Работа в бюро патентов стала для Эйнштейна благословлением. После долгой финансовой нестабильности и зависимости от отца он, наконец, смог жениться на Милеве и начать семейную жизнь в Берне. Относительная монотонность работы с четко определенными задачами и отсутствием отвлекающих факторов создала идеальную среду для размышлений. За несколько часов Эйнштейн справлялся с текущими делами и мог сконцентрироваться на собственных проблемах. За маленьким деревянным столом в компании немногочисленных книг и бумаг со своей «кафедры теоретической физики» он мог мысленно ставить эксперименты. И в процессе этих, как он называл их по-немецки, gedanken experimenten, Эйнштейн воображал ситуации и конструкции, позволяющие исследовать физические законы. В отсутствие настоящей лаборатории он прокручивал в голове тщательно моделируемые игры, инсценируя события, которые затем детально изучал. Эйнштейн хорошо знал математику и мог изложить результаты таких экспериментов на бумаге, создавая изысканные шедевры, в конечном счете поменявшие путь развития физики.
Владельцы патентного бюро были довольны работой Эйнштейна и повысили его до эксперта II класса, и это никак не было связано с появившейся у него научной репутацией. Эйнштейн все еще корпел над ежедневными порциями патентов, когда в 1907 году немецкий физик Йоханесс Штарк поручил ему обзор «О принципе относительности и вытекающих из него следствиях». На эту работу было отведено два месяца, и за это время Эйнштейн осознал, что выведенный им принцип относительности не универсален и требует тщательного пересмотра.
Статья в ежегоднике предполагалась как краткое изложение исходного принципа относительности, который гласил, что законы физики должны быть одинаковы в любой инерциальной системе отсчета. Лежащая в основе принципа идея была не нова и эксплуатировалась столетиями.
Законы физики и механики описывают движение, ускорение и замедление объектов под действием сил. В XVII веке английский физик и математик Исаак Ньютон сформулировал законы, объясняющие реакцию объектов на механические силы. Они последовательно демонстрировали, что произойдет при столкновении двух бильярдных шаров, вылете пули из ружья или при подбрасывании мяча в воздух.
Инерциальной называется система отсчета, движущаяся с постоянной скоростью. Если вы читаете эту книгу, сидя на одном месте, например дома в кресле или за столиком в кафе, вы находитесь в инерциальