К началу двадцатого столетия группы начали проявлять себя в фундаментальной физике — области знания, которой в силу этого предстояло претерпеть не меньшую трансформацию, чем та, что произошла из-за появления групп в собственно математике.

В золотой 1905 год человек, ставший затем величайшим ученым своего времени, опубликовал три статьи, каждая из который произвела переворот в одном из разделов физики. Он не был в то время профессиональным ученым. За плечами у него был университет, но никакой преподавательской должности ему получить не удалось, и работал он в бюро патентов в швейцарском Берне. Звали его, разумеется, Альберт Эйнштейн.

Если какой-то один человек и олицетворяет собой современную физику, то это Эйнштейн. Для многих он олицетворяет также и математический гений, хотя в действительности он был просто квалифицированным математиком, а не первопроходцем уровня Галуа или Киллинга. Творческие способности Эйнштейна лежали не в области создания новой математики, а в феноменально глубокой интуиции относительно структуры физического мира, которую ему удалось выразить, замечательным образом используя существующую математику.

У Эйнштейна были также вкус и склонность к правильной философской точке зрения. Он извлекал радикальные теории из простейших принципов, причем направляло ход его мыслей представление об изяществе, а не всестороннее знание экспериментальных фактов. Важные наблюдения, по его убеждению, всегда можно отфильтровать в несколько ключевых принципов. Дорога к истине пролегает через красоту.

Неисчислимое множество страниц и дело всей жизни многих исследователей посвящены изучению жизни и работ Эйнштейна. Одна-единственная глава меркнет в сравнении с ними в отношении широты и глубины охвата. Но Эйнштейн — ключевая фигура в истории симметрии, потому что именно он более чем кто-либо другой запустил цепочку событий, превративших математику симметрии в фундаментальную физику. Я не думаю, что сам Эйнштейн воспринимал это именно так; для него математика была служанкой физики — временами не слишком послушной. Только позднее, следуя намеченному Эйнштейном пути и разбираясь в запутанных, разобщенных ростках, которые появились на этом пути в результате его пионерских усилий, следующее поколение смогло оценить изящные и глубокие математические концепции, на которых основывалось сделанное им.

Так что нам предстоит кратко обрисовать потрясающий взлет к славе этого патентного служащего невысокого уровня — строго говоря, технического эксперта третьего класса, да к тому же на испытательном сроке. Но поскольку он составляет только часть нашего рассказа, я приведу лишь самые существенные события. Желающим познакомиться с исчерпывающим и беспристрастным описанием жизненного пути Эйнштейна следует обратиться к книге Абрахама Пейса «Господь изощрен…».

Изощрен — да, но, как однажды заметил Эйнштейн, не злонамерен.

Эйнштейн, мало интересовавшийся религией, посвятил свою жизнь обоснованию того принципа, что вселенная постижима и ведет себя математически. Во многих своих наиболее знаменитых высказываниях он упоминает божество, но как символ упорядоченности вселенной, а не как сверхъестественное существо, сующее свой нос в дела людские. Эйнштейн не почитал никакого бога и не практиковал каких-либо религиозных обрядов.

Эйнштейна часто воспринимают как естественного преемника Ньютона. До Эйнштейна ученые уже внесли вклад в развитие ньютоновой «системы мира» (если использовать подзаголовок его «Математических начал натуральной философии»), но Эйнштейн был первым, кто внес в эти представления существенные изменения. Наиболее значительное место из предшествовавших теоретиков принадлежит Джеймсу Клерку Максвеллу, сформулированные которым уравнения электромагнетизма перевели магнитные и электрические явления и в особенности свет в область ньютоновской юрисдикции. Эйнштейн пошел значительно дальше, осуществив несколько решающих изменений. По иронии судьбы изменения, которые привели к пересмотру теории гравитации, возникли как следствие максвелловской теории электромагнитных волн — света и его родственников. Еще большая ирония состояла в том, что фундаментальное свойство этой теории — волновая природа света — сыграло ключевую роль, хотя Ньютон и отрицал, что свет может быть волной. Венцом же является то обстоятельство, что наиболее изящные эксперименты, ныне используемые для демонстрации волновой природы света, выполнил именно Ньютон.

Научный интерес к свету восходит по крайней мере к Аристотелю, который, даром что был философом, задался вопросом такого типа, который должен показаться естественным скорее ученым. Как мы видим? Аристотель предположил, что, когда мы смотрим на некоторый объект, этот объект воздействует на среду между собой и смотрящим глазом. (Мы в наши дни называем эту среду «воздух».) Глаз фиксирует эти изменения в среде, и в результате возникает ощущение зрительного восприятия.

В Средние века объяснение изменили на противоположное. Полагали, что наш глаз испускает некоторые лучи, которые освещают все, на что мы смотрим. Не объект посылает в глаз сигналы, а глаз оставляет следы по всему объекту.

В конце концов было осознано, что мы видим объекты в отраженном свете и что в обычной жизни основным источником света служит Солнце. Эксперименты показали, что свет перемещается по прямым линиям, образуя лучи. Отражение происходит, когда луч отскакивает от некоторой поверхности. Так что Солнце посылает световые лучи на все, что не скрыто в тени какого-либо другого объекта, лучи отовсюду отскакивают, причем некоторые из них попадают в глаз наблюдателя, и глаз получает сигнал с соответствующей стороны, мозг обрабатывает поступающую из глаза информацию, и мы видим то, от чего отразился луч.

Основной вопрос состоял в том, что же такое свет. Свет обладает рядом интригующих свойств. Он не только отражается; он может еще и преломляться — внезапно изменять направление на границе двух различных сред, например воздуха и воды. Именно поэтому палка, опущенная в пруд, выглядит изломанной; на этом же основана работа линзы.

Но еще более интригующим оказывается явление дифракции. В 1664 году ученый и всесторонне образованный человек Роберт Гук, не раз за свою карьеру имевший столкновения с Ньютоном, открыл, что если поместить линзу сверху на плоское зеркало, то при взгляде через линзу видны тонкие концентрические цветные кольца.

Эти кольца известны сейчас как Ньютоновы кольца, потому что Ньютон первым проанализировал их возникновение. Сегодня этот опыт считается ясной демонстрацией того факта, что свет — это волна: кольца возникают в результате интерференции из-за того, что волны при наложении одна на другую или гасят, или не гасят друг друга. Но Ньютон не верил, что свет — волна. Поскольку свет распространяется по прямым линиям, он полагал, что это должен быть поток частиц. Согласно его «Оптике», законченной в 1705 году, «Свет составлен из мельчайших частиц, или корпускул, испускаемых светящимися телами». В рамках теории частиц отражение объяснялось очень просто: частица отскакивает при ударе об (отражающую) поверхность. В этой теории возникли трудности с объяснением преломления, и она, по существу, рассыпалась, когда дело дошло до дифракции.

Размышляя о том, что же может заставить световые лучи изменять направление, Ньютон решил, что корень проблемы должен быть не в свете, а в среде. Это привело его к предположению о существовании некой «эфирной среды», которая передает колебания быстрее, чем свет. Он убедил себя, что излучение тепла подтверждает наличие этих колебаний, потому что, согласно его наблюдениям, тепловое излучение проходит через пустоту. В пустоте должно быть нечто, что переносит тепло и вызывает преломление и дифракцию. Ньютон писал:

Читая эти слова, я не могу не вспомнить моего друга Терри Пратчетта, написавшего целый ряд книг, действие которых происходит в Плоском Мире, представляющем собой пародию на наш мир. С помощью массы населяющих его разнообразных волшебников, ведьм, троллей, гномов и людей Пратчетт подтрунивает над человеческими слабостями. Свет в Плоском Мире распространяется примерно со скоростью звука — именно по этой причине можно видеть, как при восходе солнца свет идет через поля. Свету необходима и противоположная, дополняющая его сторона — темнота (практически все в Плоском Мире реализовано в конкретном воплощении), причем темнота, понятно, распространяется быстрее света, ибо должна же она успеть убраться у него с дороги. Все это полностью осмысленно, даже в применении к нашему миру, если не считать того огорчительного факта, что ничто из этого не верно.

Ньютонова теория света страдает от того же недостатка. Ньютон вовсе не говорил заведомых глупостей; его теория, казалось, отвечала на целый ряд важных вопросов. К сожалению, эти ответы основывались на фундаментальном недопонимании: он полагал, что тепловое излучение и свет — это два разных явления. Он считал, что, когда свет падает на поверхность, он возбуждает тепловые колебания. Они являются разновидностью тех колебаний, которые, по его мнению, приводят к преломлению и дифракции света.

Таким образом возникла концепция «светоносного эфира» оказавшаяся необычайно стойкой. Действительно, когда позднее выяснилось, что свет — это волна, эфир оказался как раз подходящей средой, чтобы в ней эта волна распространилась. (Мы теперь полагаем, что свет — это не волна и не частица, а нечто, что содержит в себе элементы и того и другого. Но я забегаю вперед.)

Что же, однако, представлял собой этот эфир? Ньютон на эту тему высказался с максимальной откровенностью: «Я не знаю, чем является Эфир». Он рассуждал таким образом: если эфир также состоит из частиц, то они должны быть намного меньше и легче, чем частицы воздуха и даже частицы света — по существу, по той причине, вполне в духе Плоского Мира, что они должны обладать способностью убраться у света с дороги. «Чрезвычайная малость этих Частиц, — говорит Ньютон об эфире, — может давать вклад в значительную величину той силы, из-за которой данные Частицы могут избегать столкновений друг с другом и за счет этого образовать Среду, намного превосходящую Воздух по разреженности и упругости, а вследствие того оказывающую намного меньшее сопротивление движению Частиц, а также неизмеримо большую способность оказывать давление на крупные тела при своем расширении».

Еще до того, в «Трактате о Свете», написанном в 1678 году, голландский физик Христиан Гюйгенс предложил другую теорию: свет — это волна. Эта теория четко объясняла отражение, преломление и дифракцию, ведь те же явления можно наблюдать, например, с волнами на воде. Эфир играл для света ту же роль, что вода — для волн в океане, т.е. роль того, что остается, когда волна прошла. Но Ньютон счел нужным на это возразить. Спор принял крайне запутанный характер, поскольку оба ученых мужа делали неверные допущения о природе обсуждавшихся волн.

Все изменилось, когда в дело вмешался Максвелл. И он стоял на плечах еще одного гиганта.

В августе Герман женился на Паулине Кох из Каннштадской синагоги, и семья в конце концов осела на Банхоф-штрассе — Вокзальной улице. Менее восьми месяцев спустя на свет появился их первый ребенок. Согласно свидетельству о рождении, «ребенок мужского пола, получивший имя Альберт, был рожден в Ульме, в доме [Германа], его женой Паулиной Эйнштейн, урожденной Кох, иудейского вероисповедания». Пять лет спустя родилась сестра Альберта Мария; брат и сестра были сильно привязаны друг к другу.

Родители Альберта были достаточно равнодушны к своей религии и старались интегрироваться в культурную среду страны, где жили. В то время многие немецкие евреи были «ассимиляционистами» — они стремились не подчеркивать свои культурные традиции и таким образом налаживать хорошие взаимоотношения с представителями других вероисповеданий. Имена, которые Герман и Паулина избрали для своих детей, не были традиционно еврейскими, хотя родители и утверждали, что Альберта назвали «в честь» его деда Авраама. Вопросы религии нечасто обсуждались в доме Германа, и Эйнштейны не соблюдали традиционных еврейских ритуалов.

Воспоминания Марии о детстве, опубликованные в 1924 году, служат основным источником информации о ранних годах жизни и личности Альберта. Похоже, что при рождении он испугал свою мать тем, что затылок его был странно угловатым и необычно большим. «Слишком тяжелый! Слишком тяжелый!» — вскричала она, впервые увидев своего ребенка. Мальчик долгое время не мог начать говорить, и родители стали всерьез опасаться, что он окажется умственно неполноценным. Однако в действительности Альберт просто хотел сначала научиться делать это осознанно. Позднее он упоминал, что начал говорить только тогда, когда ему стали подвластны законченные предложения. Он проговаривал их в уме, и только потом, убедившись, что все слова правильные, произносил вслух.

Мать Альберта замечательно играла на пианино. Между шести- и тринадцатилетним возрастом Альберту давал уроки скрипки учитель по фамилии Шмид. Взрослый Эйнштейн обожал играть на скрипке, но в детстве эти занятия наводили на него тоску.

Когда перинный бизнес лопнул, Герман вместе со своим братом Якобом решил заняться газо- и водоснабжением. Якоб был инженером и предпринимателем, и братья Эйнштейны смело взялись за новое дело. Затем Якоб решил расширить бизнес за счет электричества — его привлекала не организация электроснабжения, но производство оборудования для электростанций. Компания была официально создана в 1885 году при финансовой поддержке отца Паулины и других членов семьи, и братья съехались в один дом в Мюнхене. Сначала бизнес шел хорошо, и Elektronische Fabrik J. Einstein und Co. продавала электротехническое оборудование от Мюнхена до Италии.

Эйнштейн вспоминает, что его интерес к физике проявился, когда отец показал ему компас. Ему тогда было четыре или пять лет, и Альберта заворожила способность компаса указывать одно и то же направление, как бы его ни поворачивали. В эти мгновения перед ним впервые промелькнули скрытые чудеса физической вселенной. Это переживание имело для него почти мистический характер.

В школе Альберт был толковым учеником, но в младших классах особенно не блистал. Он был медлительным и методичным, получал хорошие оценки, при этом был очень замкнутым, почти всегда предпочитая собственное общество. Особенно ему нравилось строить карточные домики. Спорт его не привлекал. В 1888 году он перешел в гимназию и проявил такие способности к латыни, что до пятнадцатилетнего возраста неизменно был первым в классе по латыни и математике. Развитию его математических способностей способствовал дядя Якоб, по образованию инженер, который в свое время должен был достаточно серьезно познакомиться с высшей математикой. Якоб задавал юному Альберту математические задачи, а тот испытывал подлинное счастье, когда справлялся с ними. Друг семьи Макс Талмуд также оказал значительное влияние на образование Альберта. Талмуд был задавленным бедностью студентом-медиком, и Герман и Паулина каждый четверг кормили его обедом. Он дал Альберту несколько популярных книг о науке; потом он познакомил молодого человека с философскими произведениями Иммануила Канта. Вдвоем они могли часами обсуждать философию и математику. Талмуд писал, что он никогда не видел, чтобы Эйнштейн играл с другими детьми, и что читал он всегда серьезные книги, ничего легковесного. Его единственным отдохновением была музыка. Он исполнял сонаты Бетховена и Моцарта; аккомпанировала ему Паулина.

