Помоги проекту - поделись книгой:
В тех случаях, когда на звезду действует гравитация планеты, максимальная скорость колебания составляет несколько метров в секунду для планет размером с Юпитер и всего десяток сантиметров в секунду для небесных тел, схожих по размерам с Землёй. Иными словами, шар раскалённого газа, зачастую имеющий в диаметре более миллиона километров, перемещается в нашем направлении со скоростью бегущего человека, а от нас — со скоростью черепахи. Это кажется невероятной технической задачей, но астрономы могут измерять такие скорости, используя высокочувствительные спектрографы. Именно так мы узнаём о существовании невидимых планет.[94] Только в середине 1990-х их было открыто более 2000, а прямо сейчас учёные занимаются поисками второй Земли.[95]
Самый яркий пример того, как с помощью закона всемирного тяготения Ньютона мы можем увидеть невидимое, относится не к звёздам и планетам, а к более крупным объектам во Вселенной. В конце XX века учёные, к своему изумлению, обнаружили, что звёзды и галактики, которые раньше считались основными компонентами космоса, составляют лишь малую его часть. Оказалось, что во Вселенной есть гораздо больше объектов, чем мы могли вообразить, и что значительная их часть скрыта от человеческого взора.
Невидимая Вселенная
В конце 1960-х – начале 1970-х годов астрономы Вера Рубин и Кент Форд из отдела земного магнетизма в Институте Карнеги в Вашингтоне занимались изучением спиральных галактик. Эти звёздные водовороты составляют примерно 15% от всех галактик, и к этому типу относится наш Млечный Путь. Рубин и Форд хотели выяснить, с какой скоростью звёзды в спиральных галактиках вращаются относительно их центра.
Они выбрали для изучения те галактики, которые повёрнуты к Земле ребром, потому что в них звёзды перемещаются вдоль линии прямой видимости. Использовав сверхчувствительный спектрограф, они сумели измерить скорость звёзд с непревзойдённой точностью.
Чем дальше от центра галактики, тем меньше должно быть значение силы притяжения. Соответственно, Рубин и Форд ожидали, что звёзды на границе спирали будут вращаться медленнее, как планеты в Солнечной системе, скорость движения которых уменьшается по мере удаления от Солнца.
Но они обнаружили нечто совсем иное.
Насколько учёные могли видеть, на всех орбитах вокруг центра спиральной галактики скорость звёзд оставалась постоянной. Звёздный водоворот был слишком быстрым. Казалось бы, при такой скорости их должно было бы отбрасывать в стороны, как сиденья на цепочной карусели. Они давно должны были оторваться от галактики и пуститься в свободное космическое плавание. Сила притяжения к центру галактики не должна была их удерживать.
Но удерживала.
Современные астрономы, как и их коллеги в XIX веке, непоколебимо верят в закон всемирного тяготения Ньютона, который за все эти годы принёс им столько успешных открытий.[96] Поэтому Рубин и Форд придумали этому аномальному поведению звёзд объяснение, которое недалеко ушло от рассуждений Адамса и Леверье о странном движении Урана. Видимо, звёзды в спиральных галактиках не разлетаются потому, что их удерживает сила гравитации, присущая большему объёму материи, чем можно увидеть в телескоп. Гораздо большему объёму.
Судя по всему, каждая спиральная галактика окружена сферическим облаком тёмной материи (чтобы представить это наглядно, вообразите себе компакт-диск в центре пчелиного роя). Тёмная материя либо вообще не излучает свет, либо излучает недостаточно, чтобы его могли зафиксировать современные приборы, а её масса превышает массу видимых звёзд примерно в десять раз.
Открытие Нептуна показало учёным, что они долгое время не замечали целой планеты в Солнечной системе. Открытие тёмной материи имело куда более серьёзное значение. Оно показало нам, что мы долгое время не замечали почти всю Вселенную.
Мнение о том, что Вселенная больше, чем нам кажется, высказывалось ещё в 1930-х годах. Фриц Цвикки, американский астроном швейцарского происхождения из Калифорнийского технологического института в Пасадине, наблюдал за скоплениями галактик. К своему удивлению, он обнаружил, что галактики, из которых состоят подобные скопления, вращаются с такой скоростью, что давно должны были бы разлететься. Примерно в то же время в Голландии Ян Оорт открыл, что звёзды, находящиеся недалеко от нашего Солнца, вращаются быстрее ближе к центру Млечного Пути, что можно объяснить притяжением видимой материи внутри солнечной орбиты.
Цвикки заключил, что в скоплениях галактик на самом деле имеется больше материи, а Оорт понял, что не всю материю в нашей собственной Галактике можно рассмотреть в телескоп. Именно дополнительное притяжение этой тёмной материи, как назвал её Цвикки (он использовал немецкий термин
Идея о невидимых массах во Вселенной по каким-то причинам оказалась непопулярной в астрономических кругах (возможно, потому, что в неё сложно было поверить). Но ситуация изменилась, когда Рубин и Форд представили свои наблюдения за звёздами в спиральных галактиках.[97] Множество звёзд вели себя аномальным образом, и закрывать на это глаза было нельзя.
Гравитация не только указывает на наличие тёмной материи, но и позволяет рассчитать её распределение. Дело в том, что по пути к Земле свет от дальних галактик искривляется за счёт силы притяжения тёмной материи. По искажению, или «линзированию» изображений, таких галактик можно понять, как тёмная материя была распределена на их пути. Прямо сейчас в горах Чили идёт создание телескопа, который поможет учёным исследовать этот эффект. Большой обзорный телескоп (Large Synoptic Survey Telescope) станет чем-то вроде телескопа наоборот.[98] Его задачей будет собирать свет и создавать изображения тьмы.
Свидетельствами существования тёмной материи являются не только спиральные галактики. Есть и ещё одно важное место. Вселенная появилась 13,82 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва и с тех пор расширяется и остывает. Из обломков материи после взрыва родились около 100 миллиардов галактик, включая и наш Млечный Путь. Единственный минус этого сценария в том, что он не учитывает одну довольно важную характеристику Вселенной — существование людей.
Галактики появились на свет потому, что какие-то области гигантского огненного шара во время Большого взрыва оказались более плотными, чем другие (считается, что эти «колебания плотности» в первые доли секунды после взрыва оставили свой отпечаток на всей Вселенной в виде квантовых процессов, но это уже совсем другая история).[99] Так как более плотные области имели чуть бо́льшую силу притяжения, она накапливали материю быстрее, чем другие. Дополнительная масса увеличивала силу притяжения и так далее по замкнутому кругу. Но дело в том, что этот процесс идёт очень медленно; 13,82 миллиарда лет, прошедших с момента зарождения Вселенной, было бы недостаточно для формирования таких больших галактик, как Млечный Путь. Значит, во Вселенной должно существовать больше материи, которую мы не можем увидеть в телескопы. Материи, чья гравитация ускорила рождение галактик. Тёмной материи.
Масса всей тёмной материи во Вселенной превышает массу видимой материи (включая галактики, звёзды и прочие объекты, состоящие из атомов, вроде нас с вами) примерно в 5–6 раз. На самом деле благодаря европейскому телескопу «Планк», который регистрирует «остаточное свечение» Большого взрыва, мы можем назвать даже более точную цифру. В то время как атомы составляют 4,9% энергии массы в нашей Вселенной, 26,8% приходится на тёмную материю. Оставшиеся 68,3% известны также как «тёмная энергия». Они были открыты в 1998 году, невидимы для человеческого глаза, заполняют собой весь космос и обладают отталкивающей гравитацией, но это тоже совсем другая история.[100]
Если вы спросите меня, что такое тёмная материя, я не смогу ответить вам ничего по существу. Некоторые считают, что она состоит из ещё неизвестных человечеству субатомных частиц. Некоторые физические теории, например теория суперсимметрии, постулируют существование доселе неизвестных фундаментальных частиц, которые не «чувствуют» электромагнитную силу и потому не испускают электромагнитных волн, то есть света. Ещё одно предположение состоит в том, что чёрная материя — это множество чёрных дыр, каждая весом с Юпитер и размером с холодильник, которые возникли под воздействием сил Большого взрыва.[101]
Если тёмная материя состоит из «допотопных» чёрных дыр и они равномерно распределены по всей Вселенной, то до ближайшей такой дыры нам придётся лететь 30 световых лет, почти в десять раз дальше, чем до самой близкой к Земле звезды, Альфе Центавра. Если же она состоит из субатомных частиц, то прямо сейчас тёмная материя проходит сквозь вас, не встречая сопротивления, как пуля через сгусток тумана. Лишь одно можно сказать о тёмной материи с полной определённостью: если вы разгадаете её природу, в Стокгольме вас будет ждать ваша Нобелевская премия.
Говоря современным языком, Нептун был тёмной материей своего времени. Но если мы перенесёмся на машине времени в XIX век, то узнаем, что он был не один. Существовала и ещё одна загадочная ускользающая планета, и называлась она Вулкан.
Вулкан
Наверняка многие из вас при слове Вулкан вспомнили родную планету Спока из сериала «Звёздный путь». Джин Родденберри, создавший его ещё в 1960-х годах, выбрал название не случайно. Такая планета действительно существовала, по крайней мере в воображении астрономов XIX века, в частности Леверье.
После триумфального предсказания о существовании Нептуна звезда Леверье взошла на небосклоне науки, и в 1854 году его назначили директором Парижской обсерватории. Но никакая работа, никакие достижения не давали ему того чувства восторга, которое он испытал, чудесным образом найдя новый мир на окраине Солнечной системы. За это открытие монаршие особы искали его расположения, а научный мир и вовсе боготворил. Слава и преклонение вскружили ему голову, и он хотел получать их снова и снова. Если бы только он мог повторить свой успех, если бы ещё раз сумел сделать невероятное предсказание, которое поразит всё человечество. Для этого Леверье решил обратить своё внимание на внутреннюю, а не на внешнюю часть Солнечной системы.
Он задался амбициозной целью: полностью изучить орбиты Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Если он сделает это, то, возможно, найдёт какую-нибудь аномалию, которая приведёт его к новому блестящему открытию.
Как я уже упоминал, на каждую планету действует не только сила притяжения Солнца, но и гравитация прочих планет. В результате такого влияния планета не вращается постоянно по одному и тому же пути. Вместо этого её эллиптическая орбита смещается с течением времени, заставляя планету двигаться по розетковидному маршруту. Из-за прецессии во время подхода к Солнцу на минимальное расстояние (перигелий) путь планеты плавно его огибает. Астрономы называют такую точку
В 1843 году, за три года до открытия Нептуна, Леверье впервые занялся четырьмя внутренними планетами Солнечной системы. Чтобы рассчитать орбиту каждой из них, он мучительно складывал значения гравитационного воздействия всех остальных планет Солнечной системы. К сожалению, его предположения не соответствовали наблюдениям. Леверье подозревал, что дело было в недостаточно точной информации о расстояниях и массах планет. Итак, через десять лет после своего триумфа с Нептуном он решил внести ясность в планетарную статистику.
В 1852 году самым точным средним значением расстояния от Земли до Солнца считались 95 миллионов миль[103]. К 1858 году Леверье уточнил эту цифру — 92,5 миллиона миль[104] (что лишь на половину процента отличается от результатов современных измерений). Ещё через год, вооружённый этим знанием, Леверье ещё раз принялся за расчёт планетарных орбит.
Это было долгое и утомительное предприятие, и, как и 16 лет назад, Леверье не удалось добиться успеха. Его расчёты не сходились с результатами наблюдений, полученными астрономами. Но Леверье верил в закон всемирного тяготения Ньютона и в собственную математическую интуицию, а потому продолжил расчёты. Ему всё ещё казалось, что дело в недостаточно точных данных относительно масс планет и расстояний между ними. Он попытался корректировать их по одному. Эта задача отняла у него очень много времени, но в конце концов его усилия принесли свои плоды. Нужно было внести лишь небольшое изменение, чуть увеличив массы Земли и Марса, и можно было точно рассчитать орбиты всех внутренних планет.
Всех, кроме одной.
Меркурий — самая близкая к Солнцу планета, а также самая маленькая в Солнечной системе. Даже луна Юпитера Ганимед превышает её по размеру.
Согласно расчётам Леверье, притяжение ближайшей к Меркурию планеты, Венеры, заставляет его перигелий приближаться к Солнцу примерно на 1/5000 длины его орбиты каждые 100 лет. Астрономы при описании подобного явления использовали бы ещё более непонятные термины. Они бы сказали, что Венера заставляет перигелий Меркурия сдвигаться на 280,6 угловой секунды в столетие (одна угловая секунда равна 1/60 угловой минуты, а угловая минута — 1/60 градуса). Леверье рассчитал, что притяжение газового гиганта Юпитера добавляет к этому ещё 152,6 угловой секунды в 100 лет, Земли — 83,6 угловой секунды, а оставшихся планет — всего 9,9 угловой секунды. Сложив все эти числа, Леверье получил значение для прецессии перигелия Меркурия — 526,7 угловой секунды за 100 лет.
Вот только это значение было неправильным. Тщательные наблюдения за Меркурием показали, что его перигелий сдвигается примерно на 565 секунд в столетие. Это означает отличие от расчётных значений, равное 38 угловым секундам (современное значение составляет 43 угловых секунды за 100 лет).
Расхождение было крошечным, но Леверье проводил достаточно точные расчёты, чтобы показать, что оно действительно существует. Каждые 100 лет прецессия перигелия Меркурия составляла на 38 угловых секунд больше необходимого. Иными словами, даже если бы все прочие планеты Солнечной системы покинули её и улетели в космос, то есть не оказывали бы никакого влияния на Меркурий, он всё равно двигался бы по своему розеточному пути, который повторяется примерно раз в три миллиона лет и который совершенно невозможно объяснить.
Леверье не верил своим глазам. Аномалия с Ураном повторялась! На Меркурий должно было действовать скрытое от человеческих глаз небесное тело, расположенное внутри орбит внутренних планет. Леверье пришлось собраться с духом, чтобы озвучить своё предположение. Возможно ли, что этим телом была новая планета?
Чтобы рассчитать её скорость, Леверье предположил, что она движется по орбите на полпути между Меркурием и Солнцем. Если её масса была примерно равна массе Меркурия, её воздействие как раз могло бы объяснить его необычную прецессию. На этом этапе тут же возник вопрос: почему такую большую планету ещё не заметили астрономы? Разумеется, рассмотреть её было бы сложно из-за солнечного света, но она должна была быть видна во время полных солнечных затмений, когда Луна полностью закрывает собой солнечный диск и становятся видны даже очень близкие к нему звёзды.
А если дело не в планете, в чём ещё оно могло бы быть? Леверье задумался, может ли странное поведение Меркурия объясняться воздействием группы астероидов, движущихся по орбите между ним и Солнцем. Если так, то некоторые из этих объектов могли быть достаточно большими, чтобы можно было увидеть их прохождение (транзит) по солнечному диску.
Удивительно, но проходящие таким образом объекты уже наблюдались ранее. Сельский врач из Франции по имени Эдмон Модест Лескарбо увлекался астрономией. Задумавшись о поясе астероидов между Марсом и Юпитером, открытом в начале XIX века, он решил выяснить, где ещё в Солнечной системе могут находиться подобные объекты.[105] Он уже видел Меркурий (чёрную точку на фоне Солнца) в свой рефракторный телескоп диаметром четыре дюйма[106], установленный в Оржер-ан-Бос, что примерно в 70 километрах от Парижа. Естественно было бы предположить, что, если между Меркурием и Солнцем имеются астероиды, их тоже можно рассмотреть подобным образом.
В субботу 26 марта 1858 года Лескарбо работал в своей клинике. У него появилось свободное время между приёмами, и он решил посвятить его наблюдениям за Солнцем. Чтобы не ослепнуть, он проецировал изображение солнечного диска на бумагу. На этой проекции его внимание привлекла крошечная чёрная точка, расположенная на самом краю Солнца. Разумеется, Лескарбо не терпелось увидеть её перемещение, но наступило время принимать следующего пациента. Когда астроном смог вернуться к своему телескопу, он с облегчением обнаружил, что точка никуда не делась. Лескарбо следил за ней до тех пор, пока она не скрылась за пределами солнечного диска. Он засёк время транзита — 1 час 17 минут 19 секунд. Именно такой скорости орбитального движения стоило ожидать от астероида во внутренней части Солнечной системы.
Поразительно, но Лескарбо никому не сообщил о своём открытии. Только через девять месяцев, прочитав статью Леверье о возможном существовании между Меркурием и Солнцем ещё одного объекта или объектов, он решился написать в Парижскую обсерваторию.
Леверье отнёсся к заявлениям доктора крайне скептически, но стремление повторить успех с Нептуном пересилило. Он вынужден был встретиться с коллегой. Тридцать первого декабря 1859 года Леверье сел на поезд из Парижа в Оржер-ан-Бос, даже не предупредив Лескарбо о своём приезде. Он ожидал увидеть провинциального любителя, но вместо этого обнаружил первоклассного учёного, создавшего высокоточные научные инструменты. Подробно расспросив Лескарбо о его наблюдениях, Леверье уверился в правдивости его слов.
Невероятно, но ему снова улыбнулась удача. Успех, пришедший к нему с открытием Нептуна, повторился. Он верно предсказал существование ещё одной планеты между Меркурием и Солнцем. Поистине он был богом среди людей.
Вернувшись в Париж, Леверье перевёл открытие Лескарбо на язык цифр. Если новая планета вращается вокруг Солнца по окружности, то она должна полностью проходить свою орбиту за 21 день. Соответственно, несколько раз в году можно наблюдать её транзит по солнечному диску.
Леверье объявил об открытии новой планеты, вызвав этим восхищение всего мира. К февралю 1860 года у неё появилось имя. Планеты называют именами древних богов, а кузнецом на горе Олимп, где они жили, был Вулкан. Это имя прекрасно подходило, ведь новую планету постоянно опалял солнечный жар. Итак, она стала Вулканом.
Другие астрономы, в частности специализировавшиеся на пятнах на Солнце, быстро заявили, что тоже наблюдали транзит Вулкана, но не распознали в нём планету.[107] Следующий случай увидеть её прохождение по солнечному диску должен был представиться между 29 марта и 7 апреля 1860 года. Астрономы в индийском Мадрасе и в Австралии (Сиднее и Мельбурне) внимательно наблюдали за Солнцем всё это время. Но ничего не произошло.
Шли годы. Некоторые учёные заявляли, что видели новую планету, но большинство других её не замечали. Кроме того, наблюдения свидетелей ни разу не подтверждались независимыми третьими лицами.
После полного солнечного затмения 7 августа 1869 года некоторые наблюдатели снова заявили, что видели Вулкан. К счастью, свидетелем этого события был и пионер космической фотографии Бенджамин Апторп Гулд из Берлингтона, штат Айова. Он сделал 42 снимка туманной белой «короны» вокруг Солнца, которая видна только во время полных затмений. Ни на одной из фотографий не было и следа новой планеты.
Решающий удар по открытию Леверье нанесло полное затмение 29 июля 1878 года. Множество астрономов на поездах железной дороги Union Pacific отправились на Средний Запад в город Роулингс, штат Вайоминг. Среди них были и величайшие наблюдатели того времени, в том числе Саймон Ньюком из Военно-морской обсерватории в Вашингтоне (к сожалению, история запомнит его в первую очередь как человека, провозгласившего, что предметы тяжелее воздуха не могут летать, прямо накануне первого полёта братьев Райт) и Норман Локьер, который 20 октября 1868 года, сидя в своём саду в лондонском пригороде Уимблдоне, открыл в составе Солнца гелий — первый элемент, который сначала обнаружили в космосе, а потом выявили на Земле. Даже знаменитый на весь мир изобретатель Томас Эдисон принял участие в этом предприятии.
Добравшись до Роулингса, учёные разбрелись по подходящим для наблюдения точкам и начали устанавливать свою аппаратуру. Небо было затянуто облаками, а глаза их постоянно слезились от пыли и песка, которые ветер швырял им в лицо. Тем не менее, несмотря на погоду и помехи в работе оборудования, многие из них увидели и даже сфотографировали затмение. Новую планету заметил только один.
Джеймс Крейг Уотсон, директор обсерватории Энн-Арбор в штате Мичиган, сообщил, что видел небольшой красноватый объект, вращавшийся вокруг Солнца внутри орбиты Меркурия. Новость немедленно облетела весь мир. Возможно ли, что через 20 лет после того, как Леверье предсказал существование новой планеты, она наконец-то явила себя людям?
Проблема состояла лишь в том, что никто больше её не заметил. Многие наблюдатели видели маленькое красное пятнышко, но опознали в нём тусклую звезду Тета Рака. Уотсон стоял на своём, даже когда уже было довольно очевидно, что его коллеги правы, а он ошибается. Он умер от болезни в 42 года в 1880 году и до самой кончины был уверен, что своими глазами видел Вулкан.
Расклад сил поменялся, и учёные пришли к мнению, что Вулкана не существует и никогда не существовало. Он оказался лишь фантазией, памятником человеческим заблуждениям, символом того, какой силой обладают желания. От Вулкана остались лишь полузабытые исторические сведения и имя планеты, на которой родился Спок.
Неразгаданная загадка
На самом деле предположение о существовании Вулкана вовсе не было таким уж безумным. Только в нашей Галактике вокруг звёзд вращаются тысячи планет, и многие из них похожи на Вулкан.
Одним из самых неожиданных открытий современной астрономии стало обнаружение газовых гигантов, которые находятся ближе к своим звёздам, чем Меркурий к Солнцу. Эти «горячие юпитеры» не могли сформироваться на таком расстоянии от звёзд. Газ нагрелся бы слишком сильно, и его атомы начали бы двигаться с такой скоростью, что сила притяжения не смогла бы удержать их вместе. Астрономы полагают, что «горячие юпитеры» рождаются гораздо дальше от своих солнц. Трение между ними и диском из космического мусора и обломков, из которого рождаются другие планеты, заставляет их двигаться по спирали и подходить ближе к звезде. Считается, что такая планетарная миграция произошла в доисторические времена и в нашей Солнечной системе. Судя по всему, Юпитер и Сатурн некоторое время играли в космические «музыкальные стулья», прежде чем занять свои места.
Глядя на планетарные системы вокруг других звёзд, можно заметить, что наша Солнечная система слишком вытянута. Орбиты более чем половины экзопланет находятся ближе к своим звёздам, чем орбита Меркурия к Солнцу. Вулканы в изобилии встречаются в нашей Галактике. Возможно, это иллюзия, вызванная ошибкой восприятия. Астрономы находят экзопланеты по колебаниям звёзд или потускнению их света, а планеты, близкие к своему солнцу, заметить легче всего, потому что они обычно быстро проходят полный круг по своим орбитам.
Возможно, что и наша Солнечная система стала необычной лишь какое-то время назад. Если верить компьютерным симуляциям её зарождения, изначально в непосредственной близости от Солнца могло вращаться несколько планет, которые затем столкнулись, и Меркурий оказался единственным выжившим. Если этот сценарий верен, то Вулкан действительно существовал. Вот только он разминулся с человечеством на 4,55 миллиона лет.
Леверье умер 23 сентября 1877 года. Он разгадал секрет необычного движения Урана, открыл Нептун и расширил границы Солнечной системы. Но Вулкан ускользнул от него, и он понимал, что не нашёл объяснения необычному движению Меркурия.
Наступил XX век, полный чудес: рентгеновских лучей, радиоактивности и летающих машин, подчиняющихся воле человека. Аномальное поведение Меркурия считалось любопытной, но не такой уж важной задачкой. Никто не думал о ней день и ночь, мало кто вообще о ней задумывался. Потому-то никто и не заподозрил, что подобное поведение подсказывает нам: как это ни удивительно, но Ньютон был не прав насчёт гравитации.
Человека, который понял это и создал дополненную теорию гравитации, звали Альберт Эйнштейн. Но ещё до того, как он осознал неправоту Ньютона в отношении силы тяготения, Эйнштейн понял, что его великий предшественник неверно понимал характер её основ — пространства и времени.
Для дополнительного чтения
Часть II
Эйнштейн
5. Поймай меня, если сможешь
Как Эйнштейн понял, что нельзя двигаться быстрее скорости света и что это противоречит закону всемирного тяготения Ньютона.
Если верить мистеру Ньютону, пространство и время не разговаривали друг с другом, не женились и жили отдельно.
С точки зрения физики скорость света в нашей теории имеет бесконечно большое значение.
Каково это — поймать луч света? Эйнштейну было всего 16 лет, когда он задался этим вопросом, и это стало его первым шагом к величию. К сожалению, он так и не рассказал, что подтолкнуло его в этом направлении, так что нам остаётся лишь строить догадки. Мы знаем, что он сформулировал свой вопрос в начале 1896 года в школе швейцарского городка Арау в 48 километрах к западу от Цюриха, где он жил в семье Винтелеров.
Я представляю себе, как он просыпается от солнечного света, льющегося в комнату через окно мансарды, которую он снимал. Ветер играет листьями липы за стеклом, и они разбивают свет на десятки крошечных солнечных зайчиков, танцующих на стене над его кроватью. Он вытягивает руку и, как ребёнок, пытается поймать пятно света. Его так завораживает пляска солнца на обоях, что он даже забывает, что нужно вставать. Идиллия нарушается стуком в дверь: «Герр Эйнштейн! — это голос Мари Винтелер, симпатичной 18-летней дочки хозяина дома, которая в него немного влюблена. — Папа просит передать вам, что завтрак готов».
Я представляю, как пару часов спустя Эйнштейн сидит за своей партой в просторном классе школы кантона Арау и глядит в окно на реку Аре. Дождь, стучавший по оконному стеклу, прекращается так же быстро, как и начался. Густые облака расходятся, и на сумеречный город падает столб света, превращая его в библейскую иллюстрацию. Там, где солнечные лучи касаются поверхности реки, вода сверкает, как бриллиант. Эйнштейн так зачарован этим зрелищем, что совсем забывает про лекцию (речь в ней идёт о схемах маршрутизации в генераторах переменного тока). И тут его мечты прерывает рёв директора школы доктора Августа Тухшмида: «Герр Эйнштейн! Прошу прощения, что утомил вас. Может быть, в оставшиеся полчаса вы обратите на меня своё драгоценное внимание?».
Вечером того же дня Эйнштейн и Мари Винтелер, держась за руки, бегают по узким улочкам Арау, прыгают по лужам и хохочут взахлёб, как любые подростки. Они промокли насквозь, но их это не волнует. Внезапно они останавливаются, он притягивает её к себе и целует. За её плечом он видит ряд газовых фонарей, светящихся жутковатым зелёным светом. Чем дальше фонари от него, тем меньше они кажутся и тем слабее светят. В маслянисто-чёрных лужах он видит отражения фонарей и полной луны, которая похожа на ещё один фонарь, оторвавшийся от земли и поднявшийся в небо. Он перестаёт целоваться с Мари и смотрит вверх.
— Альберт?
Весь день его завораживал свет, весь день он думал о нём. И весь день его мучал один вопрос: что не так с нашим пониманием света? Ответ на него заключается в самом вопросе, но Эйнштейн ещё не сформулировал его достаточно точно.
Он не слышит, что ему говорит его подруга, потому что в мыслях он находится в четверти миллиона миль[110] отсюда. Свет Луны прошёл именно такое расстояние, прежде чем достиг его глаз. Он пытается представить себе его путь — одинокое путешествие в холодном вакууме на скорости миллиард километров в час, — и его сердце замирает. Внезапно он понимает, какой вопрос нужно задавать на самом деле. Этот вопрос откроет ему двери в совершенно новый мир знаний. Он кажется таким очевидным, что Эйнштейн удивляется, почему не задался им раньше.
— Альберт, о чём ты думаешь?
Ещё до того, как он заговорит, Мари понимает, что сама ни за что бы не придумала ответ. Хотя Эйнштейну всего 16, он уже видит мир не так, как остальные, и мыслит так, как никто никогда не мыслил. Она видела в его комнате учебники, над которыми он просиживал ночи до рассвета, и не поняла ни слова, как будто те были написаны иероглифами. Она не может последовать за ним и проникнуть в его мир. Её настигает понимание: скоро она ему наскучит и он уйдёт. В уголках её глаз появляются слёзы.
— О чём я думаю? — переспрашивает он, как будто очнувшись ото сна.
— Да, — она вытирает глаза рукавом, но он этого не замечает.
— Я думаю, каково это — поймать луч света.[111]
Она закатывает глаза, берёт его за руку и тащит в сторону дома.
— Альберт, ты такой странный.
Разумеется, вся эта история — лишь плод моей фантазии. Но мне так нравится её представлять! К моменту, когда 16-летний Эйнштейн сформулировал свой важнейший вопрос, учёные считали свет волной (такой же, какую можно увидеть на поверхности пруда). Это не совсем очевидно, потому что расстояние между гребнями световой волны очень мало, меньше ширины человеческого волоса. Тем не менее волновая природа света была подтверждена в 1801 году английским физиком Томасом Юнгом в ходе оригинального эксперимента.[112] Но никто до сих пор не знал, что же такое свет.
Всё изменилось в 1863 году, когда шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, проведя
Анализируя свои стройные уравнения, Максвелл заметил кое-что неожиданное. Они предусматривали движение волн сквозь электрические и магнитные поля, заполняющие пустые пространства. К тому же волны двигались вперёд
За 20 лет, прошедших с момента обнародования теории Максвелла, учёные добились потрясающих успехов. Немецкий физик Генрих Герц, действуя по указаниям своего шотландского коллеги, создал искусственные электромагнитные волны. В ноябре 1886 года он, используя искровой разряд в качестве передатчика, послал невидимые радиоволны,[115] которые индуцировали электрический ток в катушке с проволокой, стоявшей на другом конце лаборатории и действующей в качестве приёмника.
Наш мир, оплетённый сетью из миллионов невидимых разговоров, которые каждую секунду передаются по воздуху, родился именно в тот день. Американский физик XX века Ричард Фейнман говорил: «В истории человечества (если посмотреть на неё, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием XIX столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики».[116]
Но, несмотря на все научные триумфы, которые стали возможными благодаря теории Максвелла, она создавала для физиков одну серьёзную проблему. Дело в том, что она совершенно не сочеталась с законами движения, сформулированными Галилеем и Ньютоном.
Волны всегда распространяются в какой-либо среде: морские волны в воде, а звуковые — в воздухе. Гипотетическая среда, в которой движется свет, была названа эфиром.[117] Из факта его существования следовал неизбежный вывод: скорость светового луча, измеряемая наблюдателем, должна зависеть от скорости его движения в эфире. Представьте себе, что вы стоите на палубе яхты. Скорость ветра, бьющего вам в лицо, будет определяться тем, идёт яхта по ветру или против него. Но в уравнениях Максвелла присутствовала некоторая странность. Они никаким образом не ссылались на среду движения света и содержали лишь одно значение скорости светового луча в вакууме. Она была неизменной, постоянной, не зависящей от условий мира, в котором она существует.
Логично было бы предположить, что в расчёты Максвелла вкралась ошибка, которую нужно было найти и исправить. В конце концов, они были всего лишь модной новинкой, в то время как ньютоновские законы движения были сформулированы двумя столетиями ранее и за всё это время никто ни разу не заметил их расхождений с реальностью. Вот тут-то на сцену и вышел Эйнштейн. Его заворожило не только само подтверждение максвелловской теории, полученное Герцем, но и его
Ньютон говорил, что Платон его друг и Аристотель тоже, но главным своим другом он считает истину. Забавно, что Эйнштейн нашёл в себе силы оспорить постулаты Ньютона именно потому, что был полностью согласен с этим утверждением. Поэтому он и задал себе важнейший вопрос: каково это — поймать луч света?
Увидеть невозможное
Согласно Максвеллу, световая волна — это сложная конструкция из электрического и магнитного полей, колеблющихся под прямым углом друг к другу и к направлению движения света. Электрическое поле увеличивается, когда магнитное уменьшается, и наоборот. Распад одного поля генерирует другое, и они сменяют друг друга, создавая самоподдерживающуюся электромагнитную волну.
Мы не будем вдаваться в детали. Достаточно просто представить себе свет как волну, пробегающую по поверхности озера. Если бы мы попытались её остановить, она оказалась бы последовательностью пиков и спадов, застывшей, как на фотографии. Проблема, которую подросток по фамилии Эйнштейн осознал в Арау, состояла в том, что уравнения Максвелла не предусматривали существования неподвижной электромагнитной волны. Если бы нам удалось поймать луч света, произошло бы что-то невероятное, что-то, что согласно законам физики просто не может существовать.
Как разрешить этот парадокс? Эйнштейн понял, что если теория Максвелла верна, то оставался только один способ. Если движение со скоростью света приводило к чему-то невозможному, оно само по себе должно было быть невозможным. Всё просто. Вот только ньютоновские законы позволяют телу двигаться
Говорить, что ни одно материальное тело не может двигаться со скоростью света, было очень рискованно. Это означало попытку свергнуть с пьедестала Ньютона, величайшего из когда-либо живших учёных. Без серьёзных доказательств от таких заявлений следовало бы воздержаться. Вот почему Эйнштейн потратил целых девять лет, пытаясь собрать воедино теорию электромагнетизма и ньютоновские законы динамики. Лишь в 1905 году пазл сложился у него в голове.
Патентный рай
К этому моменту 26-летний Эйнштейн работал техническим экспертом III класса в Швейцарском федеральном патентном бюро в Берне. Эту должность он получил в 1902 году. Он проживал в двухкомнатной квартире на третьем этаже дома номер 49 по улице Крамгассе вместе со своей женой, сербкой Милевой Марич, и их годовалым сыном Хансом Альбертом. Марич была старше Эйнштейна на четыре года и единственной женщиной в его классе в Швейцарской федеральной политехнической школе в Цюрихе. Их роман вызвал скандал среди их родственников, особенно когда в 1902 году у Марич и Эйнштейна родился внебрачный ребёнок — дочка по имени Лизерль, упоминания о которой встречаются лишь в письмах в Нови Сад и из него, куда Милева уехала рожать. Девочка либо умерла через полтора года, либо была передана на попечительство семье Милевы. Эйнштейн и Марич скрывали её существование от друзей в Швейцарии, поэтому лишь они одни знали правду о судьбе девочки.
Патентная служба спасла Эйнштейну жизнь, за что он оставался ей благодарен до конца дней. Он не сумел получить должность учителя или место в университете, и, как он сам признавался, ему приходилось жить впроголодь. Патентная служба дала ему достаточные доход и респектабельность для того, чтобы в 1903 году жениться на Милеве. Несмотря на то что скорбь от утраты дочери дамокловым мечом нависала над их союзом, Эйнштейн считал время, проведённое в патентной службе, одним из самых счастливых периодов своей жизни.[118]
Поделиться книгой: