Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

“Казалось, земля уходит из-под ног и нигде не видно прочной основы, на которую можно было бы опереться”, — так вспоминал Эйнштейн о том, что он почувствовал, прочтя опубликованное незадолго до того решение Планка задачи об излучении абсолютно черного тела⁵. В конверте, отправленном Эйнштейном 17 марта 1905 года редактору самого известного в мире физического журнала “Аннален дер физик”, находилась статья, суть которой была еще более радикальна, чем послужившая для нее отправной точкой идея Планка о существовании квантов. Эйнштейн знал, что его квантовая теория света — не что иное, как ересь.

Двумя месяцами позднее, в середине мая, Эйнштейн писал своему другу Конраду Габихту, что собирается сдать в печать четыре статьи, которые, как он надеется, до конца года будут опубликованы. Первая работа была посвящена квантам. Вторая — это его диссертация на степень доктора философии, в которой Эйнштейн предлагал новый способ определения размеров атомов. Третья статья объясняла природу броуновского движения — хаотического движения крошечных, похожих на цветочную пыльцу частичек, взвешенных в жидкости. О четвертой Эйнштейн писал: “Пока есть только предварительный план статьи. В ней рассматривается электродинамика движущихся тел, для построения которой требуется изменить теорию пространства и времени”⁶. Это поразительный список. В анналах науки есть лишь один ученый, которого можно сравнить с Эйнштейном в 1905 году, и только один год, когда работы этого ученого можно сравнить с работами Эйнштейна за 1905 год. Его имя — Исаак Ньютон. В 1666 году этот двадцатитрехлетний англичанин заложил основы математического анализа и теории гравитации. В это же время он начал работать над теорией света.

Вскоре имя Эйнштейна станет синонимом слова “относительность”, обозначающим теорию, общие контуры которой впервые появились в четвертой его работе 1905 года. Хотя относительность изменила представление людей о природе пространства и времени, именно развитие идеи Планка и вывод о квантовой природе света и излучения Эйнштейн называл “истинно революционными”⁷. Он считал теорию относительности просто “модификацией” представлений, уже сформулированных и обоснованных Ньютоном и многими другими учеными. А введенные им кванты света были чем-то абсолютно новым, принадлежащим только ему. Это был полный разрыв с физикой прошлого, воспринимавшийся как кощунство даже самим физиком-самоучкой.

Уже более полувека всеми было признано, что свет — это волна. В работе “Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света”, Эйнштейн выдвинул идею о том, что свет состоит не из волн, а из похожих на частицы квантов. При решении задачи об абсолютно черном теле Планку против его желания пришлось предположить, что энергия поглощается или испускается дискретными порциями. Однако он, как и другие, считал, что, несмотря на то, как происходит обмен энергией между излучением и материей, само электромагнитное излучение представляет собой непрерывный волновой процесс. Революционная точка зрения Эйнштейна состояла в том, что свет, как и любое электромагнитное излучение, не похож на волну, а представляет собой набор маленьких частиц — квантов света. В следующие двадцать лет почти никто, кроме Эйнштейна, в кванты света не верил.

Эйнштейн знал, что ему предстоит нелегкая борьба. Это видно уже из того, что в названии статьи он написал: “Об одной эвристической точке зрения...”. Словарь определяет “эвристику” как “совокупность логических приемов и методических правил теоретического исследования”. Физикам предлагался метод, с помощью которого можно было объяснить остававшиеся непонятыми места в теории света, но не окончательная теория, построенная исходя из первых принципов. Статья Эйнштейна стала первой вехой на пути построения такой теории. Но и это оказалось чересчур для тех, кто совершенно не был готов отказываться от давно устоявшейся волновой теории света.

Четыре работы Эйнштейна, полученные редакцией “Аннален дер физик” между 18 марта и 30 июня 1905 года, определили направление развития физики на много лет вперед. Примечательно, что у Эйнштейна еще нашлось время написать двадцать одну книжную рецензию для этого журнала. И вдобавок в том же году им была задумана пятая работа, о которой он Габихту не сказал. Одно из уравнений в этой работе известно, вероятно, всем: E = mc². “У меня в голове бушевал ураган”, — так Эйнштейн описывал творческий порыв, охвативший его триумфальной весной и летом 1905 года в Берне, когда были написаны эти поразительные работы⁸.

Макс Планк, референт журнала “Аннален дер физик” по вопросам теории, одним из первых прочитал “К электродинамике движущихся тел”. Планк сразу оценил статью. Позднее термин “теория относительности” ввел именно он, а не Эйнштейн. Что же касается квантов света, то Планк, хотя и не был полностью согласен с этой идеей, одобрил публикацию работы. Он, по-видимому, думал, что своеобразие автора этих статей заключается как раз в том, что он способен совершить как нечто очень значительное, так и нечто абсолютно смехотворное.

“Жители Ульма — математики”, — такая присказка бытовала в Средние века в небольшом городе на берегу Дуная на юго-западе Германии. Здесь 14 марта 1879 года родился Альберт Эйнштейн, человек, имя которого станет синонимом слов “научный гений”. При рождении голова ребенка была настолько велика и деформирована, что мать волновалась: ее новорожденный сын — калека. Он так долго не говорил, что родители начали опасаться, что Альберт не заговорит вообще. Вскоре после рождения в ноябре 1881 года сестры Майи (других братьев и сестер у него не было) Эйнштейн приобрел довольно странную привычку: он тихонько повторял каждое предложение, которое хотел сказать, до тех пор, пока ему не удавалось сделать это хорошо, и только затем произносил его вслух. Говорить нормально мальчик, к большому облегчению его родителей Германа и Паулины, начал лишь в семилетием возрасте. К этому времени семья уже шесть лет жила в Мюнхене, где отец Эйнштейна и его дядя Якоб открыли электромеханическую мастерскую.

К октябрю 1885 года, когда шестилетнему Эйнштейну пора было идти в школу, частных еврейских школ в Мюнхене не существовало уже более десяти лет, так что мальчика отправили в ближайшее к дому учебное заведение. В Мюнхене, самом сердце католической Германии, религиозное обучение было обязательной частью программы. Но, как вспоминал много лет спустя Эйнштейн, “учителя в школе были либералами и не делали различий между конфессиями”⁹. Как бы, однако, либеральны и внимательны ни были преподаватели, антисемитизм, проникший во все поры немецкого общества, чувствовался и в школе. Эйнштейн навсегда запомнил урок катехизиса, где учитель закона Божьего рассказывал, как евреи распяли Христа, и говорил, что “антисемитизм жив, особенно среди учеников начальной школы”¹⁰. Неудивительно, что у мальчика было мало друзей (а может, и вообще не было). “Я одинокий путник. У меня никогда не было страны, дома, друзей, даже собственной семьи, которую я любил бы всем сердцем”, — писал Эйнштейн в 1930 году. Он называл себя Eispanner, мизантропом.

Школьником Эйнштейн предпочитал одиночество. Его любимым занятием было строить карточные домики. У него хватало терпения доводить их до четырнадцати этажей. Упорство вообще было одной из главных черт характера Эйнштейна. Позднее оно позволило ему следовать намеченным курсом даже тогда, когда другие давно бы сдались. “Господь наградил меня упорством мула, — скажет он позднее, — и достаточно острым нюхом”¹¹. Хотя никто с этим и не соглашался, но, по утверждению самого Эйнштейна, у него не было других талантов, кроме страстного любопытства. Любопытные люди — не редкость, но поскольку он был еще и упрям, то продолжал искать ответы на почти детские вопросы даже тогда, когда его сверстники уже научились попросту не задавать их. Как можно представить себе прогулку верхом на луче света? Этот вопрос знаменовал начало занявшего десять лет пути, который привел к теории относительности.