Увлечение Альберта математикой получило поддержку в 1891 году, когда он приобрел экземпляр Эвклида, о котором позднее говорил как о своей «священной книге по геометрии». Наибольшее впечатление на него произвела логическая ясность, с которой Эвклид организовал свои рассуждения. Одно время Альберт страстно увлекся религией, что было результатом обязательных школьных уроков закона Божия (католического, разумеется, — выбора у него не было) и домашних наставлений в еврейской вере. Но все это было отброшено прочь, стоило ему только познакомиться с наукой. Обучение древнееврейскому и успехи в подготовке к бар-мицве внезапно затормозились; Альберт внял другому призыву.

В начале 1890-х годов дела в Elektronische Fabrik J. Einstein und Co. пошли заметно хуже. Продажи в Германии упали, и итальянский агент компании Лоренцо Гарроне предложил перебраться в Италию. В июне 1894 года немецкую компанию ликвидировали, семейный дом выставили на продажу, и Эйнштейны переехали в Милан — все, кроме Альберта, которому надо было закончить школу. «Эйнштейн и Гарроне» открыли магазин в Павии, куда семья потом и переехала, а Альберта оставили одного в Мюнхене.

Такое положение вещей его расстраивало — ему совсем не нравилось жить вдали от семьи. Кроме того, над ним нависла опасность военной службы. Не предупредив родителей, он решил приехать к ним в Италию. Он убедил семейного врача написать ему справку, что он страдает от нервного расстройства — вполне возможно, это была правда. Получив разрешение досрочно закончить занятия, он без предупреждения появился в Павии весной 1895 года. Его родители пришли в такой ужас, что он тут же пообещал продолжить учебу, чтобы потом сдать вступительные экзамены в цюрихский ETH (Eidgenossische Technische Hochschule) — в то время, как и сейчас, главное высшее учебное заведение Швейцарии.

Альберт процветал под итальянским солнцем. В октябре он приступил к сдаче вступительных экзаменов в ETH — и провалился. Он легко прошел по математике, физике и химии, но завалил гуманитарные дисциплины. Сочинение его также оказалось далеко не блестящим. Однако выяснилось, что попасть в ETH можно и другим способом: нужно поступить в выпускной класс и получить там аттестат зрелости, наличие которого дает право на зачисление в институт. Эйнштейн отправился в кантональную школу в Аарау, где снимал жилье в семье Винтлеров. У Винтлеров было семеро детей, и Альберту нравилось их общество; он на долгое время сохранил привязанность к этой «приемной» семье. Он похвально отзывался о «либеральном духе» в школе и о превосходных учителях — специально при этом отметив, что учителя не кланялись посторонним авторитетам.

Впервые в жизни школа доставляла ему радость. В нем окрепла уверенность в себе, и он стал высказывать свою точку зрения. В одном из его сочинений, написанном по-французски, были изложены его планы на будущее, которое он видел в изучении математики и физики.

В 1896 году Эйнштейн поступил в ETH, отказавшись от своего вюртембергского гражданства и став человеком без гражданства. Он откладывал пятую часть своего месячного содержания, чтобы в будущем оплатить натурализацию в качестве гражданина Швейцарии. Но именно в этот момент электрическая фабрика, принадлежавшая отцу и дяде Якобу, обанкротилась, унеся с собой значительную часть семейного достояния. Якоб просто устроился на работу в одной большой компании, но Герман был полон решимости начать еще одно дело. Он проигнорировал совет Альберта не делать этого, открыл дело в Милане, однако всего через два года и это предприятие также потерпело фиаско. Альберт тяжело переживал неудачи, выпавшие на долю его семьи; отец наконец последовал примеру Якоба и устроился на работу по установке электрооборудования.

Во время учебы в ETH Альберт проводил немало времени в Физической лаборатории, выполняя там различные опыты. На своего профессора Генриха Фридриха Вебера он впечатления не произвел. «Вы сообразительный юноша, Эйнштейн, очень сообразительный, — говорил он молодому человеку. — Но у вас один огромный недостаток: вы ни от кого ничего не желаете слышать». Вебер негативно отнесся к попытке Альберта провести эксперимент с целью определить, движется ли Земля относительно эфира — гипотетического всепроникающего флюида, который, как предполагалось, должен был переносить электромагнитные волны.

В свою очередь Вебер тоже не произвел на Эйнштейна большого впечатления; его лекции он счел старомодными. Особенно его разочаровало, что там недостаточно говорилось о максвелловской теории электромагнетизма; поэтому Эйнштейн выучил ее сам по немецкому тексту 1894 года. Он ходил на лекции двух знаменитых математиков — Гурвица и Германа Минковского. Минковский — блестящий и оригинальный мыслитель — ввел новые фундаментальные методы в теории чисел, а позднее ему предстояло внести важный математический вклад в теорию относительности. Альберт также читал некоторые из работ Чарльза Дарвина по эволюции.

Чтобы остаться в ETH, ему надо было стать там ассистентом преподавателя и за счет этого оплачивать свое дальнейшее обучение. Вебер намекнул, что мог бы предложить Альберту такую позицию, но потом «забыл» о своем предложении, и Альберт так никогда его и не простил. Он написал письмо Гурвицу с вопросом, не предвидится ли для него такой вакансии, и получил, по-видимому, положительный ответ, но и на этот раз ничего конкретного не последовало. К концу 1900 года он оказался без работы. Тем не менее в это же время он опубликовал свою первую научную статью — о силах, действующих между молекулами. Вскоре после этого он получил швейцарское гражданство, которое он сохранил на всю жизнь, даже после переезда в Соединенные Штаты.

В течение всего 1901 года Альберт не оставлял попыток найти работу в каком-либо университете, для чего писал письма и рассылал экземпляры своей статьи, подавая на все возможные вакансии. Но тщетно. В отчаянии он временно устроился школьным учителем. К своему удивлению, он обнаружил, что ему нравится преподавать; кроме того, это оставляло ему достаточно свободного времени для продолжения исследований по физике.

Он сказал своему друг Марселю Гроссманну, что работает над теорией газов и — снова! — проблемой движения материи через эфир. Он перешел в другую школу, тоже в качестве временного преподавателя.

На помощь Альберту пришел Гроссманн: он уговорил своего отца Марселя порекомендовать Альберта директору Федерального бюро патентов в Берне. Когда вышло официальное объявление об открывшейся вакансии, Эйнштейн подал заявление в качестве соискателя на эту должность. Он оставил школьное преподавание и переехал в Берн в начале 1902 года, хотя официально еще не был принят. Возможно, он узнал об этом неофициально или же просто был очень уверен, что все сложится хорошо.

Его официальное зачисление произошло в июне 1902 года. То не была академическая должность, к которой он так стремился, но она приносила достаточно денег — 3500 швейцарских франков в год, — чтобы обеспечить пропитание, одежду и жилье. И она оставляла достаточно времени для физики.

Еще в ETH он встретил молодую студентку Милеву Марич, которая проявляла сильный интерес к наукам — и к Альберту. Они полюбили друг друга. К сожалению, Паулине Эйнштейн потенциальная невестка не понравилась, и это вызвало неприязнь. У Германа в то же самое время развилось крайне серьезное сердечное заболевание. На смертном одре он наконец согласился на брак Альберта и Милевы, а затем попросил всех членов семьи удалиться, чтобы умереть в одиночестве. Альберт испытывал чувство вины всю свою оставшуюся жизнь. В январе 1903 они с Милевой поженились; их единственный сын Ханс Альберт родился в мае 1904 года.

Работа в бюро патентов устраивала Эйнштейна. Он исполнял свои обязанности настолько эффективно, что ближе к концу 1904 года его должность сделали постоянной — однако начальник предупредил его, что дальнейшее продвижение будет зависеть от того, овладеет ли он техническими дисциплинами. Продвигались и работы Эйнштейна по физике в области статистической механики.

Так и наступил «золотой 1905 год», когда служащий бюро патентов написал статью, которая в итоге принесла ему Нобелевскую премию. В том же году он защитил диссертацию в Цюрихском университете. Кроме того, его повысили до технического эксперта второго класса, прибавив жалованье на 1000 швейцарских франков в год, — похоже, он сумел освоить технические дисциплины.

Даже став знаменитым, Альберт всегда питал благодарность к Гроссманну, способствовавшему его трудоустройству в бюро патентов. Именно это больше, чем что-либо другое, говорил Эйнштейн, дало ему возможность заниматься физикой. Это была гениальная комбинация, идеальная работа, и он никогда об этом не забывал.

В тот замечательный год в истории физики Эйнштейн опубликовал три важнейших научных статьи.

Первая была посвящена броуновскому движению — случайным перемещениям очень маленьких частиц, взвешенных в жидкости. Это явление названо именем своего первооткрывателя ботаника Роберта Брауна. В 1827 году Браун разглядывал в микроскоп плавающие в воде зерна цветочной пыльцы. Внутри полостей в пыльце он заметил еще меньшие, беспорядочное дергающиеся частицы. Математическую модель движения такого типа разработал в 1880 году Торвальд Тиле, а в 1900-м независимо — Луи Башелье. Башелье интересовался в первую очередь не броуновским движением как таковым, но такими же случайными флуктуациями фондового рынка; их математика оказалась тождественной.

Физическая же природа этого движения еще ждала своего объяснения. Эйнштейн и независимо от него польский ученый Мариан Смолуховский осознали, что броуновское движение может подтверждать еще недоказанную на тот момент теорию, что материя состоит из атомов, комбинации которых образуют молекулы. Согласно так называемой кинетической теории молекулы в газах и жидкостях постоянно соударяются, в результате совершая, по существу, случайное движение. Эйнштейн разработал математические аспекты такого процесса, что позволило ему показать, что процесс соответствует экспериментальным наблюдениям броуновского движения^[57].

Вторая статья была посвящена фотоэлектрическому эффекту. Александр Беккерель, Уиллоуби Смит, Генрих Герц и некоторые другие уже обнаружили, что определенные металлы производят электрический ток под действием света. Эйнштейн исходил из квантово-механического предположения, что свет состоит из мельчайших частиц. Его вычисления показали, что это предположение очень хорошо согласуется с экспериментальными данными. Это было одним из первых серьезных свидетельств в поддержку теории квантов.

Любая из этих двух статей сама по себе составляла значительное открытие. Но третья оставила первые две далеко позади. Это была статья о специальной теории относительности — теории, которая выходила за рамки ньютоновской физики и перевернула наши взгляды на пространство, время и материю.

Наше повседневное восприятие пространства ничем не отличается от восприятия Эвклида и Ньютона. Пространство имеет три измерения — три независимых взаимно перпендикулярных направления, как на углу здания: на север, на восток и вверх. Структура пространства одна и та же во всех точках, хотя материя, которую оно вмещает, может от точки к точки меняться. Объекты в пространстве можно передвигать различными способами: их можно вращать, отражать как в зеркале или переносить параллельно самим себе без вращений.

Если рассуждать более абстрактно, то можно считать, что эти преобразования применяются к пространству самому по себе (изменение «системы отсчета»). Структура пространства, а также физические законы, которые выражают эту структуру и оперируют с ней, симметричны относительно этих преобразований. Другими словами, законы физики одинаковы во всех местоположениях и во все моменты времени.

При ньютоновском взгляде на физику время образует еще одно «измерение», которое не зависит от пространственных. Время одномерно, и его преобразования симметрии очень просты. Время можно сдвигать (добавлять фиксированный промежуток к каждому наблюдению) или отражать (пустить в обратном направлении — хотя и только в рамках мысленного эксперимента). Физические законы не зависят от того момента, когда вы начали делать измерения, так что они должны быть симметричны относительно сдвигов по времени. Наиболее фундаментальные физические законы — хотя и не все, что представляется некоторой загадкой, — симметричны также относительно обращения времени.

Но когда математики и физики начали размышлять о недавно открытых законах электричества и магнетизма, оказалось, что ньютоновские представления неадекватны. Преобразования пространства и времени, которые оставляют законы неизменными, не были простыми «движениями» — сдвигами, вращениями и отражениями; более того, оказалось невозможно применять эти преобразования к пространству или времени по отдельности. При изменениях в одном только пространстве уравнения перекашивались. Следовало выполнить компенсирующее преобразование времени.

До некоторой степени эту проблему можно было игнорировать, например, если рассматриваемые системы не движутся. Но во всей остроте встала проблема математического описания движущейся электрически заряженной частицы (например, электрона); в физике конца девятнадцатого столетия эта проблема была центральной. Невозможно было долго игнорировать сопровождавшую ее озабоченность насчет симметрии.

В годы, предшествовавшие 1905-му, целый ряд физиков и математиков был озадачен этим странным свойством уравнений Максвелла.

Если выполнить какой-нибудь эксперимент с электричеством и магнетизмом в лаборатории и в движущемся поезде, то как согласовать результаты? Разумеется, немногие экспериментаторы работают в движущихся поездах, но все они работают на движущейся Земле. Для многих целей Землю можно считать неподвижной, поскольку экспериментальные приборы движутся вместе с ней, так что движение не создает никаких реальных отклонений. Ньютоновы законы движения, например, остаются в точности теми же в любой «инерциальной» системе отсчета — такой, которая движется с постоянной скоростью по прямой линии. Скорость Земли с неплохой точностью постоянна, но она вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца, так что ее движение относительно Солнца не является прямолинейным. Тем не менее путь, по которому движется прибор, почти прямой; имеет ли кривизна какое-либо значение, зависит от эксперимента, причем часто она никакого значения не имеет.

Никто бы не забеспокоился, если бы уравнения Максвелла принимали другой вид во вращающейся системе отсчета. Но открыто было нечто более тревожное: уравнения Максвелла выглядят по-разному в различных инерциальных системах отсчета. Электромагнетизм в движущемся поезде отличается от электромагнетизма в неподвижной лаборатории, даже когда поезд движется по прямой линии с постоянной скоростью.

Имелось и дополнительное усложнение: пожалуйста, пусть поезд или даже Земля движутся, но сама концепция движения является относительной. По большей части мы не замечаем движения Земли. Восход Солнца по утрам и закат по вечерам объясняются вращением Земли. Но мы не чувствуем этого вращения, мы установили его непрямыми методами.

Если вы сидите в поезде и смотрите в окно, у вас может сложиться впечатление, что вы неподвижны, а весь ландшафт проносится мимо вас. А наблюдательница, стоящая в поле и глядящая на ваш поезд, сделает противоположное наблюдение — что она сама неподвижна, а поезд движется. Когда мы говорим, что Земля летит вокруг Солнца, а не Солнце вокруг Земли, мы проводим тонкое различие, потому что оба описания верны — в зависимости от того, какая система отсчета выбирается. Если система отсчета движется вместе с Солнцем, то Земля движется относительно этой системы отсчета, а Солнце неподвижно. Но если система отсчета движется вместе с Землей — как все обитатели планеты, — то тогда движущимся объектом является Солнце.

Основной физический момент здесь состоит в том, что симметрии уравнений Максвелла сохраняют не только эти уравнения; они сохраняют и скорость света. Действительно, скорость света встроена в эти уравнения. Так что скорость света должна быть абсолютной.

Лишь по иронии судьбы эта идея выражается словами «теория относительности». Эйнштейн в действительности хотел назвать ее Invariantentheorie — теория инвариантов. Но название «теория относительности» укоренилось, и, во всяком случае, уже существовала область математики, называемая теорией инвариантов, так что первоначально задуманное Эйнштейном название могло бы создать путаницу. Хотя и вдвое меньшую, чем та, которую порождает использование слов «теория относительности» для описания инвариантности скорости света во всех инерциальных системах отсчета.

Следствия из «теории относительности» довольно причудливы. Скорость света является предельной скоростью. Нельзя путешествовать быстрее света, нельзя послать сообщение быстрее света. Никаких гипердвижков из «Звездных войн». При приближении к скорости света длины сокращаются, время замедляется до черепашьего шага, а масса увеличивается без предела. Но — что и замечательно — вы этого не замечаете, потому ваши измерительные инструменты тоже сокращаются в длине, испытывают замедление (в том смысле, что время течет медленнее) или делаются тяжелее. Поэтому-то, согласно измерениям наблюдательницы в поле и наблюдателя в поезде, скорость света одна и та же, несмотря на относительное движение: изменения в длине и времени точно компенсируют ожидаемые эффекты относительного движения. Вот почему Майкельсон и Морли не смогли зафиксировать движение Земли относительно эфира.

Когда вы движетесь, все выглядит для вас точно так же, как когда вы не двигались. Законы физики не могут сказать вам, движетесь вы или находитесь в состоянии покоя. Они могут сказать вам, ускоряетесь вы или нет, но не могут сообщить, сколь быстро вы движетесь, если только ваша скорость постоянна.

Это все еще может показаться странным, однако эксперименты подтверждают теорию в самых тонких деталях. Другое следствие — это знаменитая формула Эйнштейна E = mc², связывающая массу с энергией; эта формула непрямым способом привела к атомной бомбе, хотя роль первой в создании последней часто преувеличивают.

Свет настолько нам привычен, что мы редко задумываемся о том, насколько загадочным он является. Он, как кажется, ничего не весит, он проникает всюду и позволяет нам видеть. Что же такое свет? Это электромагнитные волны. Волны в чем? В пространственно-временном континууме, что представляет собой хитрый способ сказать: «Мы не знаем». В начале двадцатого столетия считалось, что среда для этих волн — светоносный эфир. После Эйнштейна стала понятна одна вещь по поводу эфира: его нет. Эти волны — не волны в чем-то.

Квантовая механика, как мы увидим, пошла еще дальше. Не только световые волны не являются волнами в чем бы то ни было, но и вообще все вещи — волны. Вместо среды, переносящей волны, — ткани пространства-времени, по которой бегут складки при прохождении волны, — сама ткань состоит из волн.

Эйнштейн был не единственным, кто заметил, что симметрии пространства-времени, возникающие из уравнений Максвелла, не совпадают с очевидными ньютоновскими симметриями. В рамках ньютоновских представлений пространство и время отделены друг от друга и различны. Симметрии законов физики даются комбинациями движений пространства без деформаций и независимых сдвигов по времени. Но, как я упомянул, эти преобразования не оставляют уравнения Максвелла инвариантными.

Размышляя об этом, математики Анри Пуанкаре и Герман Минковский пришли к новому взгляду на симметрии пространства и времени на чисто математическом уровне. Если бы они дали описание этих симметрий в физических терминах, то опередили бы эйнштейновскую теорию относительности, но они воздержались от высказываний о физической природе. Они поняли, что симметрии законов электромагнетизма не действуют на пространство и время независимо, а перемешивают их. Математическая схема, описывающая эти переплетающие замены, известна как группа Лоренца, названная по имени физика Хендрика Лоренца.

Минковский и Пуанкаре рассматривали группу Лоренца как абстрактное выражение определенных свойств законов физики, и описания типа «время течет медленнее» или «объекты уменьшаются в длине по мере увеличения их скорости» воспринимались как расплывчатые аналогии, а не как что-то реальное. Но Эйнштейн утверждал, что эти преобразования имеют настоящий физический смысл. Объекты, а также время действительно ведут себя подобным образом. Он пришел к формулировке физической теории — специальной теории относительности, — которая включала математическую схему группы Лоренца в физическое описание не пространства и времени по отдельности, а объединенного пространства-времени.

Минковский предложил геометрическую картину для этой не-ньютоновской физики, называемую теперь пространством-временем Минковского. В ней пространство и время представлены как независимые координаты, а движущаяся частица по мере течения времени описывает кривую, которую Эйнштейн назвал мировой линией этой частицы. Поскольку частица не может двигаться быстрее света, наклон мировой линии не может превышать 45° от временного направления. Прошлое и будущее частицы всегда лежат внутри двойного конуса — светового конуса.

Геометрия пространства-времени Минковского.

Таким образом решился вопрос с электричеством и магнетизмом — двумя фундаментальными силами в природе. Но одна фундаментальная сила по-прежнему не была включена в описание — гравитация. Пытаясь развить более общую теорию, включающую гравитацию, и снова опираясь на тот принцип, что законы природы должны быть симметричны, Эйнштейн пришел к общей теории относительности — к идее, что само пространство-время искривлено и что его кривизна соответствует массе. Из этих идей выросла наша современная космология Большого Взрыва, согласно которой вселенная возникла из крошечной крупинки около 13 миллиардов лет назад, а также замечательная концепция черных дыр — объектов столь массивных, что свет не может вырваться из их гравитационного поля.

Общая теория относительности восходит к ранним работам по неэвклидовой геометрии, которые привели Гаусса к идее «метрики» — формулы для расстояния между любыми двумя точками. Новые геометрии возникают, когда эта формула не является классической эвклидовой формулой, отвечающей теореме Пифагора. Коль скоро такая формула подчиняется нескольким простым правилам, она определяет осмысленную концепцию «расстояния». Основное правило состоит в том, что расстояние от одной точки A до другой точки не может стать меньше, если по дороге пройти через какую-то промежуточную точку B. Другими словами, расстояние от A до C меньше чем или равно сумме расстояний от A до B и от B до C. Это — «неравенство треугольника», называемое так потому, что в эвклидовой геометрии оно утверждает: любая сторона треугольника короче, чем сумма двух других его сторон.

Пифагорова формула выполнена в эвклидовой геометрии, то есть там, где пространство является «плоским». Так что когда метрика отличается от эвклидовой, можно приписать это различие некоторой «кривизне» пространства. Это можно представлять себе как изгибание пространства, но на самом деле это не идеальная картина, потому что тогда потребуется большее пространство, в котором исходному предстоит изогнуться. Лучше думать о «кривизне» таким образом, как будто области пространства или сжаты, или растянуты, так что изнутри кажется, что они вмещают меньше (или больше), чем снаружи. (Фанаты британского телесериала Doctor Who вспомнят Тардис — космический корабль и машину времени, которая изнутри больше, чем снаружи.) Блестящий ученик Гаусса Риман обобщил идею метрики с размерности два на любое число измерений и модифицировал идею таким образом, что расстояния стало возможно определять локально — для точек, расположенных очень близко друг к другу. Такая геометрия называется Римановым многообразием, и она представляет собой наиболее общий вид искривленного пространства.

Физика происходит не в пространстве, а в пространстве-времени, где, согласно Эйнштейну, естественная «плоская» геометрия есть не геометрия Эвклида, а геометрия Минковского. Время входит в формулу для «расстояния» иначе, нежели пространство. Такое геометрическое устройство представляет собой искривленное пространство-время. Оно оказалось именно тем, что заказывал патентный служащий.

Эйнштейн долго бился, изобретая свои уравнения общей теории относительности. Сначала он исследовал, как свет распространяется в гравитационном поле, и это привело его к мысли положить в основу единый фундаментальный принцип — принцип эквивалентности. В ньютоновской механике гравитация проявляет себя как сила, притягивающая все тела друг к другу. Силы вызывают ускорение. Принцип эквивалентности утверждает, что ускорение всегда неотличимо от эффектов, вызванных подходящим гравитационным полем. Другими словами, способ включить гравитацию в теорию относительности состоит в том, чтобы понять ускорение.

К 1912 году Эйнштейн убедился, что теория гравитации не может быть симметричной относительно всех преобразований Лоренца; симметрия такого вида применима точно и повсюду, только когда отсутствует материя, гравитация нулевая, а пространство-время является пространством-временем Минковского. Отбросив это требование «лоренцевой инвариантности», он избежал массы бесплодных усилий. «Единственная вещь, в которую я твердо верил, — писал он в 1950 году, — состояла в том, что в фундаментальные уравнения надо было включить принцип эквивалентности». Но он осознавал и пределы этого принципа: он должен быть верен только локально, как некое инфинитезимальное приближение к истинной теории^[62].

В 1907 году друг Эйнштейна Гроссманн стал профессором геометрии в ETH, и Альберт также согласился занять там пост. Ненадолго — через год он уехал в Берлин, а позднее в Прагу. Но он не прерывал контакта с Гроссманном, и это принесло щедрые плоды. В 1912 году Гроссманн помог Эйнштейну осознать, какого типа математику ему следовало искать: «Эта задача оставалась для меня неразрешимой, пока я внезапно не понял, что Гауссова теория поверхностей содержит ключевой элемент для разгадки тайны… Однако я в то время не знал, что Риман исследовал основания геометрии даже на еще более глубоком уровне. Когда я вернулся из Праги в Цюрих, там был мой дорогой друг математик Гроссман. От него я впервые узнал о Риччи, а затем о Римане. Так что я спросил своего друга, можно ли решить мою задачу, применяя теорию Римана».