написал, – просила она, – мало-помалу я буду выдавать ему необходимую информацию, включая неприятные новости”[176].
Диспуты с Друде и другими учеными
Самоуверенность Эйнштейна и его презрение к условностям – качества, которые в нем поддерживала и Марич, – в полной мере в 1901 году проявились как в его научной деятельности, так и в личной жизни. Он – безработный энтузиаст – в том году вступил в серию конфликтов с академическими авторитетами.
Тон перепалки показывает, что Эйнштейн не испытывал никакого страха, задирая научных гуру. Напротив, это, казалось, его веселило. В разгар споров, которые он затеял в том году, он заявил Йосту Винтелеру, что “слепое преклонение перед авторитетами – главный враг истины”. Это могло бы стать прекрасным кредо, и его стоило бы выгравировать на гербе Эйнштейна, если бы он захотел его завести.
Содержание его споров того года обнаруживает еще более глубокую особенность его научного мышления: у него было горячее желание, а по существу – навязчивая идея объединять концепции, существующие в различных областях физики. Когда он приступил той весной к попытке связать свою работу по капиллярному эффекту с теорией газов Больцмана, он написал своему другу Гроссману: “Это упоительное ощущение, когда находишь общность в ряду явлений, которые сначала казались совершенно несвязанными”. Эта фраза больше любых других раскрывает веру, лежащую в основе научного предназначения Эйнштейна, которая, как стрелка его детского компаса, уверенно вела его на протяжении всего научного пути, начиная с его первой работы и заканчивая последним, начертанным на смертном одре уравнением поля[177].
Среди потенциально объединительных концепций, которые притягивали Эйнштейна и многих других физиков, были те, которые вышли из кинетической теории, получившей развитие в конце XIX века, когда принципы механики были применены к явлениям типа переноса тепла и к описанию поведения газов. К примеру, газ рассматривался как ансамбль огромного числа маленьких частиц (в данном случае молекул, состоящих из одного или более атомов), которые свободно блуждают, иногда сталкиваясь друг с другом.
Кинетическая теория подстегнула развитие статистической механики, которая описывает поведение большого количества частиц с помощью статистических методов. Естественно, невозможно проследить путь каждой молекулы и зарегистрировать каждое столкновение в газе, но с помощью статистики оказалось возможным получить работающую теорию, объясняющую поведение миллиардов молекул в разных условиях.
Ученые расширили применение этих концепций и стали использовать их не только для объяснения поведения газов, но также и для явлений, происходящих в жидкостях и твердых телах, в том числе для объяснения электропроводности и излучения. “Появилась возможность применить методы кинетической теории газов к совершенно другим областям физики, – написал позднее близкий друг Эйнштейна Пауль Эренфест, сам являвшийся специалистом в этой области, – помимо всего прочего, теория была применена к движению электронов в металлах, к броуновскому движению микроскопических частиц во взвесях и к теории излучения черного тела”[178].
Многие ученые использовали концепцию атомов при исследованиях в своих узких областях, а для Эйнштейна это был способ найти связи и развить теории, объединяющие многие области. В апреле 1901 года, например, он видоизменил молекулярную теорию, использованную им для объяснения капиллярного эффекта в жидкостях, и применил ее для описания диффузии молекул газа. Он написал Марич: “Мне пришла в голову очень удачная идея, которая позволяет применить нашу теорию молекулярных сил также и к газам”. А с Гроссманом он поделился: “Я теперь убежден, что моя теория о силах притяжения между атомами может быть применена и к газам”[179].
Затем он заинтересовался электропроводностью и теплопроводностью, и это побудило его изучить электронную теорию металлов Пауля Друде. Как отмечает специалист по творчеству Эйнштейна Юрген Ренн, “электронная теория Друде и кинетическая теория газов Больцмана были не какими-то случайными объектами интереса для Эйнштейна, наоборот, с некоторыми другими темами более ранних его исследований их объединяла важная общая черта: обе были примерами применения атомистических идей к физическим и химическим проблемам”[180].
В электронной теории Друде утверждалось, что в металле есть частицы, которые движутся так же свободно, как молекулы в газе, и, следовательно, могут являться переносчиками тепла и электричества. Когда Эйнштейн изучил теорию, она ему понравилась, хотя и не во всем. “У меня перед глазами работа Пауля Друде по электронной теории, которая просто легла мне на душу, хотя там и содержатся некоторые очень мутные вещи”, – написал он Марич. И через месяц с присущим ему отсутствием пиетета по отношению к авторитетам добавил: “Возможно, я напишу Друде письмо и укажу на его ошибки”.
Так он и сделал. В июньском письме к Друде Эйнштейн сообщил, что, как ему кажется, в статье имеется две ошибки. “Вряд ли у него есть какие-нибудь осмысленные возражения, – злорадно писал он в письме к Марич, – ведь мои замечания очень логичны”. И возможно, считая, что лучший способ получить работу – указать именитому ученому на его предполагаемые упущения, Эйнштейн включил в одно из своих писем просьбу взять его на работу[181].
Удивительно, что Друде вообще ответил. И неудивительно, что он отмел возражения Эйнштейна. Эйнштейн был возмущен. “Это настолько очевидное доказательство убожества автора, что дальнейших комментариев от меня и не требуется, – приписал Эйнштейн, пересылая письмо Друде Марич. – Отныне я к таким людям не буду обращаться лично, а буду безжалостно атаковать их в журналах, как они этого и заслуживают. Неудивительно, что мало-помалу становишься мизантропом”.
Кроме того, Эйнштейн выплеснул свое раздражение в отношении Друде и в письме Йосту Винтелеру, по-отечески к нему относившемуся в Арау. В этом письме содержалась декларация о том, что слепое уважение к авторитетам является самым большим врагом истины. “Он [Друде] отреагировал ссылкой на то, что еще один «непогрешимый» его коллега разделяет его точку зрения. Вскоре я поставлю на место этого человека с помощью безупречной публикации”[182].
В опубликованных статьях Эйнштейн не раскрывает имя этого “непогрешимого” коллеги, на которого ссылался Друде, но расследование Ренна привело к находке письма от Марич, в котором его имя называется – Людвиг Больцман[183]. Это объясняет, почему Эйнштейн углубился в изучение трудов Больцмана. “Я с головой ушел в изучение работ Больцмана по кинетической теории газов, – написал он Гроссману в сентябре, – а за последние несколько дней и сам написал короткую статью, где вставил недостающие звенья в цепь доказательств, которую он выстроил”[184].
Больцман, тогда работавший в Лейпцигском университете, был признанным европейским мэтром в статистической физике. Он был одним из создателей кинетической теории и доказывал, что атомы и молекулы реально существуют. Работая над этими вопросами, он счел необходимым переосмыслить великий Второй закон термодинамики, для которого существует много эквивалентных формулировок. Он гласит: тепло обычно перетекает от горячего к холодному, но не наоборот. В другой его формулировке используется понятие энтропии – степени беспорядка и случайности распределения элементов в системе. В этой формулировке этот закон гласит: любой спонтанный процесс увеличивает энтропию системы. Например, молекулы духов диффундируют из открытого флакона наружу, в комнату, и никогда (по крайней мере, об этом говорит наш повседневный опыт) спонтанно не собираются вместе и не влетают обратно во флакон.
Слабость больцмановской теории состояла в том, что он рассматривал столкновения молекул как механические ньютоновские процессы, а такие процессы все обратимы. При таком подходе спонтанное уменьшение энтропии, по крайней мере в теории, должно быть возможно. И оппоненты Больцмана, например Вильгельм Оствальд, не веривший в реальность атомов и молекул, использовали против него убийственный аргумент об абсурдности предположений о том, что вылетевшие из флакона молекулы могут спонтанно опять собраться во флаконе или что тепло может перетекать от холодного тела к горячему. “Предположение о том, что все естественные процессы могут быть в конечном счете сведены к механическим, нельзя использовать даже в качестве рабочей гипотезы, это просто ошибка, – писал Оствальд, – необратимость процессов в природе как раз доказывает то, что процессы не могут быть описаны уравнениями механики”.
Больцман отреагировал тем, что пересмотрел Второй закон, так что он в его формулировке стал не абсолютным, а статистическим (то есть необратимость лишь почти исключена). Теоретически возможно, чтобы миллионы молекул духов, случайно блуждающие в пространстве, смогли в определенный момент собраться опять во флаконе, но это очень маловероятно, примерно в триллионы раз менее вероятно, чем если бы новую колоду карт 100 раз перемешали, и после этого все карты в ней и по масти, и по достоинству легли бы в точности так же, как в начале[185].
Когда в сентябре 1901 года Эйнштейн довольно нескромно объявил, что нашел недостающее “звено” в больцмановской цепи доказательств, он собирался вскоре опубликовать эти результаты. Но сначала он послал в Annalen der Physik статью[186], которая включала в себя электрический метод измерения молекулярных сил, включавший расчеты, полученные на основании данных чужих экспериментов, в которых использовался электрод, опущенный в солевой раствор[187].
И уже после этого он опубликовал свою статью[188] с критикой больцмановских теорий. Он заметил, что они хорошо объясняли перенос тепла в газах, но их нельзя было распространять на другие области. “Как ни велики достижения кинетической теории теплоты в области физики газов, – писал он, – но теория эта до сих пор не имеет под собой удовлетворительной механической основы”. Он поставил себе цель “заполнить этот пробел”[189].
Это было достаточно самонадеянное заявление для не особенно выдающегося студента Политехникума, который не смог еще ни защитить диссертацию, ни устроиться на работу. Сам Эйнштейн позже признавал, что эти статьи мало что добавили в копилку физической мудрости. Но они отражали сущность его разногласий с Друде и Больцманом, возникших в 1901 году. Он чувствовал, что их теории не отвечают максиме, которую он сформулировал Гроссману ранее в этом году: самое интересное – обнаружить скрытое единство в совокупности явлений, которые кажутся совершенно не связанными между собой.
Тем временем в ноябре 1901 году Эйнштейн предпринял попытку подать докторскую диссертационную работу профессору Альфреду Кляйнеру в университет Цюриха. Текст диссертации не сохранился, но Марич писала подруге, что “в ней речь шла об исследовании молекулярных сил в газах с использованием разных известных явлений”. Эйнштейн был уверен в успехе и сказал о Кляйнере: “Он не посмеет отклонить мою диссертацию. В противном случае этот близорукий человек мне мало интересен”[190].
К декабрю Кляйнер даже не ответил, и Эйнштейн стал предполагать, что, возможно, ему неудобно принять диссертационную работу, дезавуирующую результаты таких мэтров, как Друде и Больцман, поскольку должность профессора делает его уязвимым. Эйнштейн сказал: “Если он осмелится отвергнуть мою диссертацию, тогда я опубликую его отказ вместе со своей работой и выставлю его дураком. А если он примет ее, увидим, что умного сможет сказать старый добрый герр Друде”.
Чтобы поставить все точки над “i”, он решил увидеться с Кляйнером лично. Удивительно, но встреча прошла спокойно. Кляйнер признался, что он еще не читал диссертацию, и Эйнштейн сказал, что подождет. Затем они стали обсуждать разные идеи, над которыми работал Эйнштейн и часть из которых в конечном итоге войдут в его теорию относительности. Кляйнер пообещал Эйнштейну, что тот может рассчитывать на него, и, когда появится следующая оказия в виде места преподавателя, он напишет рекомендательное письмо. “Он не так глуп, как я думал, – вынес свой вердикт Эйнштейн, – более того, он хороший парень”[191].
Кляйнер, может, и был хорошим парнем, но когда он наконец нашел время и прочитал диссертацию Эйнштейна, она ему не понравилась. Особенно его задели нападки Эйнштейна на научные авторитеты. И он отклонил ее. А точнее, он предложил Эйнштейну отозвать ее добровольно и тем самым сэкономил ему его взнос – 230 франков. В книге, написанной мужем его приемной дочери, утверждается, что Кляйнер поступил так “из уважения к своему коллеге Людвигу Больцману, чью систему рассуждений Эйнштейн жестко критиковал”. Эйнштейн, чуждый такой деликатности, по совету друга направил огонь критики непосредственно на Больцмана[192].
Лизерль
В какой-то момент Марсель Гроссман написал Эйнштейну, что, похоже, он сможет получить место в патентном бюро, хотя вакансия тогда еще не открылась. И через пять месяцев Эйнштейн мягко напомнил Гроссману, что ему все еще нужна помощь. Прочитав в газете, что Гроссман получил по конкурсу место учителя старшей школы, Эйнштейн в письме к нему выразил “огромную радость” по этому поводу, а после этого печально добавил: “Я тоже подавал на этот конкурс, но только для того, чтобы мне не укорять себя за то, что не хватило смелости подать”[193].
Осенью 1901 года Эйнштейн согласился на еще более скромное место учителя в маленькой частной академии в Шаффхаузене – деревеньке на Рейне в 32 километрах к северу от Цюриха. Его обязанности состояли исключительно в том, чтобы обучать богатого английского школьника. Со временем за возможность обучаться у Эйнштейна можно будет назначать любую плату. Но тогда владелец школы Якоб Нюэш неплохо нажился на его уроках. С семьи мальчика он брал 4 тысяч франков в год, из которых Эйнштейну оплачивалась квартира, питание и жалованье 150 франков в месяц.
Эйнштейн продолжал уверять Марич, что она “получит хорошего мужа, как только это станет возможным”, но в это время больше всего был озабочен получением работы в патентном бюро.
“Вакансия в Берне все еще не объявлена, и я постепенно теряю надежду на получение этого места”[194].
Марич охотно была бы рядом с ним в это время, но из-за ее беременности они не могли появляться вместе на людях. И поэтому она провела большую часть ноября в маленьком отеле в соседней деревушке. Их отношения становились напряженными. Несмотря на ее мольбы, Эйнштейн приезжал к ней довольно редко, обычно объясняя это нехваткой денег. Получив очередное уведомление, отменявшее его визит, она делала вид, что не поверила этому: “Ты, конечно, хочешь сделать мне сюрприз, не так ли?” Просительный и сердитый тон чередовались, часто в одном и том же письме:
“Если бы ты знал, как я скучаю по дому, то наверняка бы приехал. У тебя действительно нет денег? Это мило! Мужчина зарабатывает 150 франков в месяц, у него бесплатное жилье и питание, а в конце месяца у него на счету нет ни цента! Пожалуйста, не используй эту отговорку в воскресенье. Если к этому времени у тебя не останется денег, я пошлю тебе немного… Если бы только знал, как сильно я хочу тебя снова увидеть! Я думаю о тебе весь день, а еще больше – ночью”[195].
Типичное для Эйнштейна неуважительное отношение к начальству вскоре привело к его столкновениям с владельцем академии. Он попытался уговорить своего ученика переехать с ним в Берн и платить ему напрямую, но мать мальчика отказалась. Тогда Эйнштейн попросил Нюэша платить ему за питание наличными, чтобы он мог питаться не вместе с семьей Нюэша, а отдельно.
“Вы знаете наши условия, – ответил Нюэш, – нет оснований их менять”.
Естественно, Эйнштейн начал угрожать, что найдет другое место, и Нюэш в ярости уступил. Эйнштейн описал сцену Марич и сформулировал еще одну максиму своей жизни, ликующе добавив: “Да здравствует наглость! Это мой ангел-хранитель в этом мире”.
И тем же вечером, когда он в последний раз сидел за столом с семьей Нюэша, рядом со своей тарелкой он нашел письмо, адресованное ему. Оно было от его реального ангела-хранителя – Марселя Гроссмана. Гроссман писал, что вакансия эксперта в патентном бюро вот-вот откроется, и Эйнштейн, без сомнения, получит это место. Эйнштейн написал Марич экзальтированное письмо, что их жизни вскоре “чудесным образом изменятся к лучшему”. Он продолжил: “У меня голова идет кругом от радости, когда я думаю об этом. Я радуюсь даже больше за тебя, чем за себя. Вместе мы наверняка будем самыми счастливыми людьми на земле”.
Оставался еще вопрос о том, что делать с их ребенком, который должен был родиться меньше чем через два месяца – в первых числах февраля 1902 года. “Единственная проблема, которую остается решить, – это как сделать так, чтобы наша Лизерль смогла жить с нами, – писал Эйнштейн Марич, которая вернулась к своим родителям в Нови-Сад (теперь он стал считать еще не рожденного ребенка девочкой), – мне бы не хотелось отказаться от нее”. Это было благородное предложение с его стороны, ведь он знал, что ему будет трудно явиться на работу в Берн, имея незаконнорожденного ребенка. “Спроси своего отца, он опытный человек и знает жизнь лучше, чем твой непрактичный изможденный Джонни”. В качестве помощи он предложил совет – “не поить ребенка, когда тот родится, коровьим молоком, а то девочка вырастет глупой”. Материнское молоко, сказал он, будет полезнее[196].
Эйнштейн был готов посоветоваться с семьей Марич, но не собирался говорить собственной семье о том, что худшие опасения его матери – беременность и возможная женитьба – реализовываются. Его сестра, похоже, догадалась, что они с Марич втайне от всех планируют пожениться, и сказала об этом членам семейства Винтелеров в Арау. Но никто из них не высказал подозрения, что здесь замешан ребенок. Мать Эйнштейна узнала о предполагаемой помолвке от госпожи Винтелер. Паулина Эйнштейн ответила: “Мы решительно против связи Альберта с фрейлейн Марич, и мы никогда не захотим иметь с ней ничего общего”[197].
Мать Эйнштейна предприняла даже некий экстраординарный шаг – написала оскорбительное письмо родителям Марич, которое подписал и ее муж. “Эта дама, – жаловалась Марич подруге на мать Эйнштейна, – как будто поставила целью своей жизни как можно больше отравить не только мою жизнь, но и жизнь своего сына. Я не могла и подумать, что бывают такие бессердечные и злые люди! Они не чувствовали угрызений совести, когда написали письмо моим родителям, в котором поносили меня так, что это выглядело безобразно”[198].
Наконец, в конце декабря 1901 года появилось объявление о вакансии эксперта патентного бюро. Директор, Фридрих Галлер, очевидно, составил требования так, чтобы Эйнштейн смог получить это место. Кандидатам не требовалась докторская степень, но они должны были разбираться в технике и знать физику. Эйнштейн сказал Марич: “Галлер написал это объявление под меня”.
Галлер написал Эйнштейну дружеское письмо, дав понять, что он основной кандидат, а Гроссман позвонил и поздравил его. “Уже больше нет сомнений, – торжествовал Эйнштейн в письме к Марич, – вот посмотришь, вскоре ты станешь моей счастливой маленькой женой. Теперь наши несчастья закончились. Только теперь, когда этот ужасный груз упал с моих плеч, я понимаю, как сильно я тебя люблю… Скоро я смогу обнять свою Долли и назвать ее своей перед всем миром”[199].
Однако он взял с нее обещание, что они не превратятся после брака в сытую буржуазную пару: “Мы вместе будем неустанно заниматься наукой, так что мы не станем старыми мещанами, правда?” Даже его сестра, он почувствовал, становится “довольно пошлой” в своем стремлении к комфортной жизни. “Ты лучше не становись на этот путь, – писал он Марич, – это было бы ужасно. Ты должна быть всегда моей ведьмочкой и уличным мальчишкой. Все, кроме тебя, кажутся мне чужаками, они как будто отгорожены от меня невидимой стеной”.
В ожидании места в патентном бюро Эйнштейн отказался от занятий с учеником, которого обучал в Шаффхаузене, и в конце января 1902 года переехал в Берн. Он навсегда сохранит благодарность Гроссману, который и в последующие несколько лет будет разными способами помогать ему. “Гроссман пишет свою диссертацию на тему, связанную с неевклидовой геометрией, – писал Эйнштейн Марич. – Я не понимаю в точности, что это”[200]. Через несколько дней после того, как Эйнштейн приехал в Берн, Милева Марич, остававшаяся в доме своих родителей в Нови-Саде, родила ребенка – девочку, которую назвали Лизерль. Роды были тяжелыми, и следующие несколько дней Марич не могла писать письма. Новости Эйнштейну сообщил отец Милевы. “Здорова ли она, кричит ли так, как должна, – написал он Марич, – какие у нее глазки? На кого из нас она похожа? Кто ее кормит молоком? Она не голодает? У нее совершенно не должно быть волос. Я ее уже так люблю, но даже не знаю ее совсем!” Однако было похоже, что его любовь к новорожденной дочери существует в основном в теории, поскольку ее оказалось недостаточно, чтобы сесть в поезд и приехать в Нови-Сад[201].
Эйнштейн о рождении Лизерль не сказал ни матери, ни сестре, ни друзьям. Нет свидетельств того, что он вообще когда-либо говорил им об этом. Ни разу он публично не сказал о ней и не признал ее существования. И в его переписке, кроме нескольких писем, которыми обменялись Марич и Эйнштейн, нет упоминания о ее существовании. А эти письма были спрятаны от публики вплоть до 1986 года, и исследователи и издатели его работ очень удивились, узнав о существовании Лизерль[202].
Но и в этом письме к Марич, написанном сразу после рождения Лизерль, проявилась ироничная натура Эйнштейна: “Она [Лизерль] уже точно умеет плакать как надо, но еще долго не узнает, как надо улыбаться, – в этом глубокая истина”.
Отцовство побудило его сосредоточиться на поисках временного заработка, пока он ждал места в патентном бюро. И на следующий день в газете появилось объявление: “Частные уроки математики и физики… самым добросовестным образом проводятся Альбертом Эйнштейном, обладателем федерального диплома преподавателя, выданного Политехникумом… Пробные уроки бесплатно”.
Из-за рождения Лизерль у Эйнштейна даже проявилось желание свить домашнее гнездо. Он нашел в Берне большую комнату и нарисовал для Марич ее план, на котором была изображена кровать, шесть стульев, три шкафа, он сам (Джонни) и кушетка с надписью “Взгляни на нее!”[203] Однако Марич не собиралась переезжать туда вместе с ним. Они не были женаты, и государственный служащий в Швейцарии, рассчитывающий сделать карьеру, не мог открыто сожительствовать с женщиной в этой ситуации. Вместо этого через несколько месяцев Марич вернулась в Цюрих, ожидая, когда он получит место и, как обещал, женится на ней. Лизерль она с собой не взяла.
Эйнштейн и его дочь, вероятно, никогда так и не увидели друг друга. Она заслужила, насколько нам известно, только одно краткое упоминание в сохранившейся их с Марич переписке менее чем через два года, в сентябре 1903-го, и больше ее имя нигде не встречается. А пока ее оставили в Нови-Саде с родственниками или друзьями ее матери, так что Эйнштейн мог тем временем вести не обремененную семейными заботами жизнь и пытаться приобрести буржуазную респектабельность, необходимую для швейцарского чиновника.
Есть зашифрованный намек на то, что женщиной, которая взяла на себя опеку над Лизерль, могла быть близкая подруга Марич – Элен Кауфлер-Савич, с которой она подружилась в 1899 году, когда они жили в одном пансионе в Цюрихе. Савич происходила из венской еврейской семьи, а в 1900 году вышла замуж за инженера из Сербии. Во время беременности Марич написала ей письмо, в котором излила все свои горести, но, не отправив его, порвала. За два месяца до рождения Лизерль она сказала Эйнштейну, что рада, что сделала это: “Думаю, что мы пока не должны говорить что-то о Лизерль”. Марич добавила, что Эйнштейн должен время от времени писать Савич и посылать ей несколько приветливых слов: “Мы теперь должны вести себя с ней очень мило. Она, в конце концов, должна будет помочь нам в очень важном деле”[204].
Патентное бюро
Пока Эйнштейн ждал, что ему предложат место в патентном бюро, он познакомился с работавшим там сотрудником. Тот пожаловался, что работа скучная, и сказал, что позиция, которую собирался занять Эйнштейн, самого “низкого ранга”, во всяком случае, он не должен беспокоиться о том, что кто-то еще будет претендовать на нее.
Эйнштейна это отнюдь не расстроило. Он сказал Марич: “Некоторым людям все кажется скучным”. Что касается того, унизительно ли занять должность низшего ранга, Эйнштейн написал, что они должны как раз испытывать противоположные чувства:
“Нам должно быть наплевать на то, что мы не вращаемся в высших кругах”[205].
Наконец 16 июня 1902 года Эйнштейн получил долгожданное место. На сессии Швейцарского совета он был официально утвержден “в качестве временного технического эксперта третьего класса Федерального бюро по интеллектуальной собственности с годовым жалованьем 3500 франков”, которое в действительности было больше жалованья младшего профессора[206].
Его офис находился в новом здании почтамта и телеграфа Берна рядом с всемирно известной башней с часами над старыми городскими воротами (см. фотографию перед гл. 6). Эйнштейн, отправляясь из дома на работу, поворачивал налево и каждый день проходил мимо нее. Часы были сделаны почти сразу после того, как в 1191 году был основан город, а в 1530 году к ним была добавлена хитроумная вращающаяся карта неба с изображением звезд и планет. Каждый час в часах разыгрывается представление: выскакивает приплясывающий шут и звенит колокольчиками, потом происходит парад медведей, поет петух, выходит вооруженный рыцарь, после чего появляется Хронос со скипетром и песочными часами.
Часы являлись официальными контрольными для близлежащей железнодорожной станции, по ним отправлялись поезда и выставлялись все другие часы, расположенные на платформах станции. Поезда, прибывавшие из других городов, где местное время не всегда было синхронизовано, проносясь через город, тоже выставляли свои собственные часы по часам бернской Часовой башни[207].
И так получилось, что Альберт Эйнштейн провел семь самых активных в творческом отношении лет своей жизни (даже после того, как написал статьи, перевернувшие представления о физике), приходя на работу к восьми утра и изучая патентные заявки, и так шесть дней в неделю. “Я ужасно занят, – писал он другу через несколько месяцев, – каждый день я провожу восемь часов в офисе и один час трачу на частные уроки, и кроме того, я занимаюсь научной работой”. Но было бы неправильно думать, что разбор патентных заявок был скучной рутиной. Он говорил: “Мне очень нравится моя работа, потому что она необычайно разнообразна”[208].
Вскоре он обнаружил, что может разобраться в патентных заявках настолько быстро, что днем у него остается время для собственных научных изысканий. “Всего за два-три часа я выполнял работу, которую нужно делать целый день, – вспоминал он, – оставшуюся часть дня я мог работать над своими идеями”. Его начальник Фридрих Галлер был добродушным ворчливым скептиком, обладал замечательным чувством юмора и смотрел сквозь пальцы на кипы бумаг, обычно устилавших стол Эйнштейна и исчезавших в ящиках стола, когда к нему приходили посетители. “Когда кто-то проходил мимо, я засовывал свои записки в ящик стола и делал вид, что занимаюсь патентной работой”[209].
На самом деле мы не должны жалеть Эйнштейна из-за того, что он не был допущен в академические чертоги. И сам он пришел к выводу, что работа не в замкнутом академическом святилище, а в “мирской обители, где я разработал свои наиболее красивые идеи, пошла научной деятельности на пользу, а не во вред”[210].
Каждый день он ставил свои мысленные эксперименты по поиску скрытых сущностей, основанных на теоретических предпосылках. Как он позже вспоминал, сосредоточенность на проблемах реальной жизни “стимулировала меня к тому, чтобы видеть физические последствия теоретических концепций”[211]. Среди идей, содержавшихся в патентах, которые он должен был рецензировать, были десятки новых методов для синхронизации часов и координации времени с помощью сигналов, посланных со скоростью света[212].
Вдобавок у его шефа Галлера было кредо, в равной мере полезное и для креативного теоретика-бунтаря, и для патентного эксперта: “Будьте всегда начеку и оставайтесь критически настроенными”. Ставьте под вопрос каждую предпосылку, подвергайте сомнению принятые мнения, никогда не считайте что-то истинным только потому, что все считают это очевидным. Не разрешайте себе быть излишне доверчивыми. “Когда вы берете заявку, – наставлял экспертов Галлер, – априори считайте, что все, что говорит изобретатель, неправильно”[213].
Эйнштейн рос в семье, где патенты писались и их пытались использовать в бизнесе, и он считал этот процесс приносящим удовлетворение. Это развило в нем один из его талантов: способность проводить мысленные эксперименты, в процессе которых он мог себе наглядно представлять, как теория будет работать на практике, и это помогало ему отбрасывать второстепенные факты, затеняющие существо проблемы[214].
Получи он вместо этого место ассистента профессора, он бы чувствовал себя обязанным штамповать не вызывающие сомнений публикации и быть предельно осторожным в оспаривании принятых представлений. Как он отметил позднее, оригинальность и креативность не были в числе приоритетов, которыми руководствуются при продвижении ученого по карьерной академической лестнице, особенно в немецкоязычных странах, и он бы чувствовал давление, заставляющее его придерживаться предрассудков или убеждений его руководителей. Он говорил: “Академическая карьера, требующая от человека публиковать в огромном количестве работы, создает угрозу интеллектуальной поверхностности”[215].
По-видимому, случайность, в результате которой он оказался экспертом в Швейцарском патентном бюро, а не послушником в академическом монастыре, похоже, взрастила в нем некоторые черты, благодаря которым он достиг успеха: веселый скептицизм по отношению к тому, что напечатано на бумаге, и независимость суждений, позволявшие ему пересматривать базовые аксиомы. В патентном бюро не было систем поощрения или давления на патентных экспертов, побуждавших их вести себя иначе.
“Академия Олимпия”
Однажды на прогулке во время пасхальных каникул 1902 года Морис Соловин – румын, изучавший философию в университете Берна, – увидел объявление в газете, данное Эйнштейном, в котором тот предлагал давать уроки по физике (“пробные уроки бесплатно”). Щеголеватый дилетант с коротко остриженными волосами и эпатирующей бородкой, Соловин был на четыре года старше Эйнштейна, но тогда еще не решил, хочет ли он стать философом, физиком или кем-то еще. И он пошел по указанному адресу, позвонил в дверь и в следующее мгновение услышал громкий возглас: “Сюда!” Эйнштейн с первого взгляда произвел на него сильное впечатление, и Соловин позже вспоминал: “Я был поражен необычным сиянием его огромных глаз”[216].
Первая беседа длилась два часа, после чего Эйнштейн вышел вместе с Соловиным на улицу, где они проговорили еще полчаса. Потом они договорились встретиться на следующий день. На третьем занятии Эйнштейн объявил, что свободная беседа доставляет больше удовольствия, чем обучение за деньги. “Вам не нужно обучаться физике, – сказал он, – просто приходите ко мне когда захотите, и я буду рад побеседовать с вами”. Они решили читать великих мыслителей вместе и потом обсуждать их идеи.
К их заседаниям присоединился Конрад Габихт – сын банкира, обучавшийся ранее в Цюрихском политехникуме математике. Считая, что участие в помпезных научных заседаниях – пустая трата времени и не доставляет никакого удовольствия, они провозгласили себя “Академией Олимпия”. Эйнштейна, хоть он и был самым младшим, назначили президентом, а Соловин изготовил сертификат, на котором под связкой сосисок был изображен поясной портрет Эйнштейна в профиль. Надпись гласила: “Человек невероятно эрудированный, обладающий исключительными, изысканными и элегантными знаниями, с головой погруженный в революционные исследования космоса”[217]. Обычно их ужин был скромной трапезой из сосисок, сыра грюйер, фруктов и чая. Но на день рождения Эйнштейна Соловин и Габихт решили сделать ему сюрприз и поставили на стол три баночки икры. Эйнштейн тогда был погружен в анализ принципа инерции Галилея и, пока рассказывал о нем, отправлял в рот икру ложку за ложкой и, казалось, не замечал, что ест. Габихт и Соловин украдкой обменялись взглядами. Наконец Соловин спросил: “Ты заметил, что ел?” “О боже, – воскликнул Эйнштейн, – это ведь знаменитая икра! – выждал секунду и добавил: – Когда вы предлагаете такие изыски всякой деревенщине вроде меня, вы должны понимать, что этого не оценят”.
После дискуссий, которые могли продлиться всю ночь, Эйнштейн иногда играл на скрипке, а в летнее время они иногда отправлялись в горы, окружающие Берн, и встречали там рассвет.
“Вид мерцающих звезд производил на нас сильное впечатление и вдохновлял на разговоры об астрономии, – вспоминал Соловин. – Мы были зачарованы медленным приближением солнца к горизонту, которое наконец появлялось во всем великолепии, чтобы залить мистическим розовым светом Альпы”. Потом они ждали, пока откроется кафе, расположенное в горах, чтобы выпить черного кофе, прежде чем спуститься вниз и засесть за работу.
Соловин однажды пропустил заседание, которое должно было проводиться в его квартире, поскольку его соблазнили отправиться в это время на концерт чешского квартета. В качестве извинения он оставил яйца и записку на латыни: “Крутые яйца и приветствие”. Эйнштейн и Габихт, зная, как Соловин ненавидит запах табака, в отместку курили в его комнате сигары и трубки, навалили мебели и тарелок на кровать и оставили записку, тоже на латыни: “Густой дым и приветствие”. Соловин рассказывал, что, вернувшись домой, “почти задохнулся” от дыма: “Я думал, что задохнусь, широко открыл окно и стал снимать с кровати груду нагроможденных почти до потолка вещей”[218].
Соловин и Габихт останутся друзьями Эйнштейна на всю жизнь, и впоследствии он будет вспоминать о “нашей веселой академии, которая все же была менее «несерьезной», чем те респектабельные организации, которые я позже узнал поближе”. В ответ на поздравительную открытку к его семьдесят четвертому дню рождения, посланную двумя его товарищами из Парижа, он в шутливой форме, обращаясь к “Академии Олимпия”, написал:
“Ваши члены создали вас, чтобы посмеяться над вашими давно созданными сестрами-академиями. Насколько точно их ирония попала в цель, я смог вполне убедиться за долгие годы тщательных наблюдений”[219].
Круг чтения в “Академии” включал книги классиков на темы, которые интересовали Эйнштейна, например пронзительную пьесу Софокла о неповиновении власти – “Антигона”, эпический роман Сервантеса об упрямце, борющемся с мельницами, – “Дон Кихот”. Но чаще всего три “академика” читали книги, в которых переплетались научные и философские темы: “Трактат о человеческой природе” Давида Юма, “Анализ ощущений” и “Механика в ее историческом развитии” Эрнста Маха, “Этику” Баруха Спинозы и “Наука и гипотеза” Анри Пуанкаре[220]. Именно под влиянием этих авторов молодой патентный эксперт начал разрабатывать собственную философию науки.
Из всех этих авторов наибольшее влияние на Эйнштейна оказал шотландский эмпирик Давид Юм (1711–1776). Следуя традициям Локка и Беркли, Юм относился скептически ко всем знаниям, кроме тех, которые могут быть непосредственно восприняты органами чувств. Даже очевидные законы причинности у него попали под подозрение: он считал, что это не законы, а просто привычки ума. По Юму, то, что мяч, сталкивающийся с другими мячами, каждый раз ведет себя в точном соответствии с тем, что предсказывают законы Ньютона, не означает, строго говоря, что в следующий раз он будет вести себя аналогично. Эйнштейн отмечал: “Юм ясно видел, что определенные концепции, например концепция причинности, не могут быть выведены логическим путем из нашего восприятия действительности”.
Одна из версий этой философии, иногда называемая позитивизмом, отрицала справедливость любой концепции, выходящей за рамки описания явлений, которые мы непосредственно воспринимаем через опыт. Такие взгляды импонировали Эйнштейну, по крайней мере вначале. “Теория относительности корнями уходит в позитивизм, – говорил он, – это направление мысли оказало громадное влияние на мои исследования, особенно работы Маха и даже больше – Юма, чей «Трактат о человеческой природе» я жадно и с восхищением изучал незадолго до открытия теории относительности”[221].
У Юма он нашел подтверждение своему скептическому отношению к концепции абсолютного времени. Юм говорил, что не имеет смысла считать время абсолютной сущностью, не зависящей от наблюдаемых объектов, движение которых позволяет нам определить время. “Идею времени мы образуем из последовательности идей и впечатлений, – писал Юм, – время же само по себе никогда не может предстать перед нами или быть замечено нашим умом”[222]. Идея о том, что нет такой вещи, как абсолютное время, позднее отозвалась эхом в теории относительности Эйнштейна. Конкретные идеи Юма об абсолютном времени, однако, меньше повлияли на него, чем его более общее убеждение, что рискованно говорить о концепциях, которые нельзя проверить с помощью органов чувств или наблюдений[223].
Вслед за увлечением Юмом к Эйнштейну пришло увлечение философскими идеями Иммануила Канта (1724–1804) – немецкого метафизика, с трудами которого его еще в школьном возрасте познакомил Макс Талмуд. Эйнштейн про него говорил так: “Кант вышел на сцену с идеей, которая ознаменовала продвижение в решении дилеммы Юма”. Некоторые истины попали в категорию “точно установленного знания”, которое “основано на самом разуме”.
Другими словами, Кант различал два типа истин – аналитические суждения, исходящие из логики и “самого разума”, но не из наблюдений за миром (например, “все холостяки не женаты”, “два плюс два равно четыре”, “сумма всех углов в треугольнике составляет 180 градусов”), и синтетические суждения, основанные на опыте и наблюдениях (например, “Мюнхен больше Берна” или “все лебеди белые”). Синтетические суждения могут быть пересмотрены при появлении новых эмпирических фактов, а аналитические – нет. Мы можем обнаружить черного лебедя, но не можем обнаружить женатого холостяка или треугольник с суммой углов 181 градус (по крайне мере, так считал Кант). Эйнштейн сказал по поводу первой категории истин по Канту: “Они включают, например, положения геометрии и принцип причинности. Эти и некоторые другие типы знаний… не должны быть предварительно получены с помощью ощущений, другими словами, это априорные знания”.
Эйнштейн вначале посчитал удивительным то, что некоторые истины могут быть открыты с помощью чистого интеллекта. Но вскоре он начал сомневаться в четком разделении кантовских аналитических и синтетических суждений. “Мне кажется, что объекты, с которыми имеет дело геометрия, – писал он, – не отличаются от объектов чувственного восприятия”. А позднее это кантовское различие он отвергнет как ошибочное: “Я убежден, что эта дифференциация ошибочна”. Суждение, которое кажется чисто аналитическим, – например, что сумма углов в треугольнике равна 180 градусов, – может оказаться ошибочным в неевклидовой геометрии или в искривленном пространстве (как это произойдет в общей теории относительности). Как он позже сказал о концепциях в геометрии и принципе причинности, “в настоящее время всем, разумеется, известно, что упомянутые выше понятия не обладают ни достоверностью, ни внутренней определенностью, которые им приписывал Кант”[224].[225]
Следующий шаг в продвижении эмпиризма Юма сделал Эрнст Мах (1838–1916), австрийский физик и философ, чьи работы Эйнштейн прочитал по настоянию Мишеля Бессо. Он стал одним из любимейших авторов для членов “Академии Олимпия” и помог укрепить в Эйнштейне скептицизм в отношении полученных знаний и принятых аксиом, что станет отличительным признаком его творчества. В словах, которые могут быть в той же мере отнесены и к нему самому, Эйнштейн впоследствии сформулирует, что гений Маха частично обусловлен его “неизбывным скептицизмом и независимостью мысли”[226].
Сущность философии Маха, по словам Эйнштейна, состояла в том, что “концепции имеют смысл, только если мы укажем объекты, к которым они относятся, и правила, по которым они соотносятся с этими объектами”[227]. Другими словами, чтобы концепция имела смысл, нужно иметь ее работающее определение, в котором будет описано, как вы будете изучать эту концепцию в действии. Эти размышления принесут свои плоды, когда через несколько лет Эйнштейн и Бессо будут думать о том, какие наблюдения придадут смысл кажущемуся простым понятию “одновременности” двух событий.
Больше всего на Эйнштейна Мах повлиял в том, что он применил этот подход к ньютоновским концепциям “абсолютного времени” и “абсолютного пространства”. Мах утверждал, что эти концепции нельзя определить в терминах тех наблюдений, которые можно произвести. Следовательно, они бессмысленны. Мах высмеивал ньютоновское “концептуальное уродство понятия абсолютного пространства” и называл его “чистой выдумкой, которую нельзя увидеть в опыте”[228].
Последним интеллектуальным героем для членов “Академии Олимпия” стал Барух Спиноза (1632–1677) – еврейский философ из Амстердама. Его влияние касалось в основном религиозных чувств: Эйнштейн воспринял его концепцию аморфного Бога, отраженного во внушающей трепет красоте, рациональности и единстве законов природы. Как и Спиноза, Эйнштейн не верил в персонифицированного Бога, который награждал, наказывал и вмешивался в частную жизнь людей.
Вдобавок Эйнштейн позаимствовал у Спинозы веру в детерминизм: ощущение того, что если мы смогли бы понять законы природы, то увидели бы, что они определяют неизменные причинно-следственные связи и что Бог не играет в кости, позволяя каким-то событиям происходить по случайным или неопределенным причинам. Спиноза утверждал, что “Бог есть производящая причина (causa efficiens) всех вещей, какие только могут быть представлены бесконечным разумом”[229]. И даже когда квантовая механика вроде показала, что это не так, Эйнштейн упорно верил в это[230].
