Текст книги "Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная"

Путь Эйнштейна к теории относительности

Однажды Эйнштейн сказал: “Новая идея приходит неожиданно и чаще интуитивным образом”. Но поспешил добавить: “Интуиция есть не что иное, как проявление накопленного интеллектуального опыта”[293]293
  Письмо Эйнштейна д-ру Г. Гордону, 3 мая 1949 г., AEA 58–217.


[Закрыть].

Теория относительности так и создавалась Эйнштейном – с помощью интуиции, базирующейся на десятилетнем интеллектуальном и личном опыте[294]294
  См. книгу Alan Lightman, Einstein’s Dreams, в которой можно найти предположения по поводу открытия Эйнштейном специальной теории относительности. Лайтману, похоже, удалось уловить дух профессиональных, личных и научных мыслей, занимавших тогда Эйнштейна.


[Закрыть]. Самым важным и очевидным, на мой взгляд, было его глубокое знание и понимание теоретической физики. Еще ему помогала развившаяся во время учебы в Арау способность визуализировать мысленные эксперименты. Полезным оказалось и знание основ философии: Юм и Мах приучили Эйнштейна скептически относиться к вещам и явлениям, которые невозможно наблюдать непосредственно. И этот скептицизм был усилен присущей ему бунтарской склонностью не доверять авторитетам.

Была и еще пара обстоятельств, возможно, усиливавших его способность наглядно представлять себе физическую ситуацию и обнажать суть концепции. Во-первых, это его познания в технике, полученные в детстве, когда он помогал дяде Якобу отлаживать магниты и движущиеся катушки в генераторах. А во-вторых, когда он работал в патентном бюро, его начальник всячески поощрял его скептическое отношение к содержанию поданных заявок, и кроме того, тогда через его руки прошло множество заявок по новым методам синхронизации часов. Помогло и то, что Эйнштейн в Берне снимал квартиру поблизости от Часовой башни и железнодорожной станции, над помещением телеграфа, а в Европе как раз тогда началось использование электрических сигналов для синхронизации часов внутри часовых зон. И наконец, рядом оказался друг, сыгравший роль резонатора идей, – Мишель Бессо, с которым они вместе работали в патентном бюро и обсуждали заявки на электромеханические приборы[295]295
  Питер Галисон – историк науки из Гарварда – наиболее убедительно доказывал, что на Эйнштейна повлияла окружающая его технологическая среда. Артур И. Миллер – более умеренный сторонник этой точки зрения. Среди тех, кто считал, что это влияние переоценивается, Джон Нортон, Тильман Зауэр и Альберто Мартинес. См. Alberto Martinez, Material History and Imaginary Clocks в Physics in Perspective, 6 (2004): 224.


[Закрыть].

Насколько сильно каждое из этих обстоятельств повлияло на создание теории, можно оценить лишь субъективно. В конце концов, даже сам Эйнштейн не мог с уверенностью рассказать, как развивался процесс рождения теории. “Трудно сказать, как я пришел к теории относительности, – говорил он, – существовало так много скрытых сложностей, которые стимулировали мою мысль”[296]296
  Einstein 1922c. Я основываюсь на исправленном переводе этой лекции 1922 г. на английский, из которой следует, что Эйнштейн дал несколько иное объяснение – см. объяснение в библиографии.


[Закрыть].

Но одну вещь мы можем утверждать с уверенностью – мы точно знаем, с чего Эйнштейн начал. Он не раз повторял, что его путь в теорию относительности начался с мысленного эксперимента, который он провел в шестнадцать лет, когда представлял себя летящим рядом со световым лучом с той же скоростью. Как он позже рассказывал, возникал “парадокс”, который мучил его последующие десять лет, и он сформулировал его следующим образом:

“Если я лечу рядом с лучом со скоростью с (равной скорости света в вакууме), я должен воспринимать этот луч света в виде остановившегося во времени, но осциллирующего в пространстве электромагнитного поля. Но опыт подсказывает, что такого не может быть, к тому же это противоречит уравнениям Максвелла. С самого начала мне интуитивно было ясно, что для этого наблюдателя все должно происходить так же, как и для наблюдателя, находящегося в покое относительно Земли, поскольку непонятно, как первый наблюдатель узнает или сможет определить, что он находится в состоянии быстрого равномерного движения. Легко увидеть, что уже в этом парадоксе содержались зачатки специальной теории относительности”[297]297
  Einstein 1949b, 49. По поводу других версий см. Wertheimer, 214; Einstein 1956, 10.


[Закрыть].

Этот мысленный эксперимент не обязательно опровергал эфирную теорию распространения световых волн. Действительно, теоретик, предполагавший, что эфир существует, мог вообразить застывший луч света. Но интуиция подсказывала Эйнштейну, что законы оптики должны подчиняться принципу относительности. Другими словами, уравнения Максвелла, которые определяют скорость света, должны быть одними и теми же для всех наблюдателей, движущихся с постоянными скоростями. То, что Эйнштейн сделал акцент на этом своем воспоминании, указывает на то, что представление о застывшем луче света – или застывших электромагнитных волнах – инстинктивно казалось ему неправильным[298]298
  В книге Miller 1984, 123 имеется примечание, в котором объясняется, как мысленный эксперимент 1895 г. повлиял на ход рассуждений Эйнштейна. См. также Miller 1999, 30–31; Norton 2004, 2006b. В последней работе Нортон замечает: “Это не волнует теоретиков, которые считают, что эфир существует. Из уравнений Максвелла непосредственно следует, что этот наблюдатель увидит неподвижную волну, а сторонники существования эфира считают, что в опыте нельзя увидеть неподвижную волну, поскольку в эфире мы не можем двигаться со скоростью света”.


[Закрыть].

Кроме того, этот мысленный эксперимент показывает: он чувствовал, что ньютоновские законы механики противоречат постоянству скорости света, следующему из максвелловских уравнений. Все это породило в нем чувство “психологического напряжения”, которое его сильно нервировало. Позднее он вспоминал: “В самом начале, когда специальная теория относительности начала прорастать во мне, у меня возникали разные виды психологического дискомфорта. Когда я был молодым, я зачастую в состоянии замешательства на несколько недель забрасывал [эту тему]”[299]299
  Письмо Эйнштейна Эрике Оппенгеймер, 13 сентября 1932 г., AEA 25– 192; Moszkowski, 4.


[Закрыть].

Существовало также и более специальная “асимметрия”, которая начала его беспокоить. Когда магнит движется относительно петли из проволоки, в ней возникает электрический ток. Как Эйнштейн знал по опыту обращения с генераторами, которые делали на семейных предприятиях, величина электрического тока одинакова, если магнит движется, а катушка кажется неподвижной и если катушка движется, а магнит кажется неподвижным. Кроме того, он в 1894 году прочел книгу Августа Фёппля “Введение в теорию электричества Максвелла”. В ней была глава “Электродинамика движущихся проводников”, в которой автор выражал сомнение в том, что индукция в случае, когда движется магнит, и в случае, когда движется проводящая катушка, будет разной[300]300
  Джеральд Холтон был первым, кто обратил наше внимание на влияние Фёппля на Эйнштейна, процитировав слова мужа приемной дочери Эйнштейна Антона Райзера и немецкое издание биографии Филиппа Франка: Holton 1973, 210.


[Закрыть].

“Но в теории Максвелла – Лоренца, – вспоминал Эйнштейн, – теоретическая интерпретация двух этих явлений различается”. В первом случае, согласно закону индукции Фарадея, движение магнита через эфир создает электрическое поле. Во втором случае при движении проводящей катушки в магнитном поле возникает сила Лоренца и, следовательно, электрический ток. Эйнштейн говорил: “Мысль о том, что эти два случая должны существенно различаться, была для меня непереносимой”[301]301
  Einstein, Fundamental Ideas and Methods of the Theory of Relativity (1920), неопубликованный черновик статьи для Nature, CPAE 7: 31. См. также Holton 1973, 362–364; Holton 2003.


[Закрыть].

В течение многих лет Эйнштейн боролся с концепцией эфира, которая в этих теориях электрической индукции служила для теоретического определения понятия “покоя”. Еще будучи студентом Цюрихского политехникума, он в 1899 году написал Милеве Марич, что “введение в теорию электричества понятия «эфир» привело к введению концепции среды, движение которой можно описать, как мне кажется, только не приписывая ей какого-либо физического смысла”[302]302
  Письмо Эйнштейна Милеве Марич, 10 августа 1899 г.


[Закрыть]. Тем не менее в том же месяце он, приехав на каникулы в Арау, вместе с учителем своей старой школы стал работать над способами обнаружения эфира. Он написал Марич:

“У меня есть хорошая идея, как определить влияние движения тела относительно эфира на скорость распространения света”.

Профессор Вебер сказал тогда Эйнштейну, что его подход нереалистичен. Возможно, по предложению Вебера Эйнштейн прочитал работу Вильгельма Вина, который описал тринадцать экспериментов по поискам эфира с нулевым результатом, включая эксперименты Майкельсона и Морли, а также Физо[303]303
  Письмо Эйнштейна Милеве Марич, 10 сентября 1899 г.; Einstein 1922c.


[Закрыть]. Кроме того, в какой-то момент (до 1905 года) он прочитал книгу Лоренца 1895 года “Попытка построения теории электрических и оптических явлений движущихся тел”, из которой узнал больше про эксперимент Майкельсона – Морли. В этой книге Лоренц, прежде чем перейти к построению своей теории сокращения предметов, привел обзор всех неудавшихся попыток найти эфир[304]304
  Письмо Эйнштейна Роберту Шанкланду 19 декабря 1952 г. доказывает, что он прочитал книгу Лоренца до 1905 г. В своей лекции, прочитанной в 1922 г. в Киото (Einstein 1922c), он, рассказывая о том, что делал в 1899 г., когда был студентом, сказал: “Как раз в это время у меня появилась возможность прочитать работу Лоренца 1895 г.”. В письме Эйнштейна к Мишелю Бессо (22 (?) января 1903 г.) он говорит, что начинает “всеобъемлющие глубокие исследования электронной теории”. Артур И. Миллер подробно рассказывает о том, какие книги к тому времени Эйнштейн уже изучил. См. Miller 1981, 85–86.


[Закрыть].

“Индукция и дедукция в физике”

Ну и какой эффект оказали на Эйнштейна, вынашивавшего свои идеи по относительности, результаты эксперимента Майкельсона и Морли, которые не обнаружили свидетельств существования эфира и изменения наблюдаемой скорости света в зависимости от того, в каком направлении движется наблюдатель? Послушать его самого, так вообще никакого. Временами он утверждал (и ошибался), что до 1905 года вообще об этих экспериментах ничего не знал. Противоречивые заявления Эйнштейна в течение последующих пятидесяти лет о влиянии на его работы опыта Майкельсона – Морли полезно принять во внимание как напоминание о том, насколько нужно быть осторожным при анализе истории, основанной на смутных воспоминаниях[305]305
  Этот раздел взят из книг Джеральда Холтона, глава Einstein, Michelson, and the ‘Crucial’ Experiment, в Holton 1973, 261–286, и книги Пайса: Pais 1982, 115–117. Оба исследуют меняющиеся утверждения Эйнштейна. С годами исторический подход стал другим. Например, коллега-физик и друг Эйнштейна на протяжении долгих лет Филипп Франк в 1957 г. написал: “Отправной точкой для Эйнштейна стал самый знаменитый опыт, в котором старые законы движения и распространения света не смогли объяснить результат эксперимента Майкельсона”. (Frank 1957, 134). Джералд Холтон, историк науки из Гарварда, в письме (30 мая 2006 г.) ко мне по поводу этого вопроса написал следующее: “Что касается эксперимента Майкельсона – Морли, еще 30–40 лет назад почти все писали, в частности и в учебниках, что была прямая связь между этим экспериментом и специальной теорией относительности Эйнштейна. Все это, конечно, изменилось, когда появилась возможность тщательно изучить рукописи самого Эйнштейна, касающиеся этого вопроса… Даже непрофессиональные историки давным-давно отказались от мысли, что имелась существенная связь между этим экспериментом и работой Эйнштейна”.


[Закрыть].

Путаница с высказываниями Эйнштейна началась в 1922 году, когда он в приветствии конференции, произнесенном им в японском городе Киото, заметил, что неудачная попытка Майкельсона обнаружить эфир была “первой ниточкой, которая привела меня к тому, что мы называем принципом специальной теории относительности”. А в тосте на обеде в Пасадене в честь Майкельсона в 1931 году Эйнштейн, отдав должное именитому экспериментатору, выразился очень витиевато: “Вы обнаружили коварное противоречие в существующей в то время «эфирной» теории света и стимулировали возникновение концепций Лоренца – Фицджеральда, из которых выросла специальная теория относительности”[306]306
  Einstein 1922c; тост Эйнштейна в честь Альберта Майкельсона, общество Атениум, Калтех, 15 января 1931 г., AEA 8–328; Послание Эйнштейна в честь столетия Альберта Майкельсона, Институт Кейса, 19 декабря 1952 г., AEA 1–168).


[Закрыть].

Эйнштейн описал свой мыслительный процесс в беседах с основоположником гештальтпсихологии Максом Вертгеймером, который позднее назвал результаты эксперимента Майкельсона – Морли “ключевыми”, задавшими направление мыслительного процесса Эйнштейна. Но Артур И. Миллер показал, что это утверждение, возможно, было обусловлено тем, что Вертгеймер хотел использовать эту историю в качестве иллюстрации успешности принципов гештальтпсихологии[307]307
  Wertheimer, глава 10; Miller 1984, 190.


[Закрыть].

В последние годы жизни Эйнштейн внес еще большую путаницу в этот вопрос, сделав ряд утверждений на эту тему в беседах с физиком Робертом Шенкландом. Сначала он заявил, что прочитал про эксперимент Майкельсона – Морли только после 1905 года, потом – что прочитал о нем в книге Лоренца до 1905 года, а в конце добавил: “Я думаю, что считал этот результат само собой разумеющимся”[308]308
  Robert Shankland interviews and letters, 4 февраля 1950 г., 24 октября 1952 г., 19 декабря 1952 г. См. также письмо Эйнштейна Ф. Давенпорту, 9 февраля 1954 г.: “На мои собственные исследования результаты Майкельсона не оказали серьезного влияния, я даже не помню, знал ли я о них вообще, когда писал свою первую работу на эту тему. Объяснение состоит в том, что я был твердо убежден в том, что абсолютного движения не существует, уже из общих соображений”.


[Закрыть].

Последнее утверждение – наиболее важное, поскольку Эйнштейн повторял его много раз. К тому времени как он начал серьезно работать над теорией относительности, он просто принял как само собой разумеющееся, что не нужно изучать все эксперименты, связанные с поиском движения эфира, поскольку согласно его изначальной точке зрения все попытки найти эфир были обречены на неудачу[309]309
  Miller 1984, 118: “Для Эйнштейна не было необходимости изучать каждый имеющийся на то время эксперимент по определению движения эфира, поскольку в его понимании их результаты были предопределены с самого начала (ab initio)”. Этот раздел моей книги основывается на работе Миллера и на тех советах, которые он дал при прочтении более раннего черновика.


[Закрыть]. Для него смысл этих экспериментальных результатов состоял в том, что они укрепляли его уверенность в применимости принципа относительности Галилея и к световым волнам[310]310
  Эйнштейн считал, что отрицательные результаты экспериментов по движению эфира подкрепляют правоту принципа относительности, а не постулата о том, что скорость света – величина постоянная (как иногда считается). John Stachel. Einstein and Michelson: The Context of Discovery and Context of Justification, 1982, в Stachel 2002a.


[Закрыть].

Это, возможно, и объясняет незаслуженно малое внимание, которое он уделил результатам экспериментов в своей статье 1905 года. Он никогда не ссылался ни конкретно на эксперимент Майкельсона – Морли, даже когда этого требовала логика изложения, ни на эксперимент Физо, использовавшего движущуюся воду. Вместо этого сразу после дискуссий о том, что имеет значение лишь относительное движение магнита и катушки, он просто упомянул “неудавшиеся попытки определить движение Земли относительно светоносной среды”[311]311
  Эйнштейн А. К электродинамике движущихся тел. Здесь и далее цитируется русский перевод статьи. Собр. науч. трудов: в 4 т. Т. 1.


[Закрыть].

Некоторые научные теории строятся в первую очередь индуктивно: анализируется множество экспериментальных данных, а потом разрабатываются теории, объясняющие эти экспериментальные данные. Но некоторые теории создаются в основном при помощи дедукции: за основу берутся элегантные принципы и постулаты, признанные незыблемыми, и из них выводятся следствия. Все ученые применяют оба подхода в разных пропорциях. У Эйнштейна было отличное чутье на экспериментальные результаты, и он его использовал, чтобы отобрать те из них, которые можно использовать в качестве отправных точек для создания теории[312]312
  Профессор Роберт Ринасиевич из университета Джонса Хопкинса – один из тех, кто утверждает, что Эйнштейн опирался на индуктивный метод. Даже несмотря на то, что сам Эйнштейн в последние годы писал, что он часто полагался больше на дедуктивные, чем на индуктивные методы, Ринасиевич называет это утверждение “весьма спорным”. Он считает, напротив, что “annus mirabilis – это триумф того, чего можно достичь индуктивным методом, несмотря на отсутствие фундаментальной теории, отталкиваясь от установленных фактов”. Такой комментарий мне прислал Ринасиевич по и-мейлу, прочитав черновик этого раздела моей книги (29 июня 2006 г.).


[Закрыть]. Но упор он делал прежде всего на дедуктивный подход[313]313
  Miller 1984, 117; Sonnert, 289.


[Закрыть].

Вспомним, как в своей статье по броуновскому движению Эйнштейн так странно, но вполне точно приуменьшил значение экспериментальных результатов в том выводе, который был, по существу, получен с помощью теоретической дедукции. С теорией относительности была похожая ситуация. То, что он имел в виду, говоря о броуновском движении, он в точности повторил по поводу роли эксперимента Майкельсона – Морли при выводе принципа относительности: “Я был совершенно уверен в справедливости этого принципа до того, как узнал об этом эксперименте и его результатах”.

На самом деле все три эпохальные статьи 1905 года начинаются с описания его намерения использовать дедуктивный подход. Каждую из них он начинает не со ссылки на необъясненные экспериментальные результаты, а с указания на некоторые несообразности, которые следуют из альтернативных теорий. Затем он формулирует некие важные принципы и в то же время приуменьшает роль опытных данных, будь то броуновское движение, излучение твердого тела или скорость света[314]314
  Holton 1973, 167.


[Закрыть].

В работе 1919 года “Индукция и дедукция в физике” он описал причины, по которым предпочитал такой подход:

“Простейшее представление о том, как возникает эмпирическая наука, можно получить из сравнения с индуктивным методом.

Отдельные факты отбираются и группируются таким образом, что закономерности, объединяющие их становятся очевидными…

Однако на этом пути большого продвижения в научном познании не будет. ‹…› По-настоящему большой прогресс в нашем постижении науки может возникнуть только на пути, диаметрально противоположном индукции. Интуитивное понимание сущности большой совокупности фактов приводит ученого к постулированию гипотетической основной закономерности или закономерностей. Из этих закономерностей он уже выводит свои заключения”[315]315
  Einstein, Induction and Deduction in Physics, Berliner Tageblatt, 25 декабря 1919 г., CPAE 7:


[Закрыть].

Его приверженность этому методу будет возрастать со временем.

“Чем глубже мы проникаем в суть и чем более всеохватывающими становятся наши теории, – провозгласит он в конце жизни, – тем меньше эмпирических знаний нужно для того, чтобы создать эти теории”[316]316
  Письмо Эйнштейна Т. Маккормаку, 9 декабря 1952 г., AEA 36–549. Маккормак был студентом университета Брауна, написавшим Эйнштейну восторженное письмо.


[Закрыть].

К началу 1905 года в своих попытках объяснить электродинамику Эйнштейн уже начал отдавать предпочтение дедуктивному методу, а не индуктивному. Позднее он скажет: “Постепенно я разочаровался в возможности открыть истинные законы природы, пытаясь конструктивно проанализировать полученные из экспериментов данные. Чем больше и чем отчаяннее я пытался это сделать, тем больше убеждался, что только открытие универсальных формальных принципов может привести нас к уверенным результатам”[317]317
  Einstein 1949b, 89.


[Закрыть].

Два постулата

Теперь, когда Эйнштейн решил строить свою теорию сверху вниз, то есть выводить ее из первых принципов, перед ним встал выбор: с какого постулата, с каких положений общего принципа начать?[318]318
  Анализ, изложенный ниже, взят из книги Миллера (Miller 1981) и работ John Stachel, John Norton, Robert Rynasiewicz, приведенных в библиографии. Миллер, Нортон и Ринасиевич были настолько любезны, что прочитали черновик моей книги и представили свои исправления.


[Закрыть]

Его первым постулатом стал принцип относительности, утверждавший, что все фундаментальные законы физики, в том числе уравнения Максвелла, описывающие поведение световой волны, являются одинаковыми для всех наблюдателей, движущихся относительно друг друга с постоянной скоростью. Или, если говорить более точно, они неизменны во всех инерциальных системах отсчета, то есть одинаковы для того, кто покоится относительно Земли, и того, кто движется с постоянной скоростью в поезде или космическом корабле. Он поверил в этот постулат еще со времени своего мысленного эксперимента, в котором он представлял себя летящим вдоль светового луча: “С самого начала мне интуитивно было ясно, что с точки зрения этого наблюдателя все должно подчиняться тем же законам, что и для наблюдателя, покоящегося относительно Земли”.

Для сопутствующего постулата, касающегося скорости света, у Эйнштейна было два варианта.

1. Он мог рассматривать излучение света как испускание частиц и считать, что свет вылетает из источника подобно пулям из ружья. Тогда не было необходимости в эфире. Частицы света могли распространяться в пустоте. Их скорость измерялась бы относительно источника. Если бы источник приближался к вам, вылетающие частицы летели бы к вам быстрее, чем если бы он от вас удалялся от вас. (Представьте себе питчера (подающего в бейсболе), который кидает мяч со скоростью 160 км/ч. Если он бросает мяч из машины, мчащейся на вас, мяч полетит к вам быстрее, чем если машина с подающим мяч питчером будет от вас удаляться.) Другими словами, свет, излучаемый звездой, будет распространяться со скоростью 300 000 км/с, но если звезда летела бы к Земле со скоростью 16 000 км/с, скорость испускаемого ею света относительно наблюдателя на Земле должна была бы быть равной 316 000 км/с.

2. Альтернативное утверждение состояло в том, что скорость света постоянна – 300 000 км/с – и не зависит от движения источника, что больше согласовалось с волновой теорией света. Если использовать аналогию со звуковыми волнами, в этом случае звук сирены пожарной машины не доходил бы до вас быстрее из-за того, что она мчится к вам, а не стоит на месте.

Во всех случаях звук бы распространялся через воздух со скоростью примерно 1200 км/ч[319]319
  Если источник звука движется на вас, волны к вам не будут приходить быстрее. Однако, согласно эффекту Доплера, волны сожмутся, длина волны уменьшится, частота увеличится, что приведет к более высокому звуку (а когда завывающая пожарная машина, промчавшись мимо вас, начнет удаляться – к более низкому). То же самое происходит со светом. Если источник движется на вас, длина волны уменьшается (частота увеличивается), так что его спектр сдвигается в более голубую часть. Спектр удаляющегося источника сдвигается в более красную область. – Прим. авт.


[Закрыть].

В течение некоторого времени Эйнштейн разрабатывал первую гипотезу, то есть эмиссионную теорию. Такой подход особенно привлекателен, если вы считаете, что свет ведет себя как поток квантов. Как было показано в предыдущей главе, как раз эта концепция световых квантов была предложена Эйнштейном в марте 1905 года, когда он сражался со своей теорией относительности[320]320
  См. Miller, 1981, 311, где описывается связь между работами Эйнштейна по световым квантам и специальной теорией относительности. В разделе 8 работы по специальной теории относительности Эйнштейн обсуждает световые импульсы и заявляет: “Примечательно, что энергия и частота светового пакета меняются в зависимости от движения наблюдателя в соответствии с тем же законом”.


[Закрыть].

Но при этом подходе возникали проблемы. Его использование, похоже, должно было привести к тому, что и уравнения Максвелла, и волновая теория света стали бы несправедливыми. Если скорость света зависит от скорости источника, из которого свет испускается, тогда в нем должна каким-то образом содержаться в неявном виде информация об этом. Но и эксперименты, и уравнения Максвелла указывали на то, что этого не происходит[321]321
  Norton, 2006a.


[Закрыть].

Эйнштейн попытался найти способы как-то модифицировать уравнения Максвелла, чтобы они согласовывались с эмиссионной теорией световых квантов, но попытки оказались безуспешными.

“Эта теория требует, чтобы везде и в каждом определенном направлении было возможно распространение световых волн с разными скоростями, – вспоминал он свои рассуждения позднее, – и могло оказаться невозможным построить разумную теорию электромагнетизма, в которой бы такой трюк оказался выполнимым”[322]322
  Письмо Эйнштейна Альберту Риппенбейну, 25 августа 1952 г., AEA 20– 46. См. также письмо Эйнштейна Марио Вискардини, 28 апреля 1922 г., AEA 25–301, где он написал: “Я тогда отверг эту гипотезу, поскольку она влекла за собой огромные теоретические трудности (например, требовалось объяснить образование тени экраном, движущимся относительно источника света)”.


[Закрыть].

К тому же ученые не смогли найти никакого свидетельства того, что скорость света зависит от скорости источника. Свет от разных звезд, похоже, приходит к нам с одной той же скоростью[323]323
  Mermin, 23. Это в конце концов было окончательно доказано Вильгельмом де Ситтером, который в 1913 г. опубликовал свои исследования двойных звезд, вращающихся одна вокруг другой с громадной скоростью. Но даже и до этого ученые заметили, что нельзя было найти свидетельств, подтверждающих то, что скорость света, излучаемого движущимися звездами или любыми другими источниками, не одинакова.


[Закрыть].

Чем больше Эйнштейн думал об эмиссионной теории света, тем больше проблем в ней находил. Как он объяснял своему другу Паулю Эренфесту, было трудно понять, что происходит, когда свет от “движущегося” источника преломляется или отражается от покоящегося экрана. Кроме того, если считать эмиссионную теорию правильной, свет от ускоряющегося источника мог бы в определенный момент направиться назад к источнику.

И поэтому Эйнштейн отверг эмиссионную теорию в пользу постулата о постоянстве скорости света, не зависящей от того, как быстро движется источник. Он говорил Эренфесту: “Я пришел к убеждению, что свет всегда должен определяться только частотой и интенсивностью и совершенно не зависеть от того, приходит ли он от движущегося источника или стационарного”[324]324
  Письмо Эйнштейна Паулю Эренфесту, 25 апреля и 20 июня 1912 г. Выбрав такой подход, Эйнштейн продолжил множить противоречия с квантовой теорией, которые мучили его всю оставшуюся жизнь. В своей работе по световым квантам он превозносит волновую теорию, но в то же время выдвигает идею о том, что свет можно рассматривать как частицы. Теория излучения света хорошо сочетается с таким подходом. Но и факты, и интуиция заставили его отказаться от этого подхода в теории относительности, причем как раз в тот момент, когда он заканчивал свою статью по квантам света. В предисловии к сборнику статей (Einstein’s Miraculous Year (Princeton: Princeton University Press, 2005), xi) физик сэр Роджер Пенроуз пишет: “Для меня было практически немыслимо представить, что он написал в одном и том же году две работы, в которых излагались его гипотетические взгляды на природу и которые, как он ощущал, противоречили друг другу. Это можно объяснить только тем, что он должен был в глубине души чувствовать (и как выяснилось, так и было), что не было никакого настоящего противоречия между точностью – а на самом деле истинностью – волновой теории Максвелла и альтернативной теорией квантов, которую он изложил в своей статье про кванты. Это напоминает борьбу Исаака Ньютона около 300 лет назад, по существу, с той же самой проблемой, когда тот предложил любопытный гибрид волнового и частичного подходов для того, чтобы объяснить противоречивые проявления поведения света”. Roger Penrose, предисловие к книге Einstein’s Miraculous Year (Princeton: Princeton University Press, 2005), xi. См. также Miller 1981, 311.


[Закрыть].

Теперь у Эйнштейна было два постулата: “принцип относительности” и новый, который он назвал “постулатом скорости света”. Он аккуратно сформулировал его так: “Свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью V независимо от состояния движения излучающего тела”[325]325
  Einstein. On the Electrodynamics of Moving Bodies, 30 июня 1905 г., CPAE 2: 23. Изначально Эйнштейн использовал для обозначения постоянной скорости света букву V, а семь лет спустя стал использовать букву с, которая и используется теперь всеми.


[Закрыть]. Например, когда вы измеряете скорость света, испускаемого фарами поезда, она всегда будет равна 300 000 км/с – и когда поезд приближается к вам, и когда поезд удаляется.

К сожалению, оказалось, этот постулат о постоянстве скорости света не сочетается с принципом относительности. Почему? Позднее Эйнштейн использовал следующий мысленный эксперимент, чтобы объяснить это явное противоречие.

Он предложил представить себе “луч света, направленный вдоль железнодорожной платформы”. Человек, стоящий на платформе, измерит скорость пролетающего мимо него луча и получит значение 300 000 км/с. А теперь представим себе женщину, сидящую в вагоне очень быстро мчащегося поезда, удаляющегося от источника света со скоростью 3200 км/с. Мы предположим, что для нее скорость проносящегося мимо света будет равна всего 296 800 км/с. Эйнштейн написал: “Скорость луча света относительно мчащегося вагона тогда окажется меньшей”.

“Но этот результат приходит в противоречие с принципом относительности, – добавил он, – поскольку, как и каждый другой основной закон природы, закон распространения света должен в соответствии с принципом относительности быть одним и тем же и когда железнодорожный вагон является системой отсчета, и когда системой отсчета служит платформа”. Другими словами, уравнения Максвелла, определяющие скорость распространения света, должны быть справедливы и для движущегося вагона, и для покоящейся платформы. Нельзя придумать никакого эксперимента, включая измерение скорости света, который бы позволил различить, какая из инерциальных систем находится в состоянии “покоя”, а какая – движется с постоянной скоростью[326]326
  Во втором параграфе статьи он формулирует постулат о скорости света более точно: “Каждый луч света в «покоящейся» системе координат движется с определенной скоростью V независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом”. Другими словами, в этом постулате утверждается, что скорость света остается той же самой независимо от того, с какой скоростью движется источник света. Многие писатели при формулировке постулата путают это утверждение с более сильным утверждением о том, что свет всегда движется с одинаковой скоростью в любой инерциальной системе координат независимо от того, как быстро движутся и в каком направлении (друг к другу или в противоположные стороны) источник и наблюдатель. Это утверждение тоже правильное, но оно вытекает из объединения принципа относительности и постулата о скорости света.


[Закрыть].

Это был странный результат. Женщина, едущая в поезде в направлении источника света или от него, и наблюдатель, стоящий на платформе, измеряющий скорость того же луча света, который летит мимо него, должны увидеть, что свет распространяется с одинаковой скоростью. Если женщина бежит по рельсам к поезду или от него, ее скорость движения относительно него будет разной. Но ее скорость относительно луча света от фар этого поезда будет неизменной. Все эти странности сделали, как думал Эйнштейн, эти два постулата “на первый взгляд несовместимыми”. Позже он рассказал об этом противоречии в лекции, посвященной тому, как он пришел к своей теории относительности: “Постоянство скорости света несовместимо с правилом сложения скоростей. В результате мне пришлось провести почти год в тщетных попытках найти выход”[327]327
  Einstein 1922c. Эйнштейн объясняет это в своей популярной книге 1916 г.: Relativity: The Special and General Theory, в параграфе 7 The Apparent Incompatibility of the Law of Propagation of Light with the Principle of Relativity (“Кажущаяся несовместимость закона распространения света с принципом относительности”).


[Закрыть].

Соединение постулата о скорости света с принципом относительности привело бы к тому, что наблюдатель должен был бы при измерении скорости света получать одно и то же значение независимо от того, источник ли света движется к нему или от него, он ли движется к источнику света или от него или же оба как-то движутся или находятся в состоянии покоя. Скорость света должна быть одной и той же вне зависимости от взаимного движения источника и наблюдателя.

Так обстояли дела в начале марта 1905 года. Эйнштейн сначала выбрал принцип относительности и возвел его в ранг постулата. После этого не без колебаний принял в качестве постулата и то, что скорость света не зависит от движения источника света. И стал ломать голову над явным противоречием, состоявшим в том, что наблюдатель, бегущий по направлению к источнику света, и наблюдатель, удаляющийся от источника, увидят свет, идущий к ним с одинаковой скоростью, и эту же скорость зафиксирует наблюдатель, неподвижно стоящий на платформе и наблюдающий за движением того же луча.

Эйнштейн писал: “В связи с этой дилеммой кажется неизбежным отказаться либо от принципа относительности, либо от простого закона распространения света в пустоте”[328]328
  Einstein 1916, параграф 7.


[Закрыть].

А потом случилось нечто невероятное. Во время разговора с другом к Альберту Эйнштейну пришло одно из самых замечательных творческих озарений за всю историю физики.