Космос Эйнштейна: Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени E-Book

Митио Каку

• Herausgeber: Альпина нон-фикшн / Alpina Non-Fiction
• Kategorie: Sachliteratur, Reportagen, Biografien
• Sprache: Russisch

Seitenzahl: 278

Veröffentlichungsjahr: 2023

Beschreibung

Описывая жизнь Альберта Эйнштейна, Митио Каку погружает нас в бурлящую атмосферу первой половины XX в. — две мировые войны, революция в Германии, создание атомной бомбы. Он показывает читателю невидимый обычно за триумфальной стороной открытий и озарений мир ученого — этапы становления, баталии в научном мире, зачастую непростые отношения с близкими. В книге представлен свежий взгляд на новаторскую деятельность Эйнштейна, перевернувшего представления человечества о пространстве и времени.

Leseprobe

Все права защищены. Произведение предназначено исключительно для частного использования. Никакая часть электронного экземпляра данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для публичного или коллективного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. За нарушение авторских прав законодательством предусмотрена выплата компенсации правообладателя в размере до 5 млн. рублей (ст. 49 ЗОАП), а также уголовная ответственность в виде лишения свободы на срок до 6 лет (ст. 146 УК РФ).

Эта книга посвящается Мишель и Элисон

ПРЕДИСЛОВИЕ

Новый взгляд на наследие Альберта Эйнштейна

Гений. Рассеянный профессор. Отец теории относительности. Легендарная фигура Альберта Эйнштейна — с пышными белыми волосами, развевающимися на ветру, в туфлях на босу ногу, в просторном джемпере, попыхивающий трубкой, не замечающий ничего вокруг — навсегда отпечаталась в нашем сознании. «Поп-идол уровня Элвиса Пресли и Мэрилин Монро — загадочно смотрит на нас с открыток, журнальных обложек, футболок и огромных плакатов. Одно из агентств в Беверли-Хиллз предлагает его образ для использования в телевизионной рекламе. Ему все это очень бы не понравилось», — пишет биограф Эйнштейна Денис Брайан.

Эйнштейн принадлежит к числу величайших ученых всех времен, это грандиозная вершина, которую по вкладу в науку можно поставить в один ряд с Исааком Ньютоном. Неудивительно, что журнал Time именно его назвал Человеком столетия. Многие историки видят его среди ста самых влиятельных людей последней тысячи лет.

Учитывая место Эйнштейна в истории, можно назвать несколько причин для того, чтобы попытаться заново вспомнить и переосмыслить его жизнь. Во-первых, его теории столь глубоки и всеобъемлющи, что сделанные несколько десятилетий назад предсказания до сих пор будоражат общественность и мелькают в газетных заголовках, поэтому очень важно попытаться понять корни этих теорий. По мере того как новые поколения исследовательских инструментов, которые в 1920-е гг. даже представить себе было невозможно (среди них можно назвать, к примеру, спутники, лазеры, суперкомпьютеры, детекторы гравитационных волн), зондируют дальний космос и внутренний мир атома, предсказания Эйнштейна приносят Нобелевские премии другим ученым. Даже крошки с эйнштейнова стола открывают в науке новые горизонты. Так, Нобелевская премия 1993 г. досталась двум физикам, которые сумели косвенным образом, проанализировав движение двойной нейтронной звезды, подтвердить существование гравитационных волн, предсказанных Эйнштейном в 1916 г. Нобелевская премия 2001 г. была присуждена трем физикам, подтвердившим существование бозе-эйнштейновского конденсата — нового состояния вещества при температуре, близкой к абсолютному нулю; Эйнштейн предсказал его в 1924 г.

Сегодня подтверждаются и другие предсказания. Черные дыры, когда-то считавшиеся причудой теории Эйнштейна, обнаружены телескопом «Хаббл» и многоэлементным радиотелескопом VLA[1]. Кольца Эйнштейна и линзы Эйнштейна не только нашли практическое подтверждение, но и являются теперь основным инструментом астрономов при измерении невидимых объектов в дальнем космосе.

Даже «ошибки» Эйнштейна, по общему признанию, внесли большой вклад в наши знания о Вселенной. В 2001 г. астрономы получили убедительные доказательства того, что «космологическая константа», считавшаяся ранее величайшим просчетом Эйнштейна, в действительности олицетворяет максимальную концентрацию энергии во Вселенной и что именно она определит окончательную судьбу самой Вселенной. Таким образом, мы наблюдаем своеобразный ренессанс наследия Эйнштейна и накопление все большего числа доказательств, подтверждающих его предсказания.

Во-вторых, физики в настоящее время пересматривают наследие Эйнштейна и особенно стиль его мышления. Пока биографы в подробностях изучают его личную жизнь в поисках истоков блестящих теорий, физики все глубже осознают, что теории Эйнштейна основаны не столько на мудреной математике (и уж тем более не на его личной жизни!), сколько на простых и элегантных образах. Эйнштейн любил говорить, что новая теория, вероятно, никудышна, если не базируется на зримом образе, достаточно простом, чтобы понять его мог даже ребенок.

В этой книге такого рода картины — результат научного воображения Эйнштейна — становятся формальным организующим принципом, вокруг которого выстраиваются описания его мыслительного процесса и величайших достижений.

В первой части используется картина, которую Эйнштейн увидел в своем воображении, когда ему было 16 лет: как выглядел бы луч света, если бы можно было лететь рядом с ним. Эта картина, в свою очередь, возникла, вероятно, под влиянием детской книги, которую он прочел. Наглядно представив себе, что происходит, если лететь вместе с лучом света, Эйнштейн выделил ключевое противоречие между двумя основными физическими теориями того времени: законами Ньютона и электромагнитной теории Максвелла. В определенном смысле в этой картине заключена вся специальная теория относительности (которая со временем раскроет тайну звезд и ядерной энергии).

Во второй части мы увидим другую картину: Эйнштейн представил планеты в виде шариков, катающихся по искривленной поверхности с Солнцем в центре; это иллюстрация к мысли о том, что гравитация возникает в результате искривления пространства и времени. Заменив ровную поверхность и действующие в ней силы Ньютона искривленным пространством, Эйнштейн получил совершенно новую, революционную картину гравитации. В этих рамках ньютоновы «силы» были всего лишь иллюзией, вызванной искривлением самого пространства. Из этой простой картины со временем возникнут черные дыры, Большой взрыв и конечная судьба самой Вселенной.

В третьей части книги картинка отсутствует — эта часть в основном посвящена неудачной попытке предложить образ-основу для «единой теории поля» — той, что позволила бы Эйнштейну сформулировать итог двух тысяч лет исследования законов вещества и энергии. Здесь его интуиция начала спотыкаться, поскольку в то время о силах, управляющих ядром и элементарными частицами, почти ничего не было известно.

Незавершенную единую теорию поля и 30-летний поиск «теории всего» нельзя назвать неудачей, что признали лишь недавно. Современники же Эйнштейна видели в этих исследованиях «валяние дурака». Физик и биограф Эйнштейна Абрахам Пайс сетовал: «В последние 30 лет жизни он продолжал вести активную работу, но его слава не уменьшилась бы, а может, наоборот, выросла, если бы он вместо этого занялся рыбалкой». Иными словами, его наследие могло оказаться еще более величественным, если бы он оставил физику в 1925 г., а не в 1955-м.

Однако в последние годы с появлением новой теории, получившей название теории суперструн, или М-теории, ученые занялись переоценкой поздних трудов Эйнштейна и его наследия, поскольку на первое место в мире физики вышел поиск единой теории поля. «Теория всего» стала основной целью изысканий целого поколения молодых амбициозных ученых. Если раньше считалось, что обобщением могут заниматься только стареющие физики на излете карьеры, то сегодня это доминирующая тема теоретической физики.

В своей книге я надеюсь представить новый, свежий взгляд на новаторскую деятельность Эйнштейна и, возможно, более точное описание его непреходящего наследия при помощи простых физических образов. Его озарения, в свою очередь, дали энергию нынешнему поколению революционных экспериментов, которые проводятся в космосе и в передовых физических лабораториях; они дают толчок интенсивным исследованиям, направленным на исполнение его заветной мечты — создание теории всего. Мне кажется, что такой подход к его жизни и работе больше всего понравился бы самому Эйнштейну.

 Благодарности

Я хотел бы поблагодарить за гостеприимство сотрудников библиотеки Принстонского университета, где проводились некоторые исследования для этой книги. В этой библиотеке доступны как оригинальные материалы, так и копии всех рукописей Эйнштейна. Я хотел бы поблагодарить также профессоров В. П. Нейра и Дэниела Гринберга из Городского колледжа Нью-Йорка за прочтение моей рукописи и конструктивные критические замечания. Кроме того, очень полезны были беседы с Фредом Джеромом, которому удалось получить из ФБР объемистое дело Эйнштейна. Я благодарен также Эдвину Барберу за поддержку и одобрение и Джесси Коэн за бесценные редакторские замечания и правку, которые заметно улучшили рукопись и помогли расставить акценты. Кроме того, я в глубоком долгу перед Стюартом Кричевски, представлявшему все эти годы многие из моих книг о науке.

ЧАСТЬ I

КАРТИНА ПЕРВАЯ

ГЛАВА 2

Ранние годы

Человек, которому суждено было навсегда изменить наши представления о Вселенной, родился 14 марта 1879 г. в небольшом городке Ульм в Германии. Эйнштейны — Германи Паулина(урожденная Кох) — очень расстроились, увидев деформированную головку новорожденного сына, и молились, чтобы он не оказался умственно неполноценным.

Родители Эйнштейна были в меру религиозными евреями среднего класса, изо всех сил старавшиеся обеспечить свое растущее семейство. Паулинабыла дочерью относительно богатого человека: ее отец Юлиус Дерцбахер (изменивший свою фамилию на Кох) заработал состояние, оставив ремесло пекаря и занявшись торговлей зерном. В семье Эйнштейнов именно Паулина заботилась о культурном воспитании детей. Она настаивала, чтобы дети занимались музыкой, и с ее подачи юный Альберт на всю жизнь влюбился в скрипку. Деловая карьера Германа Эйнштейна, в противоположность карьере его тестя, оказалась далеко не блестящей. Первоначально он занимался перинами, но затем брат Якобубедил обратить внимание на нарождающуюся электрохимическую промышленность. Изобретения Фарадея, Максвеллаи Томаса Эдисона, которым удалось обуздать мощь электричества, уже освещали города по всему миру, и Герман решил, что производство динамо-машин и устройство электрического освещения — очень перспективный бизнес. Однако бизнес оказался не только перспективным, но и рискованным, поскольку сопровождался периодическими финансовыми кризисами и банкротствами; только за годы детства Эйнштейна семье пришлось несколько раз переезжать, в том числе в Мюнхен через год после рождения Альберта.

Юный Эйнштейн поздно научился говорить — так поздно, что родители уже опасались, что мальчик растет умственно отсталым. Тем не менее он заговорил, причем сразу полными предложениями, хотя и в 9 лет все еще говорил не слишком хорошо. Кроме Альберта в семье был еще один ребенок — его сестра Майя, на два года младше. (Поначалу маленький Альберт очень удивился появлению в доме нового живого существа. Одной из первых сказанных им фраз было: «А где же колесики?») Быть младшей сестрой Альберта было непросто, поскольку у мальчика появилась вредная привычка швырять в голову сестренки чем попало. Позже она жаловалась: «Чтобы быть сестрой мыслителя, нужно иметь крепкий череп».

Вопреки распространенному мифу, в школе Эйнштейн учился хорошо, но только по тем предметам, которые его интересовали, — математике и физике. Немецкая школьная система в те времена поощряла учеников, дававших короткие ответы на основе вызубренного материала — в противном случае грозило наказание в виде болезненных ударов по пальцам. Альберт же говорил медленно, неуверенно, тщательно подбирая слова. Будучи далеко не идеальным учеником, он страдал под тяжким гнетом авторитарной системы, которая подавляла воображение и творческие порывы, заменяя все отупляющей зубрежкой. Когда Эйнштейн-старший спросил у директора школы, какую профессию он посоветовал бы выбрать Альберту, тот ответил: «Не важно; он ни в чем не достигнет успеха».

Характер Эйнштейна определился рано. Он был мечтательным юношей, часто погружался в свои мысли или в чтение. Школьники часто дразнили его, называя «бидермейером», что примерно означает «не от мира сего». Один из друзей Альберта позже вспоминал: «Одноклассники считали Альберта чудаком, потому что он не проявлял никакого интереса к спорту. Учителя считали его туповатым из-за неумения заучивать наизусть и из-за странного поведения». В 10 лет Альберт поступил в гимназию Луитпольда в Мюнхене, где самым страшным испытанием для него стало изучение древнегреческого языка. На уроках греческого он обычно сидел на своем стуле и безмятежно улыбался, чтобы скрыть скуку. В какой-то момент учитель греческого Йозеф Дегенхарт откровенно сказал семикласснику Эйнштейну, что лучше бы его просто не было на уроке. Когда же Альберт возразил, что он не делает ничего дурного, учитель резко ответил: «Да, это правда. Но вы сидите там на последнем ряду и улыбаетесь, и это разрушает то чувство почтения, которое нужно учителю от класса».

Даже несколько десятилетий спустя Эйнштейн не мог без горечи вспоминать те времена; не давали покоя рубцы на душе, оставленные авторитарной системой: «Почти чудо, что современные методы обучения окончательно не удушили святую любознательность поиска; ибо это нежное растеньице требует наряду с поощрением прежде всего свободы».

Интерес к физике проснулся у Эйнштейна рано и начался со встречи с магнетизмом, который он называл своим «первым чудом». Отец подарил ему компас, и мальчик был бесконечно очарован тем, что какие-то невидимые силы могут заставить стрелку поворачиваться. Он вспоминал с большой теплотой: «Чудо подобной природы я пережил ребенком лет четырех или пяти, когда папа показал мне стрелку компаса… я до сих пор помню… насколько глубокое впечатление произвел на меня этот опыт. За этими вещами должно было стоять что-то глубоко скрытое».

Когда Альберту было лет примерно одиннадцать, он проявил себя с неожиданной стороны — стал истово религиозен. Какой-то дальний родственник приходил в дом Эйнштейнов, чтобы наставить Альберта в иудейской вере, и тот неожиданно включился в процесс с большим энтузиазмом, чуть ли не с фанатизмом. Он отказывался есть свинину и даже сложил несколько гимнов в честь Господа, которые распевал по дороге в школу. Однако период религиозного рвения долго не продлился. Чем глубже мальчик проникал в суть иудейского учения, тем лучше понимал, что миры науки и религии конфликтуют между собой, а многие чудеса, описанные в религиозных текстах, нарушают законы природы. «Читая популярные книги, я скоро пришел к убеждению, что многие истории Священного Писания не могут быть правдивыми», — делает он вывод.

Альберт отказался от религии так же резко и неожиданно, как пришел в нее. Тем не менее религиозная фаза развития глубоко повлияла на его позднейшие взгляды. Уходя из религии, Эйнштейн впервые отверг бездумную веру и бездумное приятие авторитета; впервые проявилась черта, которая на всю жизнь стала одной из определяющих. Никогда больше Эйнштейн не принимал беспрекословно мнение авторитетного человека как истину в последней инстанции. Придя к выводу о невозможности примирения с наукой религиозного учения, изложенного в Священном Писании, он также решил, что во Вселенной есть целые области, не постижимые современным знанием, и что человеку следует глубоко понимать ограниченность науки и человеческой мысли.

Однако детский интерес Эйнштейна к компасам, науке и религии вполне мог угаснуть, не найди юный Альберт заботливого наставника, готового оттачивать его идеи. В 1889 г. бедный польский студент-медик по имени Макс Талмуд, учившийся в Мюнхене, еженедельно обедал в доме Эйнштейнов. Именно Макс познакомил Альберта с чудесами науки, не связанными с сухой и скучной зубрежкой, принятой в школе. Много лет спустя Талмуд тепло писал: «За все эти годы я ни разу не видел его читающим что-нибудь легкое. Не видел я его также в компании одноклассников или просто ровесников. Единственным его развлечением была музыка, он тогда уже играл сонаты Моцарта и Бетховена под аккомпанемент матери». Макс подарил Эйнштейну книгу по геометрии, которую тот проглотил в один присест. Эту книгу Альберт называл своим «вторым чудом». Он писал: «В возрасте 12 лет я пережил второе чудо совершенно иной природы: оно заключалось в тоненькой книжице по евклидовой геометрии на плоскости». Он называл эту книгу «священным геометрическим писанием» и относился к ней как к новой Библии.

Здесь наконец Эйнштейн познакомился с царством чистой мысли. Без дорогостоящих лабораторий и оборудования он мог исследовать универсальную истину, ограниченную лишь мощью человеческого разума. Математика, как заметила сестра Альберта Майя, стала для него бесконечным источником радости, особенно если речь шла об интригующих головоломках и задачках. Он хвастался сестре, что нашел независимое доказательство теоремы Пифагора о прямоугольном треугольнике.

Знакомство Эйнштейна с математикой этим не ограничилось; со временем он самостоятельно освоил дифференциальное исчисление, чем очень удивил наставника. Талмуд признавал: «Очень скоро полет его математического гения стал столь высок, что я уже не мог за ним угнаться… Темой наших разговоров в основном стала философия. Я рекомендовал ему почитать Канта». Знакомство по совету Талмуда с миром Иммануила Канта и его «Критикой чистого разума» вскормило интерес молодого Эйнштейна к философии, не оставлявший его до конца жизни. Он начал размышлять над вечными вопросами, с которыми сталкиваются все философы, такими как происхождение этики, существование Бога и природа войн. Кант, в частности, придерживался неортодоксальных взглядов по этим вопросам и даже высказывал сомнения в существовании Бога. Он посмеивался над напыщенным миром классической философии, где «обычно много пустословия». (Или, как сказал однажды римский оратор Цицерон, «Не знаю ничего настолько абсурдного, что не было бы сказано кем-нибудь из философов»). Кант писал, что для прекращения войн необходимо мировое правительство — позиция, которой Эйнштейн придерживался до конца жизни. В какой-то момент Эйнштейн был так тронут рассуждениями Канта, что даже задумался о том, чтобы стать философом. Его отец, мечтавший о более практичной профессии для сына, назвал эту идею «философской чепухой».

К счастью, благодаря электрохимическому бизнесу отца вокруг фабрики громоздилось достаточно электрических генераторов, двигателей и всевозможных приспособлений, чтобы возбудить любопытство юноши и стимулировать его интерес к физике. (Герман Эйнштейн вместе с братом Яковом пытались в то время заключить контракт на реализацию амбициозного проекта — электрификацию центра Мюнхена. Герман мечтал работать на переднем рубеже этого исторического предприятия. Получение такого подряда означало бы финансовую стабильность и серьезное расширение электрической фабрики.)

Близость огромных хитроумных электромагнитных устройств, несомненно, способствовала интуитивному пониманию природы электричества и магнетизма. Она же, вероятно, обострила замечательную способность Альберта придумывать визуальные физические образы, описывающие законы природы с необычайной точностью. Если другие ученые нередко прятались за абстрактной невразумительной математикой, то Эйнштейн видел законы физики так же ясно, как простые графические картинки. Возможно, эта его способность восходит к тому счастливому времени, когда он мог просто смотреть на устройства, окружавшие отцовскую фабрику, и размышлять над законами электричества и магнетизма. Этой черте — умению видеть все в форме физических картинок — суждено было стать одной из главных особенностей Эйнштейна как физика.

Когда Альберту было 15 лет, его образование пришлось прервать из-за очередного финансового кризиса в семье. Герман всегда был излишне великодушен и помогал тем, кто испытывал финансовые затруднения; он не был расчетливым, как большинство успешных бизнесменов (Альберт позже унаследовал от него это великодушие). Компания, не получив вожделенного контракта на освещение Мюнхена, обанкротилась. Богатая семья Паулины, жившая на тот момент в Италии, в Генуе, предложила свою помощь и финансовую поддержку при организации новой фирмы, но при одном условии. Они настаивали, чтобы Герман перевез свою семью в Италию (отчасти для того, чтобы сдерживать его излишне великодушные порывы). В итоге семья Эйнштейнов переехала в Милан, поближе к новой фабрике в Павии. Не желая вносить в образование сына еще большую неразбериху, Герман оставил Альберта в Мюнхене у каких-то дальних родственников.

Оставшись один, Альберт почувствовал себя несчастным. Школа-пансион, которую он ненавидел, показалась ему ловушкой, а впереди маячила пугающая служба в прусской армии. Учителя его не любили, и чувство это встречало с его стороны полную взаимность. Судя по всему, он был близок к исключению из школы. Поддавшись импульсу, Эйнштейн решил уехать к родным. Он уговорил семейного врача написать ему медицинское заключение, чтобы его отпустили из школы. Доктор написал, что, если юноша не воссоединится с родными, у него может случиться нервный срыв. После этого Альберт самостоятельно отправился в Италию и через некоторое время появился, совершенно неожиданно, у дверей родительского дома.

Герман и Паулина не знали, что делать с сыном, — ведь он не окончил школу, уклонялся от призыва на военную службу и ничего не умел, не имел ни профессии, ни будущего. Юноша вел долгие споры с отцом, который хотел, чтобы он приобрел какую-нибудь практическую профессию; сам же Альберт говорил, что предпочитает стать философом. Со временем отец и сын пришли к компромиссу, и Альберт объявил, что будет учиться в Швейцарии, в знаменитой Высшей технической школе Цюриха, несмотря на то, что был на тот момент на два года младше большинства из тех, кто сдавал вступительные экзамены. Серьезным преимуществом такого варианта было то, что в Политехникуме не нужен был документ об окончании средней школы, достаточно было получить проходной балл на сложном вступительном испытании.

К несчастью, Эйнштейн завалил вступительный экзамен. Он не сдал французский язык, химию и биологию, но так хорошо показал себя в математике и физике, что произвел впечатление на директора Высшей технической школы Альбина Герцога, который пообещал принять его в школу в следующем году без повторной сдачи экзамена. Глава физического отделения Генрих Вебер даже предложил разрешить Эйнштейну во время пребывания в Цюрихе посещать занятия по физике. Пока же Герцог посоветовал юноше поступить в выпускной класс средней школы в Арау, всего в получасе езды от Цюриха. Там Альберт поселился в качестве квартиранта в доме директора школы Йоста Винтелера, что положило начало многолетней дружбе между семьей Эйнштейна и Винтелерами. (Мало того, позже Майя вышла замуж за сына Винтелера Пауля, а друг Эйнштейна Микеле Бессо женился на его старшей дочери Анне.)