Жизнь проста. Как бритва Оккама освободила науку и стала ключом к познанию тайн Вселенной - Джонджо МакФадден
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ПРОСТОТА
О том, как были решены проблемы, на которые обратил внимание Кельвин, написано много замечательных книг[410], поэтому я остановлюсь лишь на том, какую роль в этом сыграло стремление к простоте. Так или иначе, решения были найдены благодаря работе одного необычного служащего патентного бюро в Берне.
Альберт Эйнштейн родился в 1879 году в Ульме в Германии, в семье торговца и инженера-электрика Германа Эйнштейна и Паулины Кох. По окончании гимназии, где он не отличался большими успехами, Альберт изучал физику и математику в Цюрихе, однако, получив диплом, не мог рассчитывать даже на должность обычного преподавателя физики в университете. К счастью, в 1902 году друг порекомендовал его «через отца директору Швейцарского патентного бюро Фридриху Галлеру»[411], и в итоге он получил место технического эксперта в Швейцарском патентном бюро. Несмотря на свой однообразный характер, работа вполне устраивала Альберта. Позже он вспоминал: «Работа над окончательной формулировкой технических патентов была для меня настоящим благословением. Она принуждала к многостороннему мышлению, а также давала импульс для физических размышлений»[412]. Одной из таких прекрасных идей стало решение поставленной Кельвином проблемы о скорости света, проходящего через эфир. Однако интерес Эйнштейна к этой проблеме не был связан с экспериментами Майкельсона и Морли, опровергавшими теорию эфира. Как выяснилось, Эйнштейн не знал об этих экспериментах, и его интересовал другой любопытный факт, на который Кельвин не обратил внимания, а именно функциональные возможности электрических машин.
Этой проблемой занимался шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, который в 1865 году открыл ряд простых уравнений, описывающих электричество и магнетизм как совокупность действий электрического и магнитного полей. В физике термин «поле» обозначает объемы пространства, приводящие физические тела в движение. Например, яблоко падает с дерева под действием гравитационного поля Земли, притяжение стрелки магнитного компаса к Северному полюсу вызвано магнитным полем Земли, а нитки хлопковой ткани притягиваются к янтарю под действием его электрического поля. В рамках единой системы уравнений Максвелл рассматривает электричество и магнетизм как совокупность действий полей, являющихся частями единого целого – электромагнитного поля. Максвелл в своих уравнениях объединил силу магнетита с силой янтаря, представив их как единую электромагнитную силу. Это стало первым великим объединением, а следовательно, и упрощением в классической физике.
Уравнения Максвелла стали, пожалуй, одним из важнейших объединений в физике, что привело к значительному упрощению картины мира. Впрочем, это объединение произошло за несколько десятилетий до того, как Эйнштейн, сидя в патентном бюро, предавался размышлениям. Эйнштейна привлекла другая, еще более поразительная возможность упрощения, которую он смог разглядеть в уравнениях Максвелла. Из них следовало, что поле вокруг электрически заряженного тела, совершающего колебания в пространстве, создает возмущения в окружающем электромагнитном поле, которые распространяются со скоростью около 300 миллионов метров в секунду. Максвелл узнал эту величину. Это была скорость света в вакууме. Он пришел к ошеломляющему выводу: свет представляет собой электромагнитные волны, возникающие в результате движения электрически заряженных частиц или, говоря современным языком, электронов, внутри материи[413]. Универсальные законы Максвелла свели воедино электричество, магнетизм и свет, освещающий Вселенную. Свет оказался одним из проявлений действия электромагнитной силы.
Занимаясь проверкой патентных заявок в бернском бюро, Эйнштейн размышлял о том, что связывает свет и электричество. Оба явления были на тот момент крайне актуальны. Технологические сдвиги в ходе промышленной революции к тому времени обусловили переход от паровых двигателей к электрическим, и отец Эйнштейна Герман Эйнштейн вместе со своим братом Яковом основали в Мюнхене электротехническую компанию Einstein & Cie. Бюро, в котором работал Эйнштейн, перешло на освещение электрическими лампочками, промышленное производство которых начали всего лишь 20 лет назад Томас Эдисон и Джозеф Суон. Многие заявки, поступавшие в патентное бюро Берна, касались изобретения электрических машин. Разбирая поданные документы, Эйнштейн размышлял о том, что, если бы ему пришлось самому изобрести электрическую машину на основе уравнений Максвелла, какое значение следует выбрать для скорости света?
Помните корабль Галилея? Находившиеся в его трюме птицы, рыбы и моряки даже не подозревали о том, что они движутся. Если бы на этом корабле находилась электрическая машина, то как в этом случае следует учитывать скорость света в расчетах работы машины: относительно стен помещения или относительно удаляющегося берега? Если скорость света, как любая другая скорость, относительна, тогда и физические законы будут разными для разных наблюдателей в зависимости от того, как эти наблюдатели движутся. Эта мысль не давала Эйнштейну покоя.
ПЕРЕВОРОТ В ФИЗИКЕ
Уильям Оккам свел всю средневековую схоластическую философию и теологию к одному простому утверждению о том, что все подчиняется воле всемогущего Бога, и в дальнейшем изучал последствия данного утверждения. Несколько веков спустя Рене Декарт, развенчав западную философию, заложил основы философии Нового времени с помощью простого утверждения, которое сейчас известно каждому: «Я мыслю, следовательно, я существую». Эйнштейн поступил так же с физикой. Он был убежден в универсальности законов Максвелла, считая, что для этого необходимо одно условие: скорость света должна быть одинаковой для всех равномерно движущихся наблюдателей[414]. Он утверждал, что, в отличие от всех других объектов Вселенной, свет не подчиняется принципу относительности Галилея.
За кажущейся простотой этого утверждения скрывается нечто поразительное. Чтобы понять, насколько оно необычно, мы проведем опыт, который Эйнштейн называл «мысленным экспериментом» (нем. Gedanken), и представим, что морские волны ведут себя так же, как световые волны. Далее представим, что вы собираетесь подняться на борт катера, пришвартованного к пристани в западной части порта Сан-Марко в Венеции, что находится неподалеку от университетского городка Падуи, где жил и работал Галилей. Из-за своеобразного характера течений в Адриатике волны там движутся параллельно берегу, с востока на запад, вдоль хода судна от кормы к носу.
Пока вы и ваша подруга Алиса стоите на пристани Сан-Марко, вы наблюдаете за тем, как волны катятся вдоль корпуса катера, проходя расстояние от кормы до носа за 2 секунды. Вам известно, что длина катера составляет 10 метров. Зная это, можно легко рассчитать скорость волн – она составит 5 метров в секунду. Примем эту величину за водный эквивалент скорости света, которая, как мы знаем, должна быть одинаковой для всех наблюдателей. Вы поднимаетесь на катер и, как Галилей, берете с собой на борт клетку