Брак с Милевой
Герману Эйнштейну не суждено было увидеть, как его сын в будущем добьется чего-то большего, чем стать патентным экспертом третьего класса. В октябре 1902 года здоровье отца начало ухудшаться, и Эйнштейн отправился в Милан, чтобы провести последние дни вместе с ним. Их отношения в течение долгого времени представляли собой смесь отчужденности и привязанности и закончились они на той же ноте. “Когда пришел конец, – рассказала позже помощница Эйнштейна Хелен Дукас, – Герман попросил всех выйти из комнаты, чтобы он смог уйти из жизни в одиночестве”.
До конца жизни Эйнштейна не покидало чувство вины из-за этого момента, который показал его неспособность установить настоящую связь с его отцом. Впервые он был потрясен, “переполнен безысходным отчаянием”. Впоследствии он назвал смерть своего отца глубочайшим шоком, который он когда-либо испытывал. Это событие, однако, решило одну важную проблему. На смертном одре Герман Эйнштейн дал свое согласие на женитьбу сына на Милеве Марич[231]. Шестого января 1903 года коллеги Эйнштейна по “Академии Олимпия” Морис Соловин и Конрад Габихт собрались на специальную сессию, чтобы стать свидетелями на скромной церемонии в бернском бюро регистраций актов гражданских состояний, где Эйнштейн женился на Милеве Марич. Никто из родственников – ни мать Эйнштейна, ни его сестра, ни родители Милевы – не приехал в Берн. Небольшая группа друзей-интеллектуалов отпраздновала этим вечером свадьбу в ресторане, а затем Эйнштейн и Милева вместе отправились в его апартаменты. Почему-то нас не удивляет тот факт, что он забыл ключ и молодоженам, чтобы попасть в квартиру, пришлось будить хозяйку[232].
“Ну вот, теперь я женатый человек, и жизнь наша с женой очень приятна и уютна, – отчитался он перед Мишелем Бессо через две недели, – она прекрасно заботится обо всем, хорошо готовит и всегда жизнерадостна”. В свою очередь Марич[233] писала своей лучшей подруге: “Я сейчас даже ближе к своему любимому, если это вообще возможно, чем это было в пору нашей жизни в Цюрихе”. Иногда она присутствовала на заседаниях “Академии Олимпия”, но в основном в качестве наблюдателя. Соловин вспоминал: “Милева была умна и необщительна, слушала внимательно, но никогда не вмешивалась в нашу беседу”.
Но тем не менее облака уже начали сгущаться. Марич жаловалась на рутинную работу по дому и ту роль простого наблюдателя, которую она играла в обсуждении научных вопросов: “Мои новые обязанности требуют немалых жертв”. Друзья Эйнштейна отмечали, что она становится все более угрюмой. Временами она казалась неразговорчивой и даже подозрительной. И Эйнштейн, по крайней мере как он заявлял позже, тоже становился недоверчивым. Женясь на Марич, как он рассказывал позднее, он чувствовал “внутреннее сопротивление”, но преодолел его из чувства долга.
Марич вскоре начала искать способы восстановить магию их прежних отношений. Она надеялась, что им удастся избежать буржуазной рутины, присущей быту семей швейцарских госслужащих, и найти возможность восстановить их прежний богемно-академический стиль жизни. Они решили, или по крайней мере Марич на это надеялась, что Эйнштейн найдет преподавательское место где-нибудь подальше отсюда и, возможно, поближе к оставленной дочери. “Мы попытаемся найти где-нибудь работу, – писала она своей подруге в Сербию, – как ты думаешь, люди нашего типа могут найти что-нибудь в Белграде?” Марич написала, что они могут преподавать все что угодно, даже немецкий язык в средней школе. “Как видишь, мы сохранили свой старый авантюрный дух”[234].
Насколько нам известно, Эйнштейн никогда в Сербию не приезжал – ни для того, чтобы найти работу, ни для того, чтобы увидеть дочь. Через несколько месяцев после их женитьбы, в августе 1903 года, тайна, которой была покрыта их жизнь, неожиданно приобрела новую, трагическую окраску. Марич получила весть о том, что Лизерль, которой исполнилось девятнадцать месяцев, подхватила скарлатину. Марич быстро собралась и села на поезд, идущий в Нови-Сад. Когда он сделал остановку в Зальцбурге, купила почтовую открытку с изображением местного замка и написала несколько слов, а потом отправила ее из Будапешта: “Все идет быстро, но очень тяжело. Я неважно себя чувствую. Что ты делаешь, маленький Джонзиль, напиши мне поскорее, ладно? Твоя бедная Долли”[235].
Очевидно, ребенок был отдан на удочерение. Единственный ключ к разгадке, который мы имеем, – это зашифрованное письмо, которое Эйнштейн написал Марич в сентябре, когда она уже пробыла в Нови-Саде месяц: “Мне очень жаль того, что случилось с Лизерль. После скарлатины часто остаются следы. Только бы все кончилось хорошо. Как Лизерль зарегистрирована? Мы должны быть очень осторожны, чтобы у ребенка в будущем возникло меньше трудностей”[236].
Чем бы ни руководствовался Эйнштейн, задавая этот вопрос, ни документов по регистрации Лизерль, ни каких-либо других бумажных свидетельств ее существования, насколько известно, не сохранилось. Разные исследователи, как сербские, так и американские, включая Роберта Шульмана, работавшего в проекте “Документы Эйнштейна”, и писательницу Мишель Закхайм, которая написала книгу о поисках Лизерль, проверили записи в церквях, отделах регистрации, синагогах и кладбищах, но безрезультатно.
Все свидетельства существования дочери Эйнштейна тщательно уничтожены. Почти все письма, которыми обменивались Марич и Эйнштейн летом и осенью 1902 года, во многих из которых, вероятно, упоминается Лизерль, уничтожены. Переписка между Марич и ее подругой Элен Савич была целенаправленно сожжена семьей Савич. До конца жизни, даже после того, как они развелись, Эйнштейн и Марич с поразительным упорством делали все что могли, чтобы скрыть не только судьбу своего первого ребенка, но и сам факт его существования.
Одним из немногих фактов, которые не были поглощены черной дырой истории, было то, что в сентябре 1903 года Лизерль была еще жива. Беспокойство Эйнштейна, выраженное в письме к Марич в этом месяце о возможных трудностях “для ребенка в будущем”, делает этот факт установленным. Из письма также понятно, что к этому времени она была отдана на удочерение, поскольку Эйнштейн говорил о желательности наличия “заменяющего” ребенка.
Существует два правдоподобных объяснения тайны судьбы Лизерль. Первое – что она выжила после того, как перенесла скарлатину, и ее воспитала приемная семья. В паре случаев впоследствии, когда женщины приходили к Эйнштейну, заявляя, что они его незаконные дочери (и оказываясь самозванками), Эйнштейн не отвергал этой возможности с порога, но, учитывая то, сколько у него было романов, нет свидетельств, что он предполагал, что это могла быть Лизерль.
Одна из версий, которую поддерживал Шульман, состояла в том, что подруга Марич Элен Савич удочерила Лизерль. Она на самом деле растила дочь Зорку, ослепшую в детстве (возможно, в результате осложнения после скарлатины), которая никогда не была замужем, и от людей, которые осаждали просьбами дать интервью, ее всегда ограждал племянник. Зорка умерла в 1990-х годах.
Племянник, который опекал Зорку, – Милан Попович – отвергал эту возможность. В книге, которую он написал о дружбе и переписке Марич с его бабушкой Элен Савич, “В тени Альберта”, Попович утверждал, что “была выдвинута гипотеза о том, что моя бабушка удочерила Лизерль, но изучение истории моей семьи показывает безосновательность этого”. Однако он не присовокупил к этому никакого документального подтверждения вроде свидетельства о рождении своей тети, которое могло бы доказать это. Его мать сожгла большую часть писем Элен Савич, в том числе касающихся Лизерль. Собственная гипотеза Поповича, частично основанная на семейных историях, рассказанных сербской писательницей Мирой Алешкович, состоит в том, что Лизерль умерла от скарлатины в сентябре 1903 года – уже после письма Эйнштейна, отправленного в том же месяце. Мишель Закхайм в своей книге, описывающей ее поиски Лизерль, приходит к такому же выводу[237].
Что бы ни произошло, это усилило депрессию Марич. Вскоре после смерти Эйнштейна писатель Питер Микельмор, ничего не знавший о Лизерль, написал книгу, частично основанную на беседах с сыном Эйнштейна – Гансом Альбертом. Рассказывая о первом годе после их свадьбы, Микельмор отмечает: “Между ними двумя что-то произошло, но Милева говорила только, что это «глубоко личное». Что бы это ни было, она тяготилась этим, и Эйнштейн, кажется, каким-то образом был за это ответствен. Друзья предлагали Милеве рассказать об этих проблемах и не загонять их внутрь. Но она настаивала, что это слишком личное, и не открыла секрета до конца жизни. Таким образом, жизненно важная часть биографии Альберта Эйнштейна осталась окутанной тайной”[238].
Болезнь, на которую жаловалась Марич в своей открытке, посланной из Будапешта, была, похоже, новой беременностью. Когда оказалось, что так оно и есть, она испугалась, что это рассердит ее мужа. Но Эйнштейн, узнав новость, выразил радость по поводу того, что скоро появится замена его дочери. “Я ничуть не сержусь, что бедная Долли высиживает нового цыпленка, – написал он, – в действительности я рад этому и уже подумал, не должен ли я рассматривать это как возможность для тебя завести новую Лизерль. В конце концов, нельзя тебе отказывать в том, на что имеет право каждая женщина”[239].
Ганс Альберт Эйнштейн родился 14 мая 1904 года. Рождение нового ребенка подняло настроение Марич и вернуло некоторую радость в их брак, по крайней мере так она пишет своей подруге Элен Савич: “Перебираюсь обратно в Берн, так что опять смогу увидеться с тобой и показать тебе моего дорогого любимого малютку, которого уже назвали Альбертом. Не могу тебе передать, как много радости он мне доставляет, когда, просыпаясь, весело смеется или сучит ножками, когда я его купаю”.
Марич отметила, что Эйнштейн ведет себя “достойным отца образом” и проводит время, изготавливая игрушки для своего новорожденного сына, например канатную дорогу, которую он сделал из спичечных коробков и шнурка. “Это была одна из самых любимых игрушек, которые у меня были в то время, и она работала, – Ганс Альберт даже во взрослом состоянии смог ее вспомнить, – из куска шнурка, спичечных коробков и всяческой всячины он мог делать самые замечательные штуки”[240].
Милош Марич был так переполнен радостью по случаю рождения внука, что приехал и привез богатое приданое, составляющее, как гласят семейные предания (возможно, преувеличивая), 100 тысяч швейцарских франков. Но Эйнштейн отверг дар, сказав, что женился на его дочери не из-за денег. Милош вспоминал об этом позднее со слезами на глазах. И действительно, дела у самого Эйнштейна пошли неплохо – после почти года, проведенного в патентном бюро, у него закончился испытательный срок и изменился его статус[241].
Глава пятая
Год чудес: кванты и молекулы
1905
Начало нового века
Рассказывают, что лорд Кельвин, выступая в 1900 году перед Британской ассоциацией содействия развитию науки, сказал: “В физике уже не осталось ничего нового, и открывать больше нечего. Остается только проводить все более точные измерения”[242]. Он оказался неправ.
Ньютон (1642–1727) заложил основы классической физики в конце XVII века. Основываясь на открытиях Галилео Галилея и других ученых, он вывел законы, описывающие очень понятную механистическую Вселенную: падающее с дерева яблоко и вращающаяся по орбите Луна подчиняются одним и тем же правилам, связывающим гравитацию, массу, силу и параметры движения. Причина вызывает следствие, силы действуют на объекты, а теория все может объяснить, определить и предсказать.
Математик и астроном Лаплас, восхищенный ньютоновскими законами, описывающими Вселенную, сказал: “Разум, которому в каждый определенный момент времени известны все силы, приводящие природу в движение, и положение всех тел во Вселенной, смог бы объять единым законом движение величайших тел Вселенной и мельчайших атомов; для такого разума ничего не было бы неясного, и будущее было бы открыто ему точно так же, как прошлое”[243].
Эйнштейн восхищался такой прямолинейной интерпретацией причинно-следственной связи и называл ее “глубочайшей чертой ньютоновского учения”[244]. С легким сарказмом он кратко изложил историю физики так: “В начале (если такое понятие существует) Бог создал ньютоновские законы движения, а одновременно с ними – требуемые для них массы и силы”. Что особенно восхищало Эйнштейна, так это “успешность применения механики в тех областях, которые ничего общего с механикой не имеют”, таких как кинетическая теория, которой он занимался и согласно которой поведение газов определялось взаимодействием миллиардов сталкивающих друг с другом молекул[245].
В середине 1800 годов ньютоновская механика дополнилась еще одним великим открытием. Майкл Фарадей (1791–1867), сын кузнеца и самоучка, открыл электрические и магнитные поля и описал их свойства. Он показал, что электрический ток создает магнитное поле, а меняющееся магнитное поле может создать электрический ток: когда магнит движется относительно петли из проволоки или, наоборот, петля относительно магнита, в ней возникает электрический ток[246].
Работы Фарадея по электромагнитной индукции позволили разным предприимчивым и изобретательным бизнесменам вроде отца Эйнштейна и его дяди конструировать разные новые типы электрических генераторов из катушек с намотанной на них проволокой и движущихся магнитов. Таким образом, юный Эйнштейн о фарадеевых полях имел не только теоретическое представление.
В свою очередь физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), импозантный шотландец с кустистой бородой, вывел замечательные уравнения, которые, в частности, описывали то, как изменяющиеся электрические поля приводят к появлению магнитных полей, а меняющиеся магнитные поля приводят к появлению электрических полей. Переменное электрическое поле действительно может создать переменное магнитное поле, а оно в свою очередь может создать меняющееся электрическое поле и так далее, и в результате этого взаимопревращения возникает электромагнитная волна.
Эйнштейн свое предназначение видел в том числе и в развитии идей великого шотландца (знаковое совпадение: Ньютон родился в тот год, когда умер Галилей, а Эйнштейн родился в год смерти Максвелла). Это был теоретик, сбросивший господствующие предубеждения, который позволил мелодиям математики увести его в неизведанные дали, нашел гармонию, основанную на красоте и простоте теории поля.
Всю свою жизнь Эйнштейн восхищался теориями поля. Например, в учебнике[247], написанном им вместе с коллегой, он так описал развитие концепции поля:
“В физике появилось новое понятие, самое важное достижение со времен Ньютона, – поле. Потребовалось большое научное воображение, чтобы уяснить себе, что не заряды и частицы, а поле в пространстве между зарядами и частицами существенно для описания физических явлений. Понятие поля оказалось весьма удачным и приводит к формулированию уравнений Максвелла, описывающих структуру электромагнитного поля”[248].
Сначала казалось, что теория электромагнитного поля совместима с механикой Ньютона. Например, Максвелл верил, что электромагнитные волны, включая свет, можно объяснить в рамках классической механики, если предположить, что Вселенная заполнена неким невидимым и очень легким “светоносным эфиром” – физической субстанцией, которая совершает колебательные движения при распространении электромагнитных волн. Роль эфира можно сравнить с ролью, которую играет вода при распространении волн по морской глади или воздух при распространении звуковых волн.
Однако к концу XIX века в фундаменте классической физики наметились трещины. Во-первых, ученые, как ни старались, не смогли найти свидетельств нашего движения через предполагаемый светоносный эфир. А изучение испускания света и других электромагнитных волн физическими телами поставило еще одну проблему. На стыке ньютоновской физики, описывающей механическое движение дискретных частиц, и теории поля, описывающей электромагнитные явления, происходили странные вещи.
Но до того, как погрузиться в эти проблемы, Эйнштейн опубликовал пять статей, не получивших большой известности. Они не помогли ему ни получить степень доктора, ни даже найти место учителя средней школы. Если бы он тогда отказался от занятий теоретической физикой, научное сообщество и не заметило бы потери. А Эйнштейн мог бы, продвигаясь по служебной лестнице, сделать карьеру в Швейцарском патентном бюро и стать его главой и на этом месте, видимо, преуспел бы.
Ничто не предвещало того, что он вот-вот станет героем нового annus mirabilis[249], подобного которому наука не знала с 1666 года. Тогда Исаак Ньютон, скрываясь от чумы, свирепствовавшей в Кембридже, в доме своей матери в деревне Вулсторп, смог за год разработать дифференциальное исчисление, проанализировать спектр белого света и открыть закон тяготения.
И вот теперь физика опять готова была совершить кульбит, и именно Эйнштейну суждено было стать человеком, который поможет ей это сделать. Во-первых, у него было нахальство, необходимое для того, чтобы отбросить все наслоения общепринятых теорий, мешающие разглядеть трещины в фундаменте физики. А еще у него было живое воображение, позволившее ему сделать концептуальный скачок, на который не отважились ученые, мыслящие более традиционно.
О прорывах, которые ему удалось совершить в течение сумасшедшей четырехмесячной работы с марта по июнь 1905 года, он оповестил Конрада Габихта в письме, ставшем одним из самых известных личных писем в истории науки. Габихт – его приятель по философскому кружку, названному его участниками “Академией Олимпия”, – незадолго до этого уехал из Берна, что, к счастью для историков, дало повод Эйнштейну в конце мая написать ему письмо:
“Милый Габихт!
Между нами длилось священное молчание, и то, что я его прерываю малозначительной болтовней, покажется кощунством…
Ну а вообще что делаете, вы, замороженный кит, высохший и законсервированный обломок души? Почему вы не присылаете мне свою диссертацию? Разве вы, жалкая личность, не знаете, что я буду одним из полутора парней, которые прочтут ее с удовольствием и интересом? За это я вам обещаю прислать четыре свои работы. Первая посвящена излучению и энергии света и очень революционна, как вы сами убедитесь, если сначала пришлете мне свою работу. Вторая работа содержит определение истинной величины атомов… Третья доказывает, что согласно молекулярной теории тепла тела величиной порядка 1/1000 мм, взвешенные в жидкости, испытывают видимое беспорядочное движение, обязанное тепловому движению молекул. Такое движение взвешенных тел уже наблюдали физиологи – они назвали его броуновским молекулярным движением. Четвертая работа пока еще находится в стадии черновика, она представляет собой электродинамику движущихся тел и меняет представление о пространстве и времени”[250].
Кванты света, март 1905 года
Как Эйнштейн и упоминал в письме Габихту, из статей, написанных в 1905 году, именно первая, а не самая известная – последняя, содержащая объяснение теории относительности, – заслужила определение революционной. Она и на самом деле стала, возможно, крупнейшим революционным прорывом в физике – ведь в ней содержится утверждение о том, что приходящий свет можно представлять в виде не только волн, но и небольших пакетов – квантов света, которые потом окрестили фотонами. Это утверждение, даже более таинственное и странное, чем загадочные аспекты теории относительности, погружает нас в странный и туманный мир.
Эйнштейн признает это, дав этой статье, поданной 17 марта 1905 года в Annalen der Physik, довольно странное название: “Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света”[251]. Эвристической? Это означает гипотезу, указывающую направление, в котором должна решаться проблема, и дающую указания по поискам решения, но никак не окончательное решение проблемы. От первой своей публикации, посвященной квантовой теории, и до последней, вышедшей ровно через пятьдесят лет после первой, незадолго до его смерти, Эйнштейн всегда описывал концепцию квантов света и их непонятных применений в лучшем случае как эвристическую, то есть как предварительную и неполную, к тому же не очень совместимую с его собственными представлениями о базовых принципах природы.
В основу статьи Эйнштейна легли вопросы, мучившие физиков на рубеже XIX и XX веков (хотя фактически ученые задавались ими еще со времен древних греков, да и до сих пор это делают), а именно состоит ли Вселенная из частиц, в частности атомов и электронов, или это неделимый континуум, каким, видимо, являются электромагнитные или гравитационные поля? А если оба способа описания правильны, каждый в своей области параметров, что случается в пограничной области?
С 1860-х годов ученые занимались как раз областью на стыке этих представлений, исследуя так называемое излучение абсолютно черного тела. Как знает каждый, кто имел дело с газовой горелкой или печью для обжига, свечение железа или подобного ему материала меняет цвет при нагреве. Сначала железо кажется красным, при дальнейшем нагреве оно начинает светиться оранжевым светом, потом – белым и, наконец, – голубым. Для исследования этого свечения Густав Кирхгоф с коллегами сконструировали закрытый металлический контейнер с маленьким отверстием, через которое выходило наружу небольшое количество света. Результатом их экспериментов стали графики зависимости интенсивности от длины волны при разных температурах, причем при каждой температуре измерялось равновесное значение интенсивности. Независимо от материала или формы стенок контейнера результаты оставались теми же самыми, форма кривой зависела только от температуры.
Однако оставалась одна проблема. Никто не мог обосновать формулу, описывающую колоколообразную форму этих кривых.
Когда Кирхгоф умер, его профессорская должность в Берлинском университете перешла к Максу Планку. Планк родился в 1858 году в семье, в которой насчитывалось несколько поколений крупных ученых, теологов и юристов. У Планка было многое из того, чего не было у Эйнштейна. Безупречно одетый, в пенсне, немного застенчивый, всегда следовавший принятым решениям, консерватор по складу характера, чопорный в общении с окружающими, он был немцем в лучшем смысле этого слова. Их общий с Эйнштейном друг Макс Борн сказал как-то: “Трудно вообразить себе двух столь разных людей. Эйнштейн – гражданин мира, не слишком привязанный к окружающим его людям, не подверженный влиянию эмоциональных настроений в обществе. Планк же – пылкий патриот, глубоко укорененный в традиции семьи и нации, гордящийся историческим величием Германии и осознанно придерживающийся прусского взгляда на роль государства”[252].
Скептицизм Планка по отношению к атомам и частицам вообще (как к альтернативе волнам и непрерывным полям) обусловлен его консерватизмом. В 1882 году он написал: “Несмотря на огромный успех атомной теории, которым она до сих пор пользовалась, в конце концов она будет сметена, и восторжествует концепция непрерывного строения материи”. По иронии судьбы и Планк, и Эйнштейн войдут в историю как основатели квантовой механики, и оба отступятся от нее, когда станет ясно, что она подрывает принципы прямой причинности и детерминизма, которые оба исповедовали[253].
В 1900 году Планк вывел уравнение, частично, как он выразился, с помощью “случайной догадки”, которое описывало зависимость интенсивности от длины волны при каждой температуре. При выводе уравнения он пользовался статистическими методами Больцмана, которые вообще-то не признавал. Но это уравнение имело некоторую странность: для того чтобы оно правильно описывало зависимости, в него должна была войти константа, равная необычайно маленькой величине (примерно 6,62607 1034Дж/с). Вскоре ее окрестили постоянной Планка h, и теперь она считается одной из нескольких фундаментальных констант природы.
Вначале Планк не имел понятия, какой физический смысл имеет эта математическая константа (если вообще имеет). Но потом у него возникла теория, которая, как он считал, объясняет не природу самого света, а процесс, происходящий при испускании света или его поглощении материальным телом. Он предположил, что любая поверхность, испускающая свет и тепло, такая как, например, стенки модели абсолютно черного тела, содержит “колеблющиеся молекулы” или “гармонические осцилляторы”, похожие на маленькие колеблющиеся пружины[254]. Эти гармонические осцилляторы могут поглощать или испускать энергию только в форме дискретных пакетов или сгустков энергии. Энергия этих пакетов может принимать только фиксированные значения, определяемые постоянной Планка, и не может ни составлять часть от этих значений, ни принимать непрерывные значения.
Планк считал, что его константа – просто математический кунштюк, который объясняет процесс излучения или поглощения, а к фундаментальной природе света отношения не имеет. Тем не менее, произнося доклад на заседании Берлинского физического общества в декабре 1900 года, он сделал важное утверждение:
“Мы считаем – и это является самой существенной частью всех расчетов, – что поток энергии состоит из совершенно определенного количества одинаковых конечных пакетов”[255].
Эйнштейн быстро понял, что квантовая теория подрывает основы классической физики. “Все это мне стало ясно вскоре после выхода в свет фундаментальной работы Планка, – писал он позже, – все мои попытки согласовать теоретические основы физики с этими открытиями полностью провалились. Было похоже, что из-под нас вытащили фундамент, а нового твердого основания что-то нигде не было видно”[256].
Вдобавок к загадке смысла константы Планка возникла еще одна требующая объяснения проблема, связанная с излучением. Проблема называлась фотоэлектрическим эффектом – испусканием электронов из металла при падении света на металлическую поверхность. Падающий свет расшатывает электроны и вырывает их из металла. В письме, которое Эйнштейн написал Марич (между прочим, сразу после того, как узнал о ее беременности) в мае 1901 года, он выражал восторг по поводу “красивой работы” Филиппа Ленарда на эту тему.
Ленард в своих экспериментах обнаружил неожиданное свойство: когда он увеличивал частоту света, двигаясь от инфракрасных (тепловых) длин волн к красным и дальше к фиолетовым и ультрафиолетовым, энергия испускаемых электронов увеличивалась. Потом он стал увеличивать интенсивность, используя свет электрической дуги с графитовыми электродами, в которой яркость света могла меняться в 1 тысячу раз. Поскольку чем ярче свет, то есть чем выше его интенсивность, тем больше поток энергии, логично было бы предположить, что выбитые электроны будут обладать большей энергией и получат большее ускорение. Но в эксперименте этого не наблюдалось. Более интенсивный свет выбивал большее количество электронов, но энергия каждого из них оставалась прежней. Этого факта волновая теория света не могла объяснить.
Эйнштейн размышлял над работами Планка и Ленарда четыре года. В его итоговой работе, относящейся к 1904 году, – “К общей молекулярной теории теплоты”[257] – содержался расчет флуктуаций средней энергии системы молекул. Результаты своего расчета он сравнил с данными эксперимента, в котором исследовался объем, заполненный излучением черного тела, и увидел, что теоретические и экспериментальные результаты согласуются. Последняя фраза статьи звучала так: “Я думаю, что согласие… невозможно приписать случайности”[258]. Сразу после завершения этой работы 1904 года он написал своему другу Конраду Габихту: “Теперь я нашел самое простое соотношение между величинойэлементарных квантов материи и длиной волны излучения”. Таким образом, похоже, Эйнштейн уже был готов к построению квантовой теории, то есть к тому, чтобы заявить, что поле излучения состоит из квантов[259].
В статье о световых квантах, вышедшей годом позже, в 1905 году, он как раз это и сделал – взял математическую константу, которую ввел Планк, соотнес с результатами Ленарда по фотоэлектрическому эффекту и стал рассматривать свет так, как будто он не является непрерывной волной, а действительно состоит из точечных частиц, названных им квантами света.
Эйнштейн начал свою статью с описания огромной разницы между теориями, основанными на концепции частиц (например, кинетической теорией газов), и теориями, использующими непрерывные функции (например, для электромагнитного поля в волновой теории света). “Существует глубинное формальное различие между теориями, которые физики построили для газов и других тел с массой, и теорией Максвелла, описывающей электромагнитные процессы в так называемом пустом пространстве, – пишет он. – В то время как мы считаем, что состояние тела полностью определяется положением и скоростями очень большого, но конечного числа атомов и электронов, для того, чтобы описать электромагнитное состояние данного объема, мы используем пространственно-непрерывные функции”[260].
Прежде чем дать обоснование своей корпускулярной теории света, он подчеркнул, что не обязательно отказываться от волновой теории, которая будет оставаться полезной. “Волновая теория света, которая имеет дело с непрерывными пространственными функциями, хорошо работает в чисто оптических явлениях и, возможно, никогда не будет заменена другой теорией”.
Его способ совмещения волновой и корпускулярной теорий состоял в том, чтобы “эвристически” считать, что наше наблюдение волн включает статистическое усреднение положений бесчисленного количества частиц. “Нужно иметь в виду, – говорил он, – что при оптических измерениях наблюдаются усредненные по времени, а не мгновенные величины”.
Далее в тексте статьи следовала, быть может, самая революционная фраза из всех написанных Эйнштейном. В ней была сформулирована мысль о том, что свет состоит из дискретных частиц или энергетических пакетов: “Согласно предположению, которое будет здесь рассмотрено, если луч света идет от точечного источника, энергия не распределяется в расширяющемся объеме непрерывно, а состоит из конечного числа энергетических квантов, локализованных в точках пространства, причем излучаться и поглощаться они могут только неделимыми порциями”.
Эйнштейн проверял эту гипотезу, выясняя, действительно ли объем, заполненный излучением абсолютно черного тела, которое он теперь считал состоящим из дискретных квантов света, может вести себя так же, как объем, заполненный газом, состоящим, как известно, из отдельных частиц. Эйнштейн взял формулу, описывающую изменение энтропии газа при изменении его объема, сравнил с тем, как меняется энтропия абсолютно черного тела при изменении его объема, и обнаружил, что энтропия излучения “меняется при изменении объема по тому же самому закону, что и энтропия идеального газа”.
Он сделал расчет, используя формулы больцмановской статистики для энтропии. При описании излучения абсолютно черного тела он использовал тот же самый математический аппарат статистической механики, который используется для описания разреженного газа частиц. Эти расчеты и привели Эйнштейна к выводу, что излучение “в термодинамическом смысле ведет себя так, как будто состоит из независимых энергетических квантов”. Он также нашел способ расчета энергии “частиц” света при определенной частоте, значение которой совпало со значением, найденным Планком[261].
Дальше Эйнштейн показал, как существование этих световых квантов могло объяснить результаты эксперимента Ленарда по фотоэлектрическому эффекту, милостиво названного им “новаторской работой”. Если считать, что свет распространяется в виде дискретных квантов, то энергия каждого кванта просто определяется частотой света, умноженной на постоянную Планка. Эйнштейн предположил: если считать, “что световой квант передает всю свою энергию одному электрону”, то из этого следует, что свет с большей частотой будет выбивать электроны с большей энергией. С другой стороны, увеличение интенсивности (но не частоты) будет просто означать, что будет вылетать больше электронов, но при этом энергия каждого останется неизменной.
Именно такой результат Ленард наблюдал в своем эксперименте, но Эйнштейн, желая подчеркнуть, что результаты получены чисто теоретически, а не являются простой интерпретацией экспериментальных данных, с некоторой осторожностью, а может быть, скромностью во введении к статье утверждает, что свет состоит из маленьких квантов, и, “насколько можно видеть, наша концепция не противоречит свойствам фотоэффекта, которые наблюдал герр Ленард”.
Раздув костер, зажженный Планком, Эйнштейн превратил его в пламя, которое опалило всю классическую физику. Что именно содержится в статье Эйнштейна 1905 года такого, что делает ее по-настоящему прорывной и стоящей особняком, и почему она оценивается выше работы Планка?
В действительности, как пояснил Эйнштейн в статье, написанной в следующем году, его роль состояла в том, что он осознал физическое значение того, что открыл Планк[262]. Для Планка – революционера поневоле – квант был математическим приемом, который объяснял, как энергия испускается и поглощается при взаимодействии с материей. Но он не видел, как это связано с физической сущностью света в частности и электромагнитного поля вообще. Историки науки Джеральд Холтон и Стивен Браш писали: “Можно считать, что в статье Планка 1900 года квантовая гипотеза использовалась как математический прием, введенный для того, чтобы найти статистическое распределение, а не как новая физическая концепция”[263].
Эйнштейн, напротив, считал, что квант света – реальный объект, загадочный, невообразимый, раздражающий, некое безумное завихрение космоса. Для него эти кванты энергии (которые только в 1926 году назвали фотонами[264]) существовали, даже когда свет распространялся сквозь вакуум. Он писал: “Мы хотим показать, что определение Планком элементарных квантов до некоторой степени независимо от его теории излучения абсолютно черного тела”. Другими словами, Эйнштейн утверждал, что корпускулярная природа света – это свойство самого света, а не просто способ описания взаимодействия света с материей[265].
Даже после опубликования Эйнштейном статьи Планк не признал того прорыва, который совершил Эйнштейн. Через два года он предупредил молодого самоуверенного клерка из патентного бюро, что тот зашел слишком далеко и что на самом деле кванты просто описывают процессы, происходящие во время поглощения и излучения света, а не реальные свойства излучения в вакууме. Планк изложил ему свою точку зрения так: “Я не вижу смысла в понятии «квант действия» (квант света) в вакууме, оно имеет смысл только в месте, где происходит поглощение и испускание”[266].
Планк не принимал концепцию физической реальности квантов света и в дальнейшем. Когда через восемь лет после опубликования статьи Эйнштейна Планк предложил ему долгожданное место в Прусской академии наук, в рекомендательном письме, написанном им и еще несколькими учеными и содержащем много похвал Эйнштейну, Планк сделал приписку: “То, что иногда в своих построениях он может зайти слишком далеко, например в своей гипотезе о квантах света, вряд ли заслуживает серьезного осуждения”[267].
Незадолго до смерти Планк объяснил, почему ему долгое время не хотелось признавать, что следствия, вытекающие из его открытия, существуют в реальности. “Мои безуспешные попытки как-то встроить квант действия в классическую теорию продолжались много лет и потребовали от меня значительных усилий, – писал он, – многие из моих коллег воспринимали это почти как трагедию”.
По иронии судьбы теми же словами можно описать и то, что происходило с Эйнштейном. Он постепенно становился все более “равнодушным и скептически настроенным” по отношению к квантовой теории, которую сам создавал, говорил об Эйнштейне Бор. “И многие из нас восприняли это как трагедию”[268].
Из теории Эйнштейна возник экспериментально проверяемый закон для фотоэлектрического эффекта: энергия испущенных электронов линейно зависит от частоты света, причем коэффициентом служит постоянная Планка. Позже было экспериментально доказано, что формула верна. Ключевой эксперимент провел физик Роберт Милликен, возглавивший впоследствии Калифорнийский технологический институт, куда пытался зазвать Эйнштейна.
Но даже после подтверждения правильности формул Эйнштейна для фотоэффекта Милликен не согласился с теорией. Он утверждал, что “несмотря на очевидный и полный успех уравнения Эйнштейна, физическая теория, на основании которой оно было выведено и стало свидетельством ее правильности, так неубедительна, что Эйнштейн сам, как мне кажется, уже не придерживается ее”[269].
Милликен был неправ, когда говорил, что теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна была отвергнута. Фактически именно за открытие закона фотоэлектрического эффекта Эйнштейн получил свою единственную Нобелевскую премию. С появлением в 1920-х годах квантовой механики фотоны стали реальностью и фундаментальной частью физики.
Однако в одном важном пункте Милликен был прав. Эйнштейн находил все больше зловещих следствий из гипотезы квантов и корпускулярно-волнового дуализма света, и это его сильно тревожило. В письме, которое Эйнштейн написал почти в конце жизни своему близкому другу Мишелю Бессо, уже после того, как квантовая механика была принята почти всеми жившими в то время физиками, он пожаловался: “Все эти пятьдесят лет размышлений не приблизили меня к ответу на вопрос о том, что же это такое – кванты света”[270].
Докторская диссертация: размер молекул, апрель 1905 года
Эйнштейн уже написал статью, которая впоследствии перевернет фундаментальную физику, но ему так и не удалось защитить докторскую диссертацию. И он решил сделать еще одну попытку и написать такую диссертацию, которая была бы принята.
Он понял, что для этого нужно выбрать безопасную тему, и она точно не должна быть связана ни с квантами, ни с теорией относительности. И он выбрал в качестве темы вторую из тем, над которыми в то время работал, – “Новое определение размеров молекул”. Он закончил писать диссертацию 30 апреля, а в июле отправил ее в Цюрихский университет[271].
Возможно, из предосторожности и уважения к консервативным взглядам своего научного руководителя Альфреда Кляйнера он не прибег к новаторским методам статистической физики, которые использовал в предыдущих работах (и в статье о броуновском движении, которую закончил спустя одиннадцать дней), а использовал в основном методы классической термодинамики[272]. Тем не менее он смог продемонстрировать, как поведение бесчисленных маленьких частиц (атомов, молекул) проявляется в наблюдаемых явлениях и что наблюдаемые явления могут рассказать нам о природе этих маленьких невидимых частиц.
Почти на сотню лет раньше итальянский ученый Амедео Авогадро (1776–1856) выдвинул гипотезу, оказавшуюся впоследствии правильной, о том, что одинаковые объемы любого газа при одинаковой температуре содержат одинаковое количество молекул. И возникла сложная задача – выяснить, сколько именно молекул содержится в определенном объеме.
Обычно выбирается объем, занимаемый молем газа[273], который составляет 22,4 литра при нормальных температуре и давлении. Количество молекул, находящееся в этом объеме при таких условиях, стали потом называть числом Авогадро. Точное определение этой величины было, да и остается, довольно сложным делом, сейчас она считается равной 6,02214 10. (Это большое число: если рассыпать такое количество кукурузных зерен по территории Соединенных Штатов, они покроют всю площадь слоем толщиной примерно пятнадцать километров[274]).
Большая часть предыдущих измерений выполнялись в газах, и, как Эйнштейн отметил в первой фразе своей статьи, “физические явления, наблюдаемые в жидкостях, до сих пор не использовались для определения размеров молекул”. Эйнштейн стал первым, кто получил разумные результаты (после исправления в своей диссертации нескольких математических ошибок и внесения поправок в экспериментальные данные), используя жидкости.
В его методе использовались данные по вязкости, то есть по тому сопротивлению, которое оказывает жидкость движущемуся через нее телу. Например, смола и патока имеют очень большую вязкость. Если растворять сахар в воде, раствор будет тем более вязким, чем он слаще. Эйнштейн представил себе, что молекулы сахара постепенно протискиваются через маленькие молекулы воды и диффундируют в ее объем. Он вывел два уравнения с двумя неизвестными – размером молекул сахара и их количеством, – которые и нужно было решить. Он сумел это сделать и нашел два неизвестных. Таким образом он определил число Авогадро, которое оказалось у него равным 2,1 10.
К сожалению, это число оказалось не слишком близким к правильному значению. Когда он сразу после того, как работа была принята Цюрихским университетом, в августе подал статью в Annalen der Physik, редактор Пауль Друде (к счастью, не ведавший, что Эйнштейн раньше собирался высмеять его) задержал публикацию статьи, поскольку знал о работе, в которой были получены более точные экспериментальные данные о свойствах раствора сахара. Используя эти новые данные, Эйнштейн получил результат, равный 4,15 10, который гораздо ближе к правильному.
Через несколько лет один французский студент применил этот подход в своем эксперименте и обнаружил, что кое-что было упущено. Тогда Эйнштейн попросил ассистента в Цюрихе проверить результаты еще раз и обнаружил небольшую ошибку, подправил цифру, оказавшуюся теперь равной 6,5 10, и это уже было вполне хорошим результатом[275].
Позже Эйнштейн сказал, возможно полушутя, что, когда он подавал свою диссертацию, профессор Кляйнер сначала отклонил ее из-за того, что в ней слишком мало страниц. А когда он добавил в нее всего одно предложение, ее сразу приняли. Этому нет документального подтверждения[276], но, так или иначе, эта диссертационная работа стала одной из его самых цитируемых и в практическом отношении ценных статей, и у метода появилось множество приложений в различных областях – от перемешивания цемента до производства молочных продуктов и аэрозолей. И хотя это и не помогло ему получить академическую ставку, зато теперь он мог называться доктором Эйнштейном.
Броуновское движение, май 1905 года
Через одиннадцать дней после завершения работы над диссертацией Эйнштейн закончил еще одну статью, посвященную поискам свидетельств существования невидимых частиц. Для того чтобы показать, как невидимые частицы проявляют себя в видимом мире, он воспользовался, как всегда делал после 1901 года, статистическим анализом случайных взаимодействий.
Применив такую методику, Эйнштейн объяснил явление, называемое броуновским движением, которое к тому времени поражало ученых почти восемьдесят лет. Действительно, удивительно, как маленькие частицы примеси в такой жидкости, как вода, все время беспорядочно скачут в разных направлениях. В качестве “побочного результата” этой работы в ней было раз и навсегда убедительно доказано, что атомы и молекулы в физических объектах дейсвительно существуют.
Броуновское движение было так названо в честь шотландского ботаника Роберта Броуна, который в 1828 году опубликовал свои детальные наблюдения за тем, как рассматриваемые через сильный микроскоп очень мелкие частицы пыльцы, взвешенные в воде, качаются и блуждают. Изучение других частиц, в частности мельчайших крупинок, отшелушенных от древнеегипетского Сфинкса, дало похожие результаты. Было предложено множество объяснений, например наличие мелких течений в объеме воды или воздействие света. Но ни одна из теорий не казалась правдоподобной.
Когда в 1870 году была разработана кинетическая теория, в которой использовались случайные движения молекул для объяснения, например, поведения газов, многие пытались с ее помощью объяснить и броуновское движение. Но, поскольку частицы примеси были в 10 тысяч раз крупнее молекул воды, казалось, что у молекул не хватит сил сдвинуть с места частицу (как бейсбольный мяч не может сдвинуть предмет диаметром 800 метров)[277].