Страница 7 из 11
Из специальной теории относительности вытекали необычные следствия. Одним из них было то, что скорость света оказывалась абсолютным пределом скорости: никакой объект или сигнал не мог двигаться быстрее, чем свет движется в вакууме. Из математики специальной теории относительности получалось, что для того, чтобы достичь скорости света, любому объекту требуется бесконечное количество энергии. А если объект каким-то образом сумеет двигаться быстрее света, то он теоретически отправится в прошлое и в принципе сможет не дать себе начать движение – парадоксальный результат. Скорость света и так довольно велика – около 300 000 км/c, но Эйнштейн к тому же показал, что никакое тело не может двигаться, никакой сигнал распространяться и никакое взаимодействие передаваться со скоростью, превышающей скорость света.
В том же году Эйнштейн напечатал продолжение своей работы: он развил теорию относительности, модифицировав ньютоновские законы движения. Попутно он вывел свое знаменитое уравнение, демонстрирующее, что масса есть форма энергии: E = mc2. И это были лишь две из статей, опубликованных Эйнштейном на протяжении 1905 года, «года чудес». Он напечатал еще две выдающиеся работы: о поведении атомов и о взаимодействии света и вещества – за вторую из них он впоследствии получил Нобелевскую премию.
В своих работах по теории относительности Эйнштейн отчасти следовал идеям австрийского физика и философа Эрнста Маха. Мах считал, что наука должна основываться на описательных законах, которые не содержат никаких утверждений об истинной природе мира, – такие утверждения он отвергал как бесполезные для науки и практики. Для Маха одним из наиболее злостных нарушителей этого принципа был величайший физик Исаак Ньютон. Основополагающий труд Ньютона, «Начала», открывался предположением, что пространство и время – абсолютные самостоятельные сущности, реально существующие в мире. Это «чудовищное понятие абсолютного пространства» было, по мнению Маха, «чистым мыслеобразом[34], который нельзя уловить опытным путем». Мах полагал, что правильно построенная наука о механике будет обходиться без онтологических утверждений о том, какие именно вещи реально существуют, а вместо этого станет просто формулировать описательные математические законы, точно предсказывающие наблюдаемые движения всех тел. Хорошими теориями, по Маху, являются те, что устанавливают связи между наблюдениями, а не те, в которых постулируется существование принципиально ненаблюдаемых объектов.
С точки зрения Маха, образцовой моделью современной физической теории была термодинамика. Ее законы выведены в начале 1800-х Карно, Джоулем и другими. Термодинамика ограничивалась количественным описанием тепловых процессов, наблюдаемых в паровых машинах в любой точке мира. Она позволяла предсказывать ход тепловых процессов, не постулируя никаких сторонних ненаблюдаемых идей о природе теплоты. Термодинамика не основывалась на каких-либо неясных, непроверяемых утверждениях о том, что существует или не существует в мире, – она просто описывала этот мир.
Эйнштейн прочел книгу Маха «История механики» еще студентом, и на него произвела глубокое впечатление критика ньютоновских идей абсолютного пространства и времени. «Эта книга повлияла на меня очень сильно»[35], – писал он спустя несколько десятилетий. То, как в специальной теории относительности Эйнштейн решил проблему эфира, найдя его ненужной гипотезой, показывает, что идеи Маха об исключении сторонних ненаблюдаемых сущностей пришлись ему по сердцу. Более того, специальная теория относительности обрекла на забвение и ненавистные Маху абсолютные пространство и время.
Короче говоря, Эйнштейн блестяще реализовал идеи Маха. Махисты много лет вдохновлялись его работами, считая, что успех теории относительности доказывает правильность их подхода. Для них было очевидно, что Эйнштейн разделяет взгляды Маха, ведь эти взгляды сыграли важную роль в появлении наиболее знаменитой и фундаментальной из его работ. Но когда последователям Маха случалось беседовать с Эйнштейном лично, они с удивлением убеждались, что он вовсе не был махистом-догматиком[36] – совсем наоборот! Хотя теория относительности и развенчала идею абсолютного пространства и времени, на место этих понятий она поставила другой абсолют: пространство-время, единую для всех наблюдателей комбинацию пространства и времени. Да и само слово «относительность», подразумевающее отказ от абсолютного, ввел в физику не Эйнштейн, а Макс Планк[37] – Эйнштейн недолюбливал этот термин именно потому, что в нем содержался намек на философский релятивизм. Эйнштейн предпочитал выражение «теория инвариантов»[38], которое возбуждает совершенно другой ряд ассоциаций. (В теории относительности «инвариантами» называются величины вроде пространственно-временного интервала и многие другие, значения которых одинаковы для всех наблюдателей.) Позже, в зрелые годы, Эйнштейн неоднократно повторял, что идеи Маха не стоит принимать слишком всерьез. «Эпистемология Маха <…> представляется мне принципиально несостоятельной»[39], – писал Эйнштейн. «Ничто живое из нее родиться не может. Она лишь способна вытравливать вредную нечисть»[40]. Мах считал, что физика – всего лишь средство организации восприятия мира, тогда как для Эйнштейна физика имела прямое отношение к миру как таковому. «Единственная цель науки, – говорил он, – установление того, что существует»[41].
Однако, возможно, наиболее убедительным и откровенным свидетельством истинной позиции Эйнштейна по отношению к идеям Маха являются две другие его прославленные статьи, опубликованные в том же 1905 году. В одной из них Эйнштейн объяснил броуновское движение – случайные движения микроскопических пылинок в жидкости. Это явление почти за восемьдесят лет до статьи Эйнштейна заметил ботаник Роберт Броун (а еще на сорок лет раньше – и первооткрыватель фотосинтеза Ян Ингенхауз), но никто не мог его удовлетворительно объяснить. Это мастерски сделал Эйнштейн – и сделал, отвергнув махистский подход к физике. Напротив, Эйнштейн принял позицию антагониста Маха, Людвига Больцмана, заявлявшего, что мир состоит из невообразимого количества крохотных атомов. Мах громогласно и неоднократно провозглашал, что ни в какие атомы не верит, так как они слишком малы и в принципе ненаблюдаемы. Но Больцман сумел показать, что именно статистическое описание поведения огромного количества атомов прямо ведет к тем самым законам термодинамики, которые Мах с такой охотой принимал на веру. (О существовании атомов свидетельствовала и химия – к тому времени она уже около полувека эксплуатировала это представление.) Маха аргументы Больцмана не убедили. Но Эйнштейн находил их неотразимыми и элегантными и с охотой воспользовался существованием атомов, чтобы решить поставленные перед собой задачи. Эйнштейн применил статистические методы Больцмана и показал, что броуновское движение обусловлено отскакиванием атомов жидкости от пылинок. Таким образом, одним ударом он не только объяснил столетнюю загадку, но и убедительно продемонстрировал, что построенный на идее атомов статистический подход Больцмана к физике оказался логичным и действенным.
Так что статья Эйнштейна о броуновском движении была прямо-таки антимахистской. Но другая его статья в этом отношении оказалась еще хуже. В ней Эйнштейн тоже предложил разгадку старой загадки: освещение металлической пластинки могло приводить к тому, что от нее по проволоке начинал идти электрический ток. В этом так называемом фотоэлектрическом эффекте удивительно было то, что имел значение цвет используемого освещения: если оно было слишком близким к красному концу спектра, никакого тока не возникало, независимо от интенсивности излучения. Эйнштейн объяснил это странное явление, предположив, что свет состоял из частиц совершенно нового типа – фотонов. Это была необыкновенно дерзкая гипотеза – она не только бросала вызов философии Маха, но и как будто противоречила за сто лет многократно подтвержденному экспериментами убеждению, что свет – волна, а не частица. Конечно, Эйнштейн знал, что свет есть электромагнитная волна, – эта идея и вдохновила его теорию относительности. Но это не помешало ему предположить, что каким-то образом свет является одновременно и частицей или имеет какие-то свойства частицы. В защиту своей странной идеи Эйнштейн мог указать только на фотоэлектрический эффект, да еще, может быть, на одну неувязку в законе излучения абсолютно черного тела, выведенном за пять лет до этого немецким физиком Максом Планком. В течение двадцати лет после появления статьи о фотоэффекте почти никто, кроме Эйнштейна, в существование фотонов не верил. Даже сам Планк не думал, что его работа влечет вывод о частицах света (хотя много лет спустя именно эту работу провозгласили началом квантовой революции). Только когда Артур Комптон в 1923 году действительно зарегистрировал рассеяние фотонов на электронах, физическое сообщество наконец приняло образ мыслей Эйнштейна – хотя даже и тогда кое-кто с ним так и не согласился[42].
34
Isaacson 2007, p. 84.
35
Albert Einstein 1949a, «Autobiographical Notes», in Albert Einstein: Philosopher-Scientist, edited by Paul Arthur Schilpp (MJF Books, 1949), p. 21.
36
См. Don Howard 2015, «Einstein’s Philosophy of Science», в The Stanford Encyclopedia of Philosophy, Winter ed., edited by Edward N. Zalta, http://plato.stanford.edu/archives/win2015/entries/einstein-philscience/. См. также в главе 8 еще о влиянии, которое Эйнштейн оказывал на последователей Маха, и об их реакции на открытие ими истинных философских воззрений Эйнштейна.
37
Gerald Holton 1998, Thematic Origins of Scientific Thought, rev. ed. (Harvard University Press), p. 70.
38
Ibid., p. 130.
39
Einstein 1949a, p. 21.
40
Isaacson 2007, p. 334.
41
Kumar 2008, p. 262. Курсив в оригинале.
42
Последним упрямцам все же пришлось в конце концов признать реальность фотонов как побочного эффекта в экспериментах Белла, выполненных Джоном Клаузером в 1970-х (см. главу 9).