E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения мира

(сместитесь на 15 градусов на запад)

+

(на 20 градусов на юг)

=

(и вы найдете пассаты, которые за 35 дней донесут вас через Атлантику до нового континента)

А теперь я сообщу вам некую новость. Хорошее уравнение это не просто вычислительная формула. И не весы, показывающие, что два элемента, которые вы полагали почти равными, и вправду равны. Нет, ученые начали использовать знак = как некий телескоп, позволяющий усматривать новые идеи, устройство, привлекающее внимание к новым, неожиданным областям. Дело попросту в том, что уравнения писались символами, а не словами.

Именно так Эйнштейн и использовал «=» в его написанном в 1905 году уравнении. Викторианцы полагали, что им удалось обнаружить все возможные источники энергии: химическую, тепловую, магнитную и так далее. А в 1905-м Эйнштейн сказал: Нет, существует еще одно место, в которое вы не заглядывали, там ее куда больше. Его уравнение было подобно телескопу, наставленному на это укромное место, находившееся отнюдь не в далеком космосе. Оно находилось рядышком — под самым носом всех его профессоров.

Эйнштейн обнаружил источник энергии там, где никто его попросту не искал. Источник, скрытый в самом веществе.

Глава 4. m — это масса

В течение долгого времени с концепцией массы происходило примерно то же, что и с концепцией энергии до того, как Фарадей и иные ученые девятнадцатого столетия завершили свою работу. Людей окружало вещество самое разное — лед, камень, ржавое железо, — однако оставалось неясным, как они связаны друг с другом, если связаны вообще.

В наличие некой великой связи между ними ученым помогало верить то, что в 1600-е годы Исаак Ньютон сумел доказать: все планеты, луны и кометы, какие мы наблюдаем, можно описать как детали некоей созданной Богом огромной машины. Единственная проблема состояла в том, что это величественное видение представлялось далеко отстоящим от заурядного, пыльного и плотного вещества, с каким нам приходится иметь дело здесь, на Земле.

Для того, чтобы установить применимость начертанной Ньютоном великой картины к нашей грешной Земле, — то есть показать, что различные типы вещества, нас окружающего, воистину взаимосвязаны и весьма основательно, потребовался человек, обладавший приверженностью к дотошной точности, готовый тратить время на промеры даже крошечных изменений весов и размеров. К тому же, он должен был обладать романтичностью, достаточной для того, чтобы вдохновиться грандиозной картиной Ньютона, — иначе с чего бы он стал изыскивать лишь смутно подозреваемые связи между любыми видами материи?

Вот это странное сочетание — откупщик с душой, способной воспарять в небеса, — можно считать точным портретом Антуана Лорана Лавуазье. Именно он, и никто иной, был человеком, впервые показавшим, что все по-видимому различные куски дерева, камня и железа, какие только есть на земле — все обладатели «массы» — являются, на самом деле, частями единого целого.

Присущий ему романтизм Лавуазье продемонстрировал в 1771 году, когда спас тринадцатилетнюю дочь своего старого друга Жака Польза от вынужденного брака с неотесанным, угрюмым, но при этом устрашающе богатым человеком. Причина, по которой он знал Польза достаточно хорошо для того, чтобы прийти на помощь его дочери, Мари Анне, состояла в том, что Польза был его начальником. А спас он Мари Анну способом довольно простым — взял да и женился на ней сам.

Брак их оказался очень удачным, несмотря на разницу в возрасте и на то, что вскоре после того, как красивый двадцативосьмилетний Лавуазье спас Мари Анну, ему пришлось с головой уйти в ошеломительно скучную финансовую работу, которую он исполнял для Польза в организации, именовавшейся «Генеральным откупом».

Откупаться там ни от кого особенно не приходилось, организация эта занималась, почти монопольно, сбором налогов для правительства Людовика XVI. Суммы, которые откупщики собирали сверх требуемых правительством, они могли оставлять себе. Занятие это было исключительно прибыльным, но так же и исключительно безнравственным, в течение многих лет привлекавшим стариков, достаточно богатых, чтобы купить соответственную должность, но не способных к сколько-нибудь дотошному ведению учета или наведению организационного порядка. Работа Лавуазье как раз и состояла в том, чтобы поддерживать в рабочем состоянии эту огромную систему, в которой перемешивались, словно мутовкой, налоги.

Этим он и занимался в течение примерно двадцати следующих лет, понуро сгибаясь над письменным столом все долгие рабочие часы по шесть дней в неделю. Только в остававшееся свободным время — два часа поутру, а затем весь выходной, — и мог он предаваться научным занятиям. И этот единственный день недели он называл «jour de bonheur» — «днем счастья».

Не всякий, возможно, сможет понять, в чем это «счастье» состояло. Опыты, которые ставил Лавуазье, нередко напоминали обычную его бухгалтерскую работу, разве что времени отнимали гораздо больше. И тем не менее, настал момент, когда Антуан с неразумным восторгом, которым славятся юные любовники, сказал своей молодой жене, что она может помочь ему в постановке опыта, по-настоящему важного. Он собирался последить за медленно сгорающим или просто ржавеющим куском металла и выяснить, станет ли тот в итоге весить меньше или же больше.

(Прежде, чем двигаться дальше, читателю стоило бы попробовать догадаться, что произойдет с ржавеющей железкой — представьте себе старое крыло или низ вашего автомобиля, — сколько он будет весить, когда проржавеет -

а) меньше,

б) столько же,

в) больше,

— чем прежде? Запомните ваш ответ.)

Большинство людей, наверное, скажет — даже сегодня, — что весить она будет меньше. Однако Лавуазье, будучи сухим бухгалтером, ничего на веру не принимал. Он построил полностью герметичный аппарат и установил его в особой гостиной своего дома. Молодая жена помогала ему — в техническом черчении она была сильнее мужа да и в английском языке тоже. (Что впоследствии, когда началось соперничество с учеными, работавшими по другую сторону «Канала», и пригодилось.)

Они помещали в занимавший всю гостиную аппарат самые разные металлы, по возможности герметично закрывали его и нагревали, а то и разжигали под ним огонь, чтобы ускорить коррозию. А когда аппарат остывал, доставали из него повредившийся, или заржавевший, или обгоревший металл и взвешивали, аккуратно промеряя также количество истекшего — возможно — из аппарата воздуха.

Всякий раз результат у них получался один и тот же. В современных понятиях, они обнаружили, что проржавевший образчик металла не теряет веса. Он даже не сохраняет вес прежний. Он становится тяжелее.

Результат получился неожиданный. Приращение веса происходило не за счет пыли или чешуек металла, осыпавшегося с самого аппарата, — Лавуазье и его жена ставили свои опыты очень тщательно. В происходившем участвовал, скорее, воздух: то, чем мы дышим, состоящее из различных газов. Некоторые из них, надо полагать, оседали на металл и впитывались им. Это и объясняло обнаруженное Лавуазье прибавление веса.

Что происходило на самом деле? Общее количество вещества оставалось прежним, однако кислород, бывший одним из овевавших металл газов, покидал воздух. Но при этом он не исчезал. Он просто связывался металлом. Измерьте вес воздуха, и вы обнаружите, что он уменьшился. Измерьте вес металла и вы увидите, что он возрос — ровно на столько же, насколько убавился вес воздуха.

С помощью своего скрупулезно-дотошного механизма взвешивания Лавуазье показал, что материя может переходить из одной формы в другую, но при этом она и не исчезает, и не возникает. То было одним из важнейших открытий 17 столетия, стоявшим на одном уровне с пониманием энергии, на полвека позже достигнутым Фарадеем в подвале «Королевского института». И в этом случае все выглядело так, точно Бог, создавая вселенную, сказал: я собираюсь снабдить царство мое определенным количеством массы, я позволю звездам расти и взрываться, я позволю горам зарождаться, и сталкиваться, и изнашиваться под воздействием ветра и льда, я позволю металлам ржаветь и рассыпаться. И все-таки, полное количество массы в моей вселенной никогда не изменится и на миллионную долю грамма, никогда, даже если вы прождете целую вечность. Если вы взвесите город, а после его разрушат осаждающие, и дома его сгорят в пожаре, и если затем вы соберете весь дым, и пепел, и обломки бастионов, и уцелевшие кирпичи и взвесите это, изменений начального веса не будет. Ничто не исчезнет по-настоящему, даже вес мельчайшей пылинки.

Заявление о том, что все физические объекты обладают свойством, которое именуется «массой» и непосредственно воздействует на характер их движения, произвело сильное впечатление, хоть Ньютон и говорил о том же еще под конец 1600-х. Однако собрать достаточное количество детальных данных, позволяющих точно показать, как могут комбинироваться и разделяться частицы этих объектов? Именно этот следующий шаг и сделал теперь Лавуазье.

Всякий раз, как ученые Франции совершали открытия подобного уровня, правительство приближало их к себе. Случилось это и с Лавуазье. Можно ли использовать кислород, природу которого он помог прояснить, для построения более производительных доменных печей? Лавуазье был членом Академии наук и теперь получил средства, которые позволяли выяснить это. Можно ли использовать водород, который он посредством тщательных измерений выделил из воздуха, для поддержки флотилии воздушных шаров, способной оспорить превосходство Британии в воздушном пространстве? Лавуазье получил субсидии и контракты и на это.

В любое другое время все это гарантировало бы супругам Лавуазье безбедную жизнь. Однако полученные им субсидии, почести и награды исходили от короля Людовика XVI, а уже через несколько лет Людовику предстояло погибнуть вместе с женой, многими его министрами и богатыми приверженцами.

Лавуазье мог бы и избежать участи прочих жертв. Наиболее беспощадный период Революции продлился всего несколько месяцев, и многие из ближайших приспешников Людовика просто пересидели его в тишине и покое. Однако Лавуазье не способен был отказаться от пристрастия к точным измерениям. Оно составляло часть его бухгалтерской натуры и суть совершенных им научных открытий.

Оно же его и сгубило.

Первая из совершенных им ошибок выглядела достаточно безобидно. Членов Академии наук вечно донимали люди, к числу их не принадлежавшие, и еще задолго до Революции один из таких людей, родившийся в Швейцарии доктор, настоял на том, что один лишь прославленный Лавуазье и наделен мудростью и познаниями, которые позволят ему здраво судить об изобретении доктора. Придуманное доктором устройство было чем-то вроде раннего инфраскопа и позволяло регистрировать колебания тепловых волн, которые поднимались над пламенем свечи, над пушечным ядром, а в одном памятном случае, представившемся доктору, когда он сумел заманить в свои покои посланца Америки, и над макушкой лысого Бенджамина Франклина. Так вот, Лавуазье и Академия изобретение это отвергли. По сведениям Лавуазье структура тепловых волн, которую выявлял доктор, не допускала точного измерения, а для Лавуазье неточность была анафемой. И этого многообещающий швейцарец — доктор Жан-Поль Марат — не забыл ему никогда.

Следующая ошибка была еще теснее связана с одержимостью Лавуазье точными измерениями. Людовик XVI помогал Америке средствами, необходимыми для ведения революционной войны с Британией, а центральной фигурой, способствовавшей поддержанию этого альянса, был все тот же Бенджамин Франклин. Однако рынка облигаций в ту пору не существовало, и Людовик обратился за деньгами к «Генеральному откупу». Но налоги и без того уже были высоки. Откуда же было «Генеральному откупу» взять новые деньги?

В каждый переживавшийся Францией период некомпетентного правления, — а преемники, появившиеся у Людовика в 1930-х, давали ему сто очков вперед, — почти всегда находилась небольшая группа технократов, решавшая, что, поскольку никто из официальных властей никакой ответственности брать на себя не желает, этим придется заняться им, технократам. Вот и у Лавуазье появилась идея. Вспомните об измерительном аппарате, стоявшем некогда в его гостиной, — том, с помощью которого он и Мари Анна смогли точно отслеживать все прибыли и убыли вещества. Почему бы не расширить его — все пуще и пуще, — пока он не охватит весь Париж? Если удастся отслеживать прибыли и расходы города, сообразил Лавуазье, можно будет обложить их налогом.

Когда-то Париж окружала самая настоящая стена, однако построили ее еще в средние века и для целей налогообложения она давно уже стала бесполезной. Заставы ее разваливались, а некоторые участки стены и вовсе обрушились, отчего контрабандисты просто-напросто переступали через нее без особых трудов.

Лавуазье решил построить новую стену, крепкую, позволявшую останавливать, обыскивать и принуждать к уплатите налога всякого, кто въезжает в Париж или выезжает из него. Обошлась она — по нынешним расценкам — в несколько сот миллионов долларов и стала Берлинской стеной своего времени. В два метра высотой, основательной каменной кладки, с дюжиной крепких застав и шедшей вдоль нее патрульной дорогой, по которой разъезжала вооруженная конная охрана.

Парижане эту стену попросту ненавидели и, когда началась Революция, она стала первым крупным сооружением, на которое они набросились — за два дня до штурма Бастилии: парижане крушили ее топорами, огнем и голыми руками и почти сравняли с землей. Главный же виновник был известен всем; как говорилось в антиправительственной прокламации: «Каждый подтвердит, что мсье Лавуазье из Академии наук это и есть тот “добрый патриот”, которому мы обязаны… изобретением, обратившим французскую столицу в тюрьму…».

Впрочем, он мог пережить и это. Страсти толпы недолговечны, а Лавуазье поспешил показать, что стоит на ее стороне. Ведь это он управлял пороховыми заводами, осуществлявшими снабжение Революционной армии; он постарался убедить Академию наук дать доказательство ее нового, реформистского настроения, избавившись от роскошных гобеленов, которые украшали отведенные ей в Лувре покои. И казалось, что все ему удалось, — пока не появился человек из его прошлого, ничего прощать не склонный.

К 1793 году Жан-Поль Марат стал главой ведущей фракции Национальной Ассамблеи. Отказ, полученный от Лавуазье, заставил его пережить годы нищеты: кожа Марата иссохла от незалеченной вовремя болезни, подбородок был небрит, волосы запущены. Лавуазье же, напротив, был все еще хорош собой — и кожа у него была гладкая, и тело крепкое.

Марат не стал убивать его сразу. Вместо этого он постарался, чтобы гражданам Парижа постоянно напоминали о стене, этом живом, масштабном, суммарном символе всего, что было ненавистно Марату в высокомерной Академии. Он был великолепным оратором — подобным Дантону и, в недавней истории, Пьеру Мендес-Франсу, — одним из лучших среди рожденных Францией («Я — гнев, чистый гнев народа и потому он слушает меня и верит мне»). Единственным проявлением владевшей им нервозности, почти не замечаемым слушателями, которые видели лишь его самоуверенную позу — правая рука упирается в бедро, левая небрежно выброшена вперед и лежит на столе перед ним, — было легкое постукивание одной ступни об пол. Обвиняя Лавуазье, Марат обратился в воплощение того самого принципа, который Лавуазье же и продемонстрировал. Ибо, разве не верно то, что все пребывает в равновесии? Если вы уничтожаете, как вам представляется, нечто в одном месте, оно, на самом-то деле, не уничтожается. Оно просто возникает где-то еще.

В ноябре 1793 года Лавуазье дали знать, что его ожидает арест. Он попытался укрыться в заброшенной части Лувра, бродил там по пустым кабинетам Академии, однако спустя четыре дня сдался и отправился — вместе с отцом Мари Анны — в тюрьму Порт-Либр.

Выглядывая в окно тюрьмы («Наш адрес: коридор первого этажа, номер 23, камера в самом конце»), он мог видеть огромный классический купол Обсерватории, архитектурного памятника более чем столетней давности, ныне закрытого по приказу революционеров. И, по крайней мере, ночами, когда стража приказывала задуть в камере Лавуазье свечи, над этим куполом различались звезды.

Его переводили из одной тюрьмы в другую, окончательный суд состоялся 8 мая. Несколько подсудимых просили дать им слово, однако судья лишь смеялся над ними. В зале суда стоял на полке, глядя на обвиняемых сверху вниз, бюст Марата. После полудня двадцать восемь прежних миллионеров из «Генерального откупа» отвезли на место, которое называется ныне площадью Согласия. Руки их были связаны за спинами. К помосту, на котором возвышалось орудие доктора Гильотена, вела крутая лесенка. Большинство осужденных вело себя спокойно, хотя одного старика «взвели на эшафот в состоянии самом плачевном». Польза был казнен третьим, Лавуазье четвертым. Одно обезглавливание отделялось от другого примерно минутой, уходившей не на то, чтобы очистить лезвие гильотины, но на уборку уже безголового трупа.

Труды Лавуазье дали возможность сформулировать закон сохранения массы. Лавуазье сыграл центральную роль в демонстрации того обстоятельства, что нас окружает огромный, взаимосвязанный мир физических объектов. Субстанции, которые заполняют нашу вселенную, можно сжигать, сдавливать, резать на лоскуты и разбивать молотком в мелкие дребезги, однако они не исчезают. Разные их виды, окружающие нас, просто комбинируются или рекомбинируются. Но при этом полное количество массы остается все тем же самым. И это в совершенстве отвечало тому, что позже обнаружил Фарадей: аналогичному преобразованию энергии. Точное взвешивание и химический анализ Лавуазье позволили ученым начать отслеживать, как эти преобразования совершаются на практике, — примерно в той же манере, в какой он выяснил, каким образом молекулы кислорода выпадают из воздуха и оседают в железе. Само дыхание — процесс во многом схожий, оно представляет собой механизм переноса кислорода из внешней среды внутрь тела.

К середине 1800-х ученые приняли представления об энергии и массе как о двух отдельных накрытых куполами городах. Один был образован из огня, соединяющих батареи потрескивающих проводов и вспышек света — и представлял собой царство энергии. Другой состоял из деревьев, скал, людей, планет и был царством массы.

Каждое из них выглядело чудесным, волшебно уравновешенным миром; каждое непостижимым образом гарантировал, что полное количество того, из чего он состоит, останется неизменным, даже при том, что формы, в коих являло себя его содержимое, варьировались почти безгранично. Если вы пытались избавиться в любом из царств от чего-то, ему на смену неизменно являлось — в этом же царстве — что-то другое.

Но при этом все считали, что два царства никак не связаны. Не было ни туннелей, ни проломов в замкнутых куполах, позволявших связать одно царство с другим. Именно этому и учили Эйнштейна в 1890-х: энергия и масса суть вещи разные, никакого отношения одна к другой не имеющие.

Впоследствии Эйнштейн показал, что учителя его ошибались, однако показал не так, как можно было бы ожидать. Принято думать, что наука строится постепенно, на основе того, что уже известно. Повозился человек с телеграфом и получил телефон; изобрел другой человек аэроплан с пропеллером, его изучили как следует, и построили самолеты более совершенные. Однако в случае по-настоящему глубоких проблем такой пошаговый подход не работает. Эйнштейн установил, что между двумя царствами существует связь, однако сделал это без изучения экспериментов, в которых взвешивалась масса и выяснялось, что какая-то малая часть подевалась невесть куда — может, удрала, чтобы обратиться в энергию. Вместо этого он пошел путем, казавшимся несусветно окольным. Он, вроде бы, просто махнул рукой и на энергию, и на массу, и сосредоточился на том, что было по всей видимости никак с ними не связано.

Он начал присматриваться к скорости света.

Глава 5. с — это celeritas

«с» отличается от того, что мы рассматривали до этой минуты. «Е» это огромная область энергии. «m» — материальная начинка вселенной. А «с» — всего лишь скорость света.

Эта непритязательная, использованная для ее поименования буква обязана, по-видимому, своим происхождением периоду, предшествовавшему середине 1600-х, времени, когда Италия была центром мировой науки, а латынь — ее, науки, языком. Латинское слово «celeritas» означало попросту быстроту, проворство.

Настоящая глава посвящена рассмотрению того, почему «с» стала играть столь важную роль в формуле Е=mc2, того, как именно эта скорость, выбор которой может показаться произвольным, оказалась способной управлять связью между всей массой и всей энергией, какая только есть во вселенной.

Долгое время даже измерение скорости света считалось делом невозможным. Почти все были убеждены, что свет распространяется с бесконечной скоростью. А если так, никакое использование скорости его распространения в имеющих практическое применение уравнениях было невозможным. Прежде чем ее удалось хоть как-то использовать, прежде чем Эйнштейн смог додуматься до возможности использования «с», кто-то должен был установить, что свет распространяется с конечной скоростью, а сделать это было отнюдь не легко.

Первым человеком, ясно понявшим, как можно измерить скорость света, был Галилей — это произошло задолго до того, как его, престарелого и почти ослепшего, определили под домашний арест. Впрочем, ко времени, в которое он опубликовал свои соображения на этот счет, Галилей был уже слишком стар, чтобы ставить опыты самостоятельно, да к тому же и у Инквизиции имелся строжайший приказ следить за каждым его шагом. А это создавало для него и его друзей помехи далеко не малые. Когда через несколько лет после кончины Галилея, члены Флорентийской академии получили, наконец, возможность ознакомиться с его трудами, им дали понять, что они могут поставить придуманный Галилеем опыт.

Сама идея опыта была проста, как и все, что делал Галилей. Двум добровольцам с фонарями надлежало встать летним вечером на холмах в миле друг от друга. Они должны были открывать один за другим заслонки своих фонарей и измерять время, которое понадобится свету, чтобы пересечь разделявшую их долину.

Задуман опыт был вовсе не плохо, однако техника того времени была слишком скудна, чтобы с ее помощью удалось получить сколько-нибудь однозначные результаты. Галилей и при постановке других своих опытов понимал, что экспериментаторам надлежит дышать размеренно, поскольку для измерения коротких промежутков времени они использовали биения собственных пульсов. Однако в тот вечер добровольцы, расположившиеся, скорее всего, где-то в холмах под Флоренцией, обнаружили, что свет распространяется слишком быстро. Они наблюдали лишь мгновенно, как им казалось, следовавшие одна за другой вспышки. Опыт можно было счесть не удавшимся, многие увидели в его результате лишь очередное доказательство того, что свет распространяется с бесконечной скоростью. Однако флорентийцы не вывели из этого, что Галилея ошибся. Нет, Академия пришла к заключению, что следует дождаться будущих времен, когда найдется человек, который сумеет измерить скорость распространения столь быстрых импульсов света.

В 1670 году, через несколько десятилетий после случившейся в 1642 году кончины Галилея, в Париж приехал, чтобы занять пост директора только что созданной Парижской обсерватории Жан Доминик Кассини. Ему надлежало присматривать за возведением множества новых зданий обсерватории и его нередко видели на улицах, занимающимся именно этим — неподалеку от тени, отбрасываемой тюрьмой Порт-Либр, той самой, в которой в следующем веке Лавуазье предстояло дожидаться казни, — однако самая важная задача Кассини состояла в том, чтобы вдохнуть жизнь в науку Франции. Имелись у него и личные причины добиваться того, чтобы его новое учреждение преуспело, поскольку звали его, на самом-то деле, не Жаном Домиником, а Джованни-Доменико. И был он не французом, но итальянцем, недавно прибывшим в Париж со своей родины, и хоть король стоял на его стороне, а средства, необходимые для работы, были ему гарантированы, кто мог знать, как долго все это продлится?

Кассини направил своих посланцев в легендарную обсерваторию Уранибург, размешавшуюся на острове, который находится в Датском проливе, невдалеке от замка Эльсинор. Цель их состояла в точном определении координат Уранибурга, что помогло бы навигаторам правильно промерять расстояния, а кроме того, этим людям было получено поискать и завербовать искусных исследователей, работавших в других обсерваториях. Основатель обсерватории Уранибург Тихо Браге проводил некогда наблюдения, на которых основывали свои труды Кеплер и даже Ньютон. Браге создал обсерваторию невообразимо роскошную — центральный замок ее окружали парки с экзотическими деревьями, искусственными каналами и рыбными садками, все это было оборудовано системой внутренней связи, смахивающей на теперешний интерком, и вращавшимися автоматами, повергавшими в ужас местных крестьян, — ходили даже слухи о том, что в обсерватории установлены туалеты с автоматическими сливными бачками.

Правая рука Кассини, Жан Пикар, добрался до Уранибурга в 1671 году, приплыв туда по мглистым водам из Копенгагена. Сказочная эта твердыня поначалу восхитила его, а затем разочаровала, поскольку он обнаружил, что она — всего лишь руина былого величия. Основатель обсерватории был личностью по-настоящему сильной и, когда он умер, заменить его оказалось некем. При появлении здесь Пикара, все в обсерватории пребывало в состоянии разрухи — рыбные садки затянула ряска, астрономические инструменты и звездный глобус давным-давно украли, от главного здания осталось лишь несколько камней, из которых состоял некогда его фундамент.

Тем не менее, Пикар произвел измерения, а возвращаясь в Париж, прихватил с собой одаренного датчанина двадцати одного года — Оле Ремера. Другие, оказавшись на месте Ремера, возможно, стали бы заискивать перед великим Кассини, ибо тот был признанным мировым авторитетом во всем, что касалось планеты Юпитер и в особенности орбит, по которым вращались вокруг Юпитера его спутники. Однако, хоть мы и считаем сейчас Данию страной довольно маленькой, в то время она правила империей, в состав которой входила изрядная часть северной Европы, и Ремер был человеком самоуверенным и гордым в мере достаточной для того, чтобы попытаться создать себе имя.

Трудно поверить в то, что Кассини так уж обрадовало появление этого выскочки. На то, чтобы обратиться из Джованни-Доменико в Жана Доминико, у него ушло изрядное время. Он провел множество наблюдений за спутниками Юпитера и намеревался использовать их результаты для поддержания своей мировой известности. А что если Ремер воспользуется его открытиями и попробует, опираясь на них, доказать, что выводы, которые сделал из них Кассини, решительно не верны?

Причину, по которой это было возможным, составляла проблема, связанная с самым близким к Юпитеру спутником, называемым Ио. Предполагалось, что период его обращения составлял 42½ часа, однако Ио никак не желал честно придерживаться установленного для него расписания. Иногда он двигался немного быстрее, иногда немного медленнее. И сколько-нибудь понятный порядок в его поведении отсутствовал.

В чем тут было дело? Решить эту проблему, настаивал Кассини, можно, лишь проведя новые измерения и расчеты. Связанное с ними напряжение сил способно было вконец вымотать директора обсерватории и, разумеется, оно требовало увеличения числа ее сотрудников и оборудования, выделяемых ей средств, а к тому же, могло повлечь за собой повышенное и малоприятное внимание публики, однако при необходимости первого можно было добиться, а со вторым смириться. Что же касается Ремера, то ему представлялись необходимыми не сложные измерения, с которыми способны справиться лишь опытные, пожилые администраторы. Нет, для решения проблемы Ио требовались блестящий ум и вдохновение, и именно это он, молодой и новый здесь человек, способен был предоставить в распоряжение обсерватории.

Что, собственно, Ремер и сделал. Все — в том числе и Кассини, считали, что проблема связана с тем, как движется Ио. Возможно, орбита его неустойчива; возможно, окружающие Юпитер облака и иные помехи в разное время затмевают Ио по-разному. Ремер же подошел к проблеме с другого конца. Кассини провел наблюдения Ио и наблюдения его показали, что в орбите этого спутника Юпитера присутствует некая неправильность. Но зачем же предполагать, что неправильность эта возникает так далеко от нас, рядом с Юпитером? Вопрос, считал Ремер состоит не в том, как движется Ио.

Он состоит в том, как движется Земля.

Кассини полагал последнее несущественным. Разумеется, он мог когда-то размышлять о неких иных возможностях, как размышляли о них почти все прочие астрономы, однако при этом был убежден, что свет распространяется мгновенно. Это же и дураку понятно. Разве опыт, придуманный самим Галилеем, не показал, что свидетельства противоположного отсутствуют?

Эти доводы Ремер оставил без внимания. Предположим — только предположим, — что свету все же требуется некоторое время, чтобы пройти огромное расстояние, отделяющее Землю от Юпитера. Что это может означать? Ремер представил себе, как он стоит над солнечной системой, ожидая, когда Ио впервые засветится, выйдя из-за Юпитера, и свет его понесется к Земле. Летом, к примеру, когда Земля находится относительно близко к Юпитеру, путь, проходимый светом, будет короче, и на Земле Ио увидят несколько раньше. А вот зимой Земля уйдет на другую сторону солнечной системы. И времени, чтобы достичь ее, световому сигналу потребуется больше.

Ремер просмотрел накопившиеся за многие годы результаты наблюдений Кассини и к концу лета 1676 года у него уже имелось решение: не просто интуитивные представления, но точное число добавочных минут, которые требуются свету, чтобы пройти добавочное расстояние, возникающее, когда Земля удаляется от Юпитера.

Что мог он сделать с этой находкой? По протоколу Ремеру следовало позволить Кассини представить ее как результат собственных трудов — ну и скромно покивать, когда директор обсерватории сделает, докладывая о них, паузу, дабы отметить, что он не смог бы осуществить их без помощи вот этого молодого человека, дальнейшая карьера которого заслуживает пристального внимания.

Ремер этим путем не пошел. В августе он через посредство почтенного журнала, который читали все серьезные астрономы, бросил Кассини вызов. Астрономия наука точная и даже инструменты семнадцатого столетия были достаточно хороши, чтобы установить: Ио должен выйти из-за Юпитера под вечер 9 ноября текущего года. Из рассуждений Кассини следовало, что спутник можно будет увидеть в 5.27 пополудни. Предсказание это было получено экстраполяцией времени, в которое Ио был ясно виден в последний раз, что как раз в августе и случилось.

Ремер заявил, что предсказание Кассини ошибочно. В августе, объяснил он, Земля находилась к Юпитеру ближе, чем будет находиться в ноябре. В 5.27 Ио никто не увидит — свет, сколь бы быстро он ни распространялся, все еще будет находиться в пути, поскольку ему придется пройти большее, нежели в августе, расстояние. Ни к 5.30, ни даже к 5.35 он все еще не успеет пересечь солнечную систему. 9 ноября спутник станет виден лишь в 5.37.

Порадовать астрономов можно разными способами. Открытие суперновой, к примеру, вещь хорошая, продление правительственного субсидирования — тоже, получение пожизненной должности и того лучше. Однако яростная свара двух выдающихся коллег? Это источник просто-напросто райского наслаждения. Ремер бросил свой вызов отчасти из гордости, но отчасти и потому, что знал: как политик, Кассини значительно превосходит его. Ремер мог добиться признания своих заслуг, только сделав предсказание настолько внятное и недвусмысленное, что Кассини и его приспешникам не удастся, когда станет ясной их неправота, отвертеться от этого факта.

Предсказание было обнародовано в августе. 9 ноября обсерватории Франции да и всей Европы нацелили телескопы на Юпитер. Часы показали 5.27 пополудни. Ио видно не было.

5.30 — Ио все еще нет как нет.

5.35.

А затем спутник появился — если быть точным, в 5 часов, 37 минут и 49 секунд.

И Кассини заявил, что ошибка его отнюдь не доказана! (Изображать свои оплошности, как достижения люди научились задолго до эпохи телевидения.) У Кассини имелось множество сторонников, — и они, как то и положено, приняли его сторону. Кто и когда говорил, что Ио ожидается в 5.25? Один только Ремер, заявили сторонники. А кроме того, всем же известно, что указать точное время появления Ио не удавалось никогда. Расстояние до него огромное, толком разглядеть его трудно, — возможно, потому, что облака, плавающие в верхних слоях атмосферы Юпитера создают дымку, которая искажает точную картину, а возможно, по той причине, что сколько-нибудь определенные наблюдения затруднены большим углом наклона его орбиты. Сказать трудно.

В обычных рассказах из истории науки предполагается, что такого просто не может быть. Ремер поставил безупречный опыт, сделал ясное предсказание, и тем не менее, астрономы Европы не пожелали признать, что свет распространяется с конечной скоростью. Сторонники Кассини победили, официальная точка зрения, согласно которой скорость света есть величина загадочная, неизмеримая и никакого воздействия на астрономические измерения не оказывает, устояла.

Ремер сдался, вернулся в Данию и провел там многие годы на посту директора копенгагенского порта. Новые эксперименты, убедившие астрономов в его правоте, были поставлены лишь пятьдесят лет спустя — после того, как миновали два поколения, а Жан Доминик Кассини скончался. Полученное в них значение скорости света было близким к лучшим из современных его оценок, дающих примерно 300000000 м/сек. (На самом деле, скорость света несколько меньше, однако для удобства мы будем использовать на протяжении всей этой книги значение округленное — 300 миллионов метров в секунду.)

Чтобы продемонстрировать, насколько велика эта скорость, довольно сказать, что, развив ее, вы можете добраться от Лондона до Лос-Анджелеса за 1/20 секунды. Это и объясняет, почему в эксперименте Галилея не удалось установить время, за которое свет пересекает долину под Флоренцией, — слишком мало было расстояние.

А вот еще одно сравнение: Мах 1 это скорость звука, составляющая около 300 м/с. Реактивный «Боинг 747» развивает скорость немного меньшую, чем Мах 1. Космический шаттл может набирать после первого включения двигателей больше Мах 20. Астероид или комета, которая пробила океанское дно и погубила динозавров, имела в момент столкновения скорость, равную Мах 70.

«с» равна Мах 900000.

Столь огромная скорость приводит к возникновению множества любопытных эффектов. Если человек, сидящий ресторане за несколько столиков от вас, ссорится с кем-то по телефону, вам кажется, что вы слышите произносимые им слова в тот самый миг, в какой они срываются с его губ. Однако звук распространяется в воздухе всего лишь с малой скоростью, равной Мах 1, тогда как радиосигналы, которые генерирует сотовый телефон, летят со скоростью света. Женщина, с которой разговаривает этот человек, — даже если она находится в сотнях километров от вас, — услышит его слова до того, как они проковыляют по воздуху несколько метров и доберутся до ваших ушей.

Чтобы понять, почему Эйнштейн включил в свое уравнение именно скорость света, нам необходимо повнимательнее приглядеться к внутренним свойствам самого света. Мы оставляем позади эпоху Кассини и Ремера и перебираемся в конец 1850-х, в период, предшествующий Гражданской войне в Америке, — в то время, когда пожилой уже Майкл Фарадей вступил в переписку с Джеймсом Клерком Максвеллом, худощавым шотландцем, которому не исполнилось еще и тридцати лет.

Для Фарадея эта пора была трудной. Память его слабела, нередко ему приходилось начинать день с чтения пространных записей, посвященных тому, что он должен сделать сегодня. Хуже того, Фарадей сознавал, что великие физики мира, почти каждый из которых закончил элитарный университет, так и продолжают смотреть на него сверху вниз. Они принимали его практические лабораторные открытия, но и не более того. Для среднего физика электричество, протекающее по проводнику, мало чем отличалось от текущей по трубе воды: все считали, что после того, как была разработана, наконец, математика, лежащая в основе этого процесса, он перестал отличаться от того, что описывали Ньютон и множество его владеющих математическими методами последователей.

Фарадей, между тем, продолжал размышлять о странных кругах и линиях, исходя из воспринятых им в юности религиозных представлений. Пространство, окружающее любое проявление электромагнетизма, считал он, пронизано загадочным «полем», порождающим то, что интерпретируется нами как электрический ток и его подобия. Фарадей настаивал на том, что временами эту сущность можно едва ли не увидеть, — к примеру, в узорах, которые образуют насыпанные вокруг электромагнита металлические опилки. Однако никто Фарадея не слушал — за недавно появившимся исключением: молодым шотландцем по фамилии Максвелл.

На первый взгляд, эти двое были людьми совершенно разными. За годы исследований у Фарадея накопилось 3000 датированных сжатых заметок, посвященных его опытам, которые начинались каждый день в ранние утренние часы. О Максвелле же рассказывают следующее: когда его уведомили, что каждый студент Кембриджского университета обязан являться на церковную службу, начинавшуюся в 6 утра, он, вздохнув, сказал: «Да, наверное, я смогу не ложиться спать до столь позднего часа». Кроме того, Максвелл был лучшим, вероятно, математиком из всех теоретических физиков девятнадцатого столетия, а Фарадей с трудом справлялся с любыми математическими выкладками, выходившими за пределы обычного сложения и вычитания.

Однако на уровне более глубоком они обладали немалым сходством. Несмотря на то, что Максвелл вырос в большом баронском поместье, находившемся в сельской местности северной Шотландии, родовым именем его было до недавнего времени самое заурядное «Клерк» и только наследство родственника с материнской стороны позволило его семье присоединить к этому имени отдающее гораздо большим благородством «Максвелл». Когда юного Джеймса отправили на учебу в одну из закрытых школ Эдинбурга, другие ее ученики, те, что были покрепче и кичились своим городским происхождением, измывались над ним — неделю за неделей и год за годом. Джеймс никогда не выражал по этому поводу никаких гневных чувств — он лишь однажды спокойно заметил: «Они никогда не понимали меня, зато я их понимал». В душе Фарадея также сохранились раны, нанесенные ей в 1820-х сэром Гемфри Дэви, а закончив день блестящей по ораторскому мастерству публичной лекцией в «Королевском институте», он неизменно погружался в тихое, созерцательное одиночество.

Пока молодой шотландец и пожилой обитатель Лондона переписывались — и позже, когда они, наконец, встретились, — им удалось установить отношения, которые ни того, ни другого почти ни с кем больше не связывали. И дело тут было не только в сходстве их личностей — Максвелл оказался математиком настолько великим, что ему удалось проникнуть взглядом под внешнюю простоту неуклюжих рисунков Фарадея. Детская их неловкость, над которой посмеивались ученые менее одаренные, Максвелла не остановила. («Продолжая исследования Фарадея, я проникался его методом… который также был математическим, хоть и не получил выражения в общепринятых математических символах».) Максвелл отнесся к сделанным Фарадеем грубым наброскам силовых линий со всей серьезностью. И он, и Фарадей были людьми глубоко религиозными, оба видели в этих рисунках возможное проявление имманентного присутствия Бога в нашем мире.

Еще в 1821 году да и во многих последующих его исследованиях Фарадей показывал пути, которыми электричество может обращаться в магнетизм — и наоборот. В конце 1850-х Максвелл развил эту идею, впервые полностью объяснив то, чего так никогда и не поняли ни Ремер, ни Галилей.

Максвелл сумел понять: то, что происходит внутри светового луча, есть разновидность возвратно-поступательного движения. Когда луч света отправляется в путь, можно говорить о том, что в нем порождается некоторое количество электричества, которое, распространяясь, создает некоторое количество магнетизма, а оно, опять-таки распространяясь, порождает новый всплеск электричества — и так далее, словно развертывается некий плетеный кнут. Электричество и магнетизм как будто совершают крошечные стремительные скачки, перекувыркиваясь друг через друга, пребывая, по словам Максвелла, «во взаимных объятиях». Свет, который Ремер видел несущимся через солнечную систему, а Максвелл — ударяющим в каменные башни Кембриджа, представляет собой просто последовательность таких вот быстрых, напоминающих чехарду прыжков.

То был высший взлет науки девятнадцатого столетия — уравнения Максвелла, содержавшие резюме его проникновения в сущность электромагнетизма, стали одним из величайших теоретических достижений всех времен. И все же, сам Максвелл всегда оставался не вполне довольным тем, что он создал. Потому что — как, собственно говоря, переплетаются в волне света эти странные, отдающие чехардой скачки? Этого Максвелл не знал. Как не знал и Фарадей. Никто не мог объяснить это явление раз и навсегда.

Гениальность Эйнштейна состояла в том, что он сумел повнимательнее приглядеться к играющим в чехарду волнам света — даже при том, что делать это ему пришлось практически в одиночку. Впрочем, уверенности в своих силах ему было не занимать: проведенная им в Аарау окончательная подготовка к учебе в высшей школе дала блестящие результаты, к тому же и воспитание, полученное Эйнштейном в семье, подталкивало его к тому, чтобы с сомнением относиться к любому авторитету. К 1890-м, студенческим годам Эйнштейна, уравнения Максвелла уже преподносились в качестве общепринятой истины. Однако ведущий профессор Высшей технической школы Цюриха, в которой учился Эйнштейн, к теоретической физике относился пренебрежительно и теорию Максвелла преподавать своим студентам попросту отказывался. (Именно негодование, порожденное этим обстоятельством в Эйнштейне, и привело к тому, что он с издевкой именовал профессора «герром Вебером», а не «герром профессором Вебером», как то было положено, — непочтительность, за которую Вебер отомстил, отказавшись выдать Эйнштейну надлежащее рекомендательное письмо, что привело к нескольким годам его изоляции в патентном бюро.)

Когда Эйнштейн прогуливал занятия, отправляясь вместо школы в кофейню, он нередко прихватывал с собой работы Максвелла. Так начинались его исследования, посвященные открытому Максвеллом удивительному поведению световых волн. Если свет, размышлял Эйнштейн, представляет собой такую же волну, как и все прочие, то, наверное, можно, устремившись следом за ним, его нагнать.

Проиллюстрировать эту проблему можно примером из сёрфинга. Когда вы только оказываетесь в воде и стараетесь, чтобы никто на берегу не заметил, до чего вы перепуганы, волны просто прокатываются мимо вас. Однако, стоит вам заставить себя встать на доску, и вы начинаете скользить с ней к берегу, а несущая вас волна представляется вам неподвижно стоящей под вами и вокруг вас. Если же вы достаточно храбры — или безрассудны — для того, чтобы проделать подобный фокус в огромных приливных волнах Гавайев, вся свертывающаяся в трубу волна кажется вам просто покоящейся за вашей спиной, над головой и повсюду вокруг вас.

Полное понимание проблемы пришло к Эйнштейну лишь в 1905 году. Световые волны отличаются от всех прочих. Водяная волна, которую оседлывает серфер, может казаться ему неподвижной, поскольку все ее составляющие занимают относительно друг друга устойчивое положение. Именно поэтому вы можете, стоя на доске, оглянуться и увидеть нависшую над вами пелену воды. А вот свет ведет себя иначе. Световая волна поддерживает себя в состоянии движения только благодаря тому, что одна ее составляющая, двигаясь вперед, подпитывает своей энергией другую. (Электрическая составляющая, устремляясь вперед, «выдавливает» из себя магнитную, затем магнитная составляющая расходует энергию на создание нового «всплеска» электрической, после чего весь цикл повторяется.) Если вам начинает казаться, что вы развили скорость, достаточную для того, чтобы удерживаться вровень со световым потоком, приглядитесь повнимательнее и вы увидите: та составляющая, которую вы, по вашему мнению, того и гляди нагоните, питает своей энергией другую, все еще уносящуюся от вас.