Эйнштейн во времени и пространстве. Жизнь в 99 частицах

Электрический свет окружал молодого Эйнштейна: электрические осветительные приборы были и в авангарде современных технологий, и основой семейного бизнеса. И хотя ученые знали, как осветить городские улицы и заставить нити из растительных волокон часами светить золотистым светом, природа света оставалась для них большой загадкой. Вскоре это изменится.

2

УЭйнштейна была сестра. Она родилась в Мюнхене 18 ноября 1881 года. Хотя ее полное имя было Мария, всю жизнь ее называли по‐домашнему – Майя. Когда Альберту сообщили, что в скором времени у него появится сестричка, с которой можно будет играть, он представил себе что‐то вроде игрушки, а не то странное маленькое создание, которое предстало перед ним. Увидев сестру в первый раз, он был страшно разочарован и спросил у родителей: “Да, но где же у нее колеса?”[22]

Однако брат и сестра скоро стали близкими друзьями и всегда оставались таковыми. В жизни Эйнштейна отношения с Майей были одними из наиболее теплых и прочных. В целом их детство было благополучным: обеспеченным, легким и счастливым. Но Герман и Паулина считали, что человек и в своих действиях, и в своих мыслях должен полагаться на себя. Когда Эйнштейну было три или четыре года, его отправили одного гулять по самым шумным, запруженным лошадьми улицам Мюнхена. До этого родители один раз показали мальчику дорогу и теперь считали, что он должен справиться сам. Правда, они все же беспокоились и украдкой следили за ним, готовые сразу прийти на помощь, если что‐то пойдет не так. Но причин для беспокойства не было. Подойдя к перекрестку, Альберт, как подобает, посмотрел сначала в одну сторону, потом в другую, а затем уверенно перешел через дорогу.

По вечерам, когда уроки были сделаны, ему и Майе разрешалось играть в любые игры. Маленький Альберт предпочитал головоломки, конструктор и резьбу по дереву. Любимым занятием мальчика было сооружение карточных домиков. В этом деле он добился выдающихся результатов: ему удавалось возвести целых четырнадцать этажей.

Многочисленные двоюродные братья и сестры Эйнштейна часто приходили к ним поиграть в большом саду за домом, но Альберт редко к ним присоединялся. Зато, когда он участвовал в играх, его авторитет был непререкаем. Майя вспоминала, что он был арбитром во всех спорах[23]. Но вообще мальчик любил оставаться один, был обстоятелен, рассудителен и не торопился с выводами. Эйнштейн развивался медленно и так долго не мог научиться говорить, что встревоженные родители обратились к врачу. Определенные затруднения Альберт испытывал практически все детство: если ему надо было что‐то сказать, пусть даже самую простую фразу, он сначала шептал нужные слова про себя, из‐за чего горничная называла его дурачком[24]. Озабоченные родители попытались нанять гувернантку, но все кончилось тем, что и она стала называть мальчика Батюшка Зануда[25]. В конце концов к семи годам Эйнштейн перерос эту привычку.

Как и все другие дети, брат и сестра пререкались и дразнили друг друга, но иногда дело выходило за рамки обычной ссоры. Бывало, маленький Альберт закатывал истерики, во время которых, как вспоминала Майя, его лицо желтело, кончик носа становился белым и он полностью терял контроль над собой. Однажды, когда Эйнштейн перешел на домашнее обучение, он так разозлился на учительницу, что схватил стул и ударил ее. Бедняга сбежала, и больше ее никогда не видели.

“В другой раз он швырнул большой шар для игры в кегли в голову своей маленькой сестры”, – написала Майя примерно через сорок лет после того случая[26]. Вероятно, она не до конца простила брата. А как‐то Альберт ударил ее по голове детской мотыгой. Майя прокомментировала это следующим образом: “Это доказывает, что сестре интеллектуала необходимо иметь очень крепкий череп”[27].

3

Однажды, когда Альберту было четыре или пять лет, он лежал больной в постели. Отец, зашедший проведать мальчика, подарил ему карманный компас. Он хотел, чтобы Альберт понял предназначение компаса и мог с ним играть. Обследовав новую игрушку, Эйнштейн пришел в такое возбуждение, что ему даже стало зябко. Магнитная стрелка компаса заворожила его: он не мог понять, что происходит. Мальчик знал, что контакт тел может заставить их двигаться – это следовало из повседневного опыта, но стрелка была за стеклом, вне досягаемости, ее нельзя было потрогать. Ничто не касалось ее, а все же она двигалась, словно сжатая пальцами.

Альберт уже достаточно подрос, и такие явления, как, например, ветер и дождь, были ему привычны, он не приходил в замешательство из‐за того, что луна висит в небе и не падает. Это было привычно и знакомо с самого рождения. Но стрелка компаса, неизменно указывающая на север независимо от того, что он с компасом делает, казалась настоящим чудом.

Наблюдая, как дрожит стрелка, когда возвращается в исходное положение, Эйнштейн пришел к выводу, что это не укладывается в рамки его понимания мира. Он не знал ничего о магнитном поле Земли, но ему казалось, что на стрелку должна действовать какая‐то неведомая ему сила. По прошествии более шестидесяти лет Эйнштейн, рассказывая об этом эпизоде, говорил, что тогда ему стало ясно: “за этим должно таиться нечто глубоко скрытое”[28]. И он хотел попытаться найти объяснение этому “нечто”.

“Хотя тогда я был совсем ребенком, воспоминание об этом событии никогда не покидало меня”[29].

4

Герман Эйнштейн считал еврейские традиции пережитком “древних суеверий”[30] и гордился тем, что в его доме они не соблюдались. Лишь один из дядьев Альберта посещал синагогу, но делал это только потому, что, как он часто говорил, “никогда не знаешь наверняка”[31][32].

Поэтому неудивительно, что, когда Альберту исполнилось шесть, родители с радостью отправили его в Петершуле – местную католическую начальную школу. В классе было около пятидесяти детей, и он был единственным евреем. Эйнштейн учился по общей программе, изучая в том числе разделы катехизиса, Ветхий и Новый Завет и принимая участие в евхаристии. Эти уроки ему нравились, и он так хорошо все знал, что даже помогал одноклассникам выполнять домашние задания.

Несмотря на его происхождение, учителя относились к Эйнштейну хорошо, однако одноклассники дразнили его и по пути домой часто приставали и нападали.

Впрочем, отправить сына в католическую школу – это одно, но совсем другое – допустить, чтобы он всецело попал под влияние католиков. Поэтому для восстановления равновесия родители пригласили к мальчику дальнего родственника, который должен был преподавать ему основы иудаизма. Однако Эйнштейн пошел гораздо дальше. В 1888 году, когда ему было девять лет, он неожиданно превратился в ревностного иудея: по собственной воле строго следовал религиозным предписаниям, соблюдал субботу и ел кошерную пищу. Он даже сочинил свои собственные песнопения и исполнял их по дороге из школы домой. А семья тем временем продолжала жить своей собственной, светской жизнью.

Превращение католика[33] в иудея совпало с переходом Альберта в среднюю школу, гимназию Луитпольда, располагавшуюся почти в центре Мюнхена. Наряду с традиционной латынью и греческим в новой школе изучали математику и естественные науки, а кроме того, специальный учитель занимался религиозным воспитанием учеников-евреев.

Позднее Эйнштейн вспоминал, что в окружавшем их дом саду он тогда ощущал что‐то, напоминающее райское блаженство. Он был там счастлив, он мог отдаться созерцанию, а воздух, напоенный запахом весенних деревьев и едва распустившихся цветов, укреплял его веру. Здесь же, в саду, он осознал то, что называл “ничтожностью надежд и стремлений, мучающих большинство людей всю их жизнь”[34].

О том периоде своей жизни Эйнштейн говорил как о “религиозном рае”[35], но покинул он этот рай так же неожиданно, как и попал в него. В двенадцать лет Альберт утратил всякий интерес к религии. В этом возрасте ему следовало готовиться к бар-мицве, чтобы формально подтвердить свою принадлежность к иудаизму. Возможно, в какой‐то мере и это сыграло свою роль. Однако позднее Эйнштейн осторожно соотносил утрату веры с влиянием того, что можно назвать научным мышлением.

Эйнштейны, хотя и несколько нетрадиционно, соблюдали один из еврейских обычаев. В еврейских семьях принято было приглашать какого‐нибудь бедного религиозного студента на субботнюю трапезу. Эйнштейны приглашали к себе студента-медика Макса Талмуда по четвергам. Ему был двадцать один год, Альберту – десять, но они вскоре подружились. Выяснив, что интересует мальчика, Талмуд стал приносить ему учебники по математике и точным наукам, а Альберт каждую неделю охотно показывал Максу задачи, над которыми работал. Вначале Талмуд помогал Эйнштейну, но достаточно скоро тот превзошел своего учителя.

Эти занятия оказали большое влияние на Эйнштейна. “Читая научно-популярные книги, я скоро пришел к убеждению, что большинство библейских историй никак не могут быть правдивыми. Появилось ощущение, что с помощью лжи государство намеренно вводит в заблуждение молодежь – вывод сокрушительный, – вспоминал он. – Последствием этого стало прямо‐таки фанатическое свободомыслие”[36].

Такое понимание религии сохранилось у Эйнштейна на всю жизнь: он всегда возражал против религиозной ортодоксии и ритуалов, был враждебно настроен по отношению к любым авторитетам и догмам. Прямым следствием нового мироощущения стал отказ от бар-мицвы в последний момент, хотя на подготовку к этой церемонии Альберт потратил около трех лет.

5

Не только религия теперь вызывала у Эйнштейна отвращение. Под музыку барабанов и труб, чеканя шаг, через Мюнхен периодически проходили немецкие полки, вызывая радостный ажиотаж горожан. Окна дрожали, когда отряды шли строевым шагом, дети выбегали на улицу и, подражая солдатам, маршировали рядом. Однажды, увидев это представление, Эйнштейн расплакался. “Когда я вырасту, – объяснил он родителям, – я не хочу быть одним из этих бедолаг”[37].

И образование было устроено на военный лад. В гимназии Луитпольда, как и в большинстве немецких школ того времени, обучение основывалось на зубрежке, дисциплине и систематизации. Вопросы не приветствовались: урок следовало выучить наизусть и повторить заученное. Авторитет учителей всегда был непререкаем. Оценки у Эйнштейна были хорошие, но, открыто презирая школьную систему, гимназию и своих учителей (позже он назвал их “лейтенантами”), он никак не мог считаться прилежным учеником.

Как‐то один из учителей не выдержал и объявил присутствие Эйнштейна в классе нежелательным. Тот ответил, что не сделал ничего плохого. “Да, – сказал учитель, – но вы сидите там, на задней парте, и улыбаетесь, и само ваше присутствие в классе подрывает мой авторитет”[38]. Тот же учитель пошел еще дальше и сказал, что был бы рад, если бы Эйнштейн вообще покинул школу.

В пятнадцать лет Альберт оказался практически один в Мюнхене. После разорения отцовской фирмы семья переехала в Италию, а он остался в Мюнхене, чтобы закончить школу, и ему пришлось жить с дальними родственниками. Эйнштейн был в таком отчаянии, что уговорил их семейного доктора (старшего брата Макса Талмуда) выписать справку о том, что у него неврологическое расстройство и поэтому он должен прервать занятия. Затем Альберт отправился к своему учителю математики и попросил его подтвердить, что в совершенстве освоил предмет и является отличным математиком. В 1894 году, как раз перед рождественскими каникулами, Эйнштейн собрал чемодан, купил билет на поезд и, никого не предупредив, появился в доме своих родителей в Милане. Герман и Паулина оторопели, но, невзирая на их бурные протесты, Эйнштейн остался непреклонен: в Мюнхен он возвращаться не собирается.

Он обещал учиться самостоятельно и подготовиться к сдаче экзаменов в Политехникум – высшую техническую школу в Цюрихе. Именно там Эйнштейн собирался получить высшее образование. Несмотря на свои страхи и сомнения, Герман и Паулина сделали все, что было в их силах, пытаясь помочь Альберту реализовать его план. Когда выяснилось, что в Политехникум принимают только с восемнадцати лет, родителям удалось убедить друга семьи помочь сыну и уговорить ректора сделать для него исключение. Очевидно, этот друг серьезно отнесся к возложенной на него миссии и, рекомендуя Альберта, явно не скупился на похвалы. Альбин Херцог, директор Политехникума, ответил:

Согласно моему опыту, неразумно забирать ученика, даже так называемого вундеркинда, из того образовательного учреждения, где он начал обучение… Если Вы или родственники молодого человека, о котором идет речь, не согласны с моим мнением, я в виде исключения и в нарушение возрастных ограничений разрешу ему сдать вступительный экзамен в наш институт[39].

Экзамен начался 8 октября 1895 года и длился несколько дней. Эйнштейн провалился. Он хорошо справился с заданиями по выбранным им дисциплинам – математике и физике, но предметы из общего раздела – историю литературы, политические и естественные науки – сдать не смог. Эйнштейн не был ни настолько самоуверен, ни настолько глуп, чтобы не понять: его эксперимент не удался. Когда он пытался ответить на вопрос по зоологии, зияющие прорехи в его образовании стали очевидны. “Мой провал, – вспоминал Эйнштейн впоследствии, – был абсолютно обоснованным”[40].

Тем не менее его ответы по математике и физике произвели такое впечатление, что Альберта не просто отправили восвояси, а скорее обнадежили. Вопреки правилам декан физического факультета профессор Генрих Вебер[41] пригласил Эйнштейна посещать его лекции. В то же время Херцог рекомендовал ему завершить образование в местной средней школе и на следующий год сдать экзамены повторно. Если Альберт получит диплом, его допустят до экзаменов[42], хотя он и будет на полгода моложе, чем требуют правила Политехникума.

Итак, 26 октября Эйнштейн поступил в кантональную школу в небольшом городке Аарау, расположенном в двадцати пяти милях от Цюриха. У школы была репутация хорошего, прогрессивного учебного заведения. Кроме традиционных предметов там преподавали современные языки и естественные науки, имелась даже великолепно оборудованная лаборатория. Это помогало учащимся воспринимать материал, раскрывало их способности. Зубрежка и механическое заучивание исключались, а к ученикам относились как к самостоятельным личностям. Например, им предлагали использовать рисунки и мысленные эксперименты, если это помогает лучше разобраться в сути излагаемого материала.

Эйнштейн рассказывал об этой школе, что учителя с “простой серьезностью”[43] относились к своим ученикам. Они не подавляли авторитетом, а были обычными людьми, с которыми можно разговаривать и общаться. “Эта школа произвела на меня неизгладимое впечатление, – писал он. – Сравнивая ее с авторитарной немецкой гимназией, где я проучился шесть лет, я ясно осознал, насколько образование, предполагающее свободу действий и персональную ответственность, превосходит обучение, базирующееся на авторитете и стремлении доказать свое превосходство. Истинная демократия – не пустые слова”[44].

В Аарау Эйнштейн снимал комнату с пансионом у одного из своих школьных учителей – Йоста Винтелера. Семейство Винтелеров – сам Йост, его жена Роза и их семеро детей – в то время фактически стало семьей Эйнштейна, и вскоре он стал называть Йоста и Розу папой и мамой. Обычно ужин сопровождался оживленными разговорами, спорами и шутками.

Винтелер – филолог, журналист, поэт и орнитолог – был представительным мужчиной в небольших очках, с густыми волосами и бородкой клинышком. В школе он преподавал латынь и греческий. Этот либерально мыслящий, несколько напористый, принципиальный человек свободно излагал свои взгляды ученикам и держал себя с ними как равный. Он выступал за свободу самовыражения и глубоко презирал любые формы национализма. Вскоре Эйнштейн усвоил многие идеи Винтелера, в частности, он стал убежденным интернационалистом.

Сформировавшиеся политические взгляды и отвращение к немецкому милитаризму обусловили желание Эйнштейна сменить гражданство, и он попросил отца помочь ему в этом деле. Скорее всего, на его решение повлияли и гораздо более практические соображения: если в семнадцать лет он все еще будет гражданином Германии, его призовут в армию.

Письмо, содержавшее официальное признание Эйнштейна человеком без гражданства, пришло за шесть недель до его семнадцатого дня рождения.

6

Когда Эйнштейн поселился у Винтелеров, их младшая дочь Мария, недавно закончившая педагогический колледж, еще жила дома с родителями. Вскоре она должна была первый раз поступить на работу. Ей должно было скоро исполниться восемнадцать, Эйнштейну шел семнадцатый год. Веселая, с темными вьющимися волосами, не слишком уверенная в себе, Мария была удивительно мила. Оба любили музыку. Часто по вечерам Эйнштейн играл на скрипке, а Мария аккомпанировала на пианино. Через несколько месяцев, в конце 1895 года, они поняли, что любят друг друга.

Сначала взаимное чувство вскружило им головы. Часто по ночам, когда Эйнштейну не спалось, он говорил себе, глядя на небо, что теперь звезды созвездия Ориона прекраснее, чем когда‐либо раньше. В январе 1896 года Мария уехала от родителей и начала преподавать в деревне неподалеку. Хотя она часто приезжала домой, влюбленные, сетуя на разлуку, обменивались нежными посланиями. В одном из них Эйнштейн написал: “…Страдание прекрасно, когда есть кому тебя утешить”[45].

Он посылал Марии ноты песен Моцарта. А еще он посылал ей сосиски. Это было частью так называемого проекта “Пончик”[46], призванного помочь Марии поправиться. Альберт хотел и заставить ее ревновать, и пытался рассмешить. “Угадай, что сегодня было? – спрашивал он в одном из писем. – Я музицировал с мисс Бауман… Знай ты эту девушку, тебе ничего не осталось бы, кроме как завидовать ей. Она с невероятной легкостью способна вложить в игру на пианино всю свою нежную душу, правда, на самом деле души‐то у нее нет. Наверное, я опять невыносим и язвителен сверх меры?”[47]

Родители обоих молодых людей были чрезвычайно рады этому роману. Причем Паулине Эйнштейн очень хотелось продемонстрировать свое одобрение. Когда в апреле 1896 года Эйнштейн приехал на весенние каникулы к родителям в Италию, Паулина всячески пыталась прочесть его письма к Марии. В конце одного из писем Альберта она приписала: “Письма этого я не читала, но шлю Вам сердечный привет”[48].

Впрочем, их роман длился недолго. В октябре того же года Эйнштейн поступил в цюрихский Политехникум и окунулся в богемную студенческую жизнь. Похоже, переезд и новый круг знакомых почти сразу оказали влияние на его отношение к Марии, хотя поначалу он даже отправлял ей в стирку грязное белье. В письме от ноября 1896 года чувствуется одновременно и нежная преданность, и досада:

Любимый!

Сегодня я получила твою посылочку, но тщетно всматривалась и искала хоть небольшую записочку от тебя. Ведь мне достаточно даже адреса, написанного твоей рукой, чтобы почувствовать себя счастливой… Прошлым воскресеньем я под проливным дождем через лес шла на почту, чтобы отправить тебе обратно выстиранное белье. Его доставили вовремя?[49]

Однако Альберт уже решил, что больше переписываться им не стоит. Она ответила: “Любимый, я не совсем поняла один абзац в твоем письме. Ты больше не хочешь переписываться со мной, но почему, мой милый?”[50] Мария послала в подарок Эйнштейну заварочный чайничек. Он ответил почти невежливо, заявив, что ей не следовало утруждать себя. “Мой дорогой, – написала Мария в ответ. – Я послала этот глупый чайничек не для того, чтобы тебя порадовать, а чтобы ты мог заваривать в нем хороший чай… Так что успокойся и перестань корчить злые рожи, которые смотрят на меня из каждой строчки твоего письма, из каждого уголка почтовой бумаги, на которой оно написано”[51].

Эйнштейн перестал писать, и она начала сомневаться в прочности их отношений. Правда, перевернув все с ног на голову, обвиняла она главным образом себя. Мария задавалась вопросом: возможно, дело в ней? Она чувствовала, что недостаточно умна для Эйнштейна, и искренне считала, что он не бросил ее только из‐за каких‐то неразумно взятых на себя обязательств. Со своей стороны Эйнштейн, похоже, и сам не хотел причинить Марии боль. Он чувствовал себя виноватым и все еще был немного влюблен, поэтому вместо того, чтобы признаться в своих истинных чувствах, пытался успокоить Марию.

Наконец, в мае 1897 года Эйнштейн решил порвать с ней окончательно. Он послал Марии записку, где заклинал не винить себя и продолжал: “Умоляю тебя не презирать меня за то, к чему я, слабовольный человек, пришел после изнурительной борьбы с самим собой. То, что я сделал, не заслуживает даже ненависти… только презрения”[52].

Поскольку планировалось, что вскоре он поедет к Винтелерам, ему пришлось написать и Розе Винтелер – “дорогой мамочке”, как он часто к ней обращался:

Я не смогу приехать к вам на Троицу. С моей стороны было бы недостойно купить несколько дней блаженства ценой новых мук дорогого дитя, уже и так пострадавшего по моей вине… Напряженная интеллектуальная работа и созерцание Божественной Природы – вот те дающие силу и умиротворение неумолимо строгие ангелы, которые проведут меня через жизненные неурядицы… И все же до чего это странный способ уцелеть в житейских бурях – часто, в минуты просветления, мне кажется, что, почуяв опасность, я, как страус в пустыне, прячу голову в песок. Человек создает свой маленький мирок, столь незначительный и такой крохотный в сравнении с постоянно меняющимся масштабом всего сущего, но в нем он, как крот в вырытой им норе, чувствует себя удивительно большим и значительным[53].

7

На протяжении всей своей научной карьеры Эйнштейн часто использовал мысленные эксперименты как инструмент для решения задач и объяснения своих идей. Рукописи Эйнштейна полны рисунков, иллюстрирующих ход его рассуждений: поезда, дамбы и молнии, плавающий контейнер без окон, ползающие по веткам слепые жуки и сверхчувствительное устройство, способное испускать один электрон.

Во время обучения и работы Эйнштейн всегда опирался на зрительные образы. Анализируя свой мыслительный процесс, он говорил: “Похоже, слова, написанные или проговоренные, а также язык никакой роли для меня не играют”[54]. Формированию такого способа мыслить он во многом был обязан кантональной школе в Аарау, и именно там, когда Эйнштейну было шестнадцать, ему пришла в голову мысль, в равной степени воодушевившая и взволновавшая его.

Он представил себе луч света, одиноко несущийся сквозь тьму пространства, и человека, который ровно с той же скоростью бежит рядом с лучом. Эйнштейн понял, что, с точки зрения этого бегуна, свет будет “застывшим”, а горбы и впадины световой волны – неподвижны.

Однако Эйнштейн понимал, что это какая-та странная картина. Во-первых, нарушается один из установленных еще в XVII веке основополагающих научных принципов, согласно которому законы физики остаются неизменными вне зависимости от того, движется объект быстро, медленно или покоится. В соответствии с этим принципом свет не должен распространяться при одной скорости наблюдателя и “застывать”, когда скорость наблюдателя меняется.

Второе осложнение заключалось в том, что нераспространяющийся свет – это не зависящая от времени световая волна. Как отличить один момент времени от другого, если все неподвижно? “Мы приходим к не зависящему от времени волновому полю, – написал Эйнштейн позднее одному из друзей. – Но представляется, что ничего подобного существовать не может!”[55] Он интуитивно чувствовал: здесь что‐то не так.

В течение многих лет эта проблема продолжала занимать Эйнштейна, и именно она послужила отправной точкой для одного из его величайших открытий. Впоследствии он скажет: “Это был первый детский мысленный эксперимент на пути к специальной теории относительности”[56].

8

Эйнштейн любил, чтобы у него в кабинете на стене висели портреты Исаака Ньютона, Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла. Они всю жизнь оставались его научными кумирами, первопроходцами, подсказывающими, каким курсом надо двигаться, чтобы достичь заветной цели.

Первым великим объединением, как называли это впоследствии физики, была работа Ньютона, который в конце XVII века показал, что сила притяжения одинакова и на небе, и на земле. Иначе говоря: яблоко падает на землю по той же причине, что и Луна не сходит с орбиты. Это утверждение далеко не очевидно. Ньютон установил единство двух миров, казавшихся абсолютно разными.

Второе великое объединение физики связано с работами двух других ученых, портреты которых висели в кабинете Эйнштейна. Сын кузнеца Майкл Фарадей родился в 1791 году. Фарадей показал, что движущийся магнит вызывает появление электрического тока. Точно так же переменный электрический ток производит магнетизм. Поднесите магнит к проволочной петле или проволочную петлю к магниту – в любом случае результатом будет электричество.