140 років тому народився Альберт Ейнштейн. Ось уривок із книги «Ейнштейн. Життя і всесвіт генія» — про теорію відносності та дружину вченого

Автор:
Лєна Ковальчук
Дата:

ullstein bild / ullstein bild via Getty Images

Сьогодні, 14 березня, 140 років з дня народження Альберта Ейнштейна. У видавництві «Наш формат» виходить біографія вченого. Її написав колишній директор телекомпанії CNN та головний редактор журналу Time Волтер Айзексон. Раніше він писав біографії Стіва Джобса, Бенджаміна Франкліна та Генрі Кіссінджера. З дозволу видавництва публікуємо уривок з книги «Ейнштейн. Життя і всесвіт генія» в перекладі Миколи Климчука про те, як науковець вигадав свою спеціальну теорію відносності та хто йому в цьому допоміг.

Шлях Ейнштейна до загальної теорії відносності почався в листопаді 1907 року, коли він гарячково — терміни тиснули — дописував статтю зі спеціальної теорії відносності для щорічного наукового збірника. Його постійно муляли дві обставини: теорія стосувалася тільки прямолінійного руху з постійною швидкістю (при зміні швидкості або напрямку руху тіла теорія переставала триматися купи) і не охоплювала ньютонівську теорію гравітації.

«Я сидів на стільці в патентному бюро в Берні, аж раптом мене осяяло, — згадував Ейнштейн. — Коли людина вільно падає, вона перестає відчувати власну вагу». З цієї думки почалася інтелектуальна одіссея, довжиною вісім років — Ейнштейн спробував узагальнити СТВ і додати до неї теорію гравітації. Згодом він піднесено казатиме, що це була «найвдаліша думка» його життя.

Історія про людину в падінні стала хрестоматійною, у деяких книжках навіть фігурує художник, який нібито впав з даху будинку по сусідству з патентним бюро. Насправді, це науковий фольклор того самого гатунку, що й експерименти Галілея на Пізанській вежі чи історія про яблуко і Ньютона — найімовірніше, Ейнштейн ставив уявний експеримент, а не спостерігав за реальним нещасним випадком. Навіть зациклений на науці Ейнштейн, побачивши, як людина падає з даху, навряд чи першим ділом подумав би про теорію гравітації і тим паче не назвав би це найвдалішою думкою у житті.

Ейнштейн розвинув свій експеримент, помістивши людину в замкнений простір — ящик або ліфт, що вільно падає на землю. У такому ліфті (принаймні поки він не розіб’ється) людина відчуватиме невагомість. Усе, що вона витягне з кишені, буде плавати поруч із нею.

Ейнштейн підійшов до ситуації з іншого боку й уявив, що людина в ліфті летить у космосі, «далеко від зір та інших суттєвих мас». Вона так само відчуватиме невагомість. «Сили тяжіння для такого спостерігача не існує. Він мусить прив’язати себе мотузками до підлоги, інакше від найменшого удару об підлогу повільно пливтиме до стелі».

Потім Ейнштейн уявив, що до стелі ліфта причепили мотузку й тягнуть його вгору з постійною силою. «Ліфт разом зі спостерігачем почне з рівномірним прискоренням підійматися “вгору”». Людина всередині відчує, що її притискає до підлоги. «Вона стоятиме в ліфті точно так само, як у кімнаті на Землі». Якщо вийняти з кишені і відпустити який-небудь предмет, він упаде на підлогу «з прискоренням вільного падіння» незалежно від своєї ваги — усе, як показав Галілей про силу тяжіння. «Людина в ліфті дійде висновку, що вона разом з ліфтом перебуває в гравітаційному полі. Звісно, вона здивується, що в цьому гравітаційному полі не падає сам ліфт. Але потім помітить гак і мотузку у стелі ліфта і дійде висновку, що ліфт підвішено в гравітаційному полі».

Біографія Альберта Ейнштейна.

Видавництво «Наш Формат»

«Чи маємо ми право посміятися з цієї людини і сказати, що вона помиляється?» — питав Ейнштейн. Тут, як і у випадку спеціальної теорії відносності, немає «правильного» і «неправильного». «Ми мусимо визнати, що її розуміння ситуації не суперечить жодним законам логіки і механіки».

Ейнштейн підходив до проблеми у властивому для себе стилі: він аналізував явище, таке знайоме, що інші науковці рідко над ним задумувалися. У кожного тіла є «гравітаційна маса», яка визначає його вагу на поверхні Землі або, у ширшому сенсі, силу тяжіння між ним і будь-яким іншим тілом. У тіла також є «інертна маса», яка визначає, скільки сили треба докласти, щоб надати тілу прискорення. Як завважив Ньютон, інертна маса тіла завжди дорівнює гравітаційній масі, хоч визначаються вони по-різному. Було очевидно, що це не простий збіг, але ніхто не міг пояснити чому.

Ейнштейну не подобалося, що одне явище має два пояснення, і він довів еквівалентність інертної і гравітаційної мас за допомогою уявного експерименту. Якщо уявити, що закритий ліфт піднімають у космосі, де немає гравітації, то людина всередині відчує, як її притискає до підлоги (а предмет, прив’язаний на мотузці до стелі ліфта, тягнутиме вниз) із силою, яка дорівнює інертній масі її тіла. А якщо уявити закритий ліфт, що перебуває у стані спокою в гравітаційному полі, то людина відчуватиме спрямовану вниз силу (а предмет, прив’язаний на мотузці до стелі ліфта, так само тягнутиме вниз), яка дорівнює гравітаційній масі. Однак інертна маса завжди дорівнює гравітаційній. «З цієї аналогії випливає, що неможливо експериментально з’ясувати, чи є ця система координат прискореною, чи [...] спостережувані ефек-ти обумовлені гравітаційним полем», — писав Ейнштейн.

Він назвав це «принципом еквівалентності». Локальні ефекти гравітації і прискорення еквівалентні. Відштовхуючись від цієї ідеї, Ейнштейн спробував розширити теорію відносності так, щоб вона стосувалася не тільки систем, які рухаються з постійною швидкістю. Вісім наступних років він розвиватиме думку, що «ефекти, які ми приписуємо гравітації, і ефекти, які ми приписуємо прискоренню, породжуються однією структурою».

Підхід Ейнштейна до загальної теорії відносності ще раз показав, як працює його розум.

  • Його непокоїло, коли дві, здавалося б, непов’язані між собою теорії описують одне спостережуване явище. Така ситуація склалася з рухомою котушкою і рухомим магнітом, які генерували спостережуваний електричний струм, — цю суперечність усунула спеціальна теорія відносності. Цього разу в задачі фігурувало дві різні дефініції інертної і гравітаційної мас, і Ейнштейн почав розв’язувати її на основі принципу еквівалентності.
  • Йому не подобалося, коли з теорії випливали висновки, яких не можна було спостерігати в природі. Як-от зі спостерігачами при рівномірному русі: не існувало способу визначити, хто з них рухається, а хто перебуває у стані спокою. Тепер те саме виходило зі спостерігачами, які рухаються з прискоренням: не існувало способу визначити, хто перебуває в гравітаційному полі, а хто прискорюється під дією інших сил.
  • Ейнштейн не вдовольнявся тим, що його теорії описують конкретний випадок, і прагнув максимально їх узагальнити. Ситуація, коли для рівномірного руху — один набір принципів, а для всіх інших типів руху — інший, здавалася йому малоприйнятною. Усе життя він прагнув об’єднати різні теорії в одну. [...]

Провівши над прискореною системою різні математичні обрахунки, Ейнштейн показав: якщо його засновки правильні, то годинники в сильнішому гравітаційному полі йтимуть повільніше. Він також сформулював кілька передбачень, які можна було перевірити: промінь світла має вигинатися під дією гравітації, а довжина хвилі світла, випромінюваного масивним тілом, наприклад Сонцем, має трохи збільшуватися (цей ефект назвуть гравітаційним червоним зсувом). «На основі деяких міркувань, сміливих, але небезпідставних, я дійшов висновку, що гравітаційний вплив може бути причиною зсуву в червоний бік спектра, — пояснював він колезі. — З цих аргументів також випливає, чому відбувається викривлення променів світла під дією гравітації».

На розробку основ цієї теорії і пошук її математичної форми піде вісім років — Ейнштейн закінчить її у листопаді 1915-го. Мине ще чотири роки, поки кількісне передбачення про викривлення променів світла під дією гравітації буде підтверджено експериментально. Але саме тоді, у 1907-му, в Ейнштейна з’явилася ідея, з якої виросте одна з найелегантніших і найважливіших теорій в історії фізики — загальна теорія відносності.

«Яким щасливцем я буду і як пишатимусь, коли ми разом закінчимо нашу роботу про відносний рух!» — писав Ейнштейн своїй коханій Мілеві Марич у 1901 році. І ось роботу закінчено. Дописавши в червні чернетку статті, Ейнштейн почувався таким виснаженим, що «згорнувся у клубок і зліг у ліжко на два тижні», поки Мілева «знов і знов перевіряла статтю».

А потім подружжя Ейнштейнів влаштувало не дуже властиву для них подію: разом відсвяткували. Закінчивши всі чотири статті, які Ейнштейн згадував у знаменитому листі Конраду Габіхту, він надіслав давньому другові поштівку за двома підписами — своїм і Мілеви. Ось її повний текст: «Ми обоє до чортиків п’яні і лежимо під столом, ой».

Тут виникає питання набагато дискусійніше й делікатніше, ніж питання про вплив на Ейнштейна робіт Лоренца і Пуанкаре: у чому полягала роль Мілеви Марич?

Відпустку в серпні вони провели разом — з’їздили в Сербію до батьків і друзів Мілеви. Мілева трималася з гордістю і була готова розділити лаври з чоловіком. За розповідями, записаними пізніше, вона сказала батькові: «Ми недавно закінчили дуже важливу роботу, яка прославить мого чоловіка на весь світ». Стосунки подружжя ніби налагодилися, Ейнштейн висловлював дружині вдячність за допомогу. «Куди ж я без неї, — казав він сербським друзям Мілеви. — Вона розв’язує всі мої математичні задачі».

Дехто стверджував, що Мілева була повноцінним співавтором Ейнштейна. Існувала версія, згодом спростована, що на першому варіанті статті з теорії відносності значилося також її ім’я. У 1990 році на конференції в Новому Орлеані Американське товариство сприяння розвитку науки провело дискусію на цю тему між фізиком і дослідником раку Еваном Вокером і редактором проекту «Документи Ейнштейна» Джоном Стейчелом. Вокер покликався на те, що в багатьох листах Ейнштейн згадує «нашу роботу», а контраргумент Стейчела полягав у тому, що все це звичайні для романтичних стосунків реверанси і «немає жодних свідчень, ніби Мілева вносила якісь свої ідеї».

Не дивно, що ця дискусія привернула увагу і науковців, і журналістів. Журналістка «Бостон глоуб» Елен Гудмен написала пристрасну колонку в оборону Мілеви, але погодилася, що аргументів на її користь мало, а британський журнал «Економіст» надрукував статтю під назвою «Відносна роль місіс Ейнштейн». 1994 року в Нові-Садському університеті відбулася ще одна конференція. Її організатор професор Растко Магліч заявив, що пора «віддати належне Мілеві Марич і поставити її на заслужене місце в історії науки». Кульмінація цієї дискусії — документальний фільм «Дружина Ейнштейна», випущений 2003 року каналом «Пі-бі-ес» (цілком зважений, хоч автори некритично поставилися до свідчення, що ім’я Мілеви значилося на першому варіанті статті).

Судячи з усього, на Мілеві Ейнштейн відточував свої думки, хоч роль Мікеле Бесо здається важливішою. Крім того, Мілева допомагала йому з математикою, але немає свідчень, що вона висловлювала якісь самостійні математичні ідеї. Ще вона надихала його і терпіла (а це часом було найскладнішою роботою).

Історія стала б яскравішою і викликала б у читачів більший емоційний відгук, якби ми пофантазували на цю тему. Але треба триматися фактів, хай навіть прозаїчних. У розлогому епістолярії Альберта Ейнштейна й Мілеви Марич немає жодного натяку на яку-небудь ідею або нову концепцію, що її придумала Мілева.

Та й сама вона ні в листуванні, ні в розмовах з родичами і друзями, навіть під час болісного розлучення з Ейнштейном, ніколи не претендувала на те, що зробила якийсь суттєвий внесок в його теорії. У книжці Пітера Мічелмора наведено думку їхнього старшого сина Ганса Альберта (він залишився з матір’ю після розлучення батьків і був до неї дуже прив’язаний): «Мілева допомагала йому розв’язувати деякі математичні проблеми, але ніхто не міг допомогти йому з ідеями, з творчою частиною роботи». Ймовірно, ці слова відображають те, що розповідала синові мати.

Насправді, симпатизувати Мілеві, захоплюватися нею, віддати їй шану можна й без того, щоб перебільшувати її внесок. За словами історика науки Джеральда Голтона, записувати на рахунок Мілеви більше, ніж вона сама претендувала, «означає применшувати її справжню, цілком помітну роль в історії науки і знецінювати трагізм знебулих дівочих мрій».

Ейнштейн захоплювався сміливістю жінки, яка кинула виклик долі і попри все захотіла стати фізиком. Жінки й наука — досі дражлива тема, і зі столітньої відстані очевидно, що Мілева заслужила почесне місце в анналах історії науки бодай рішучістю, з якою вона спробувала увійти в суто чоловічий фізико-математичний світ. Це місце належить Мілеві Марич, незалежно від її ролі у створенні спеціальної теорії відносності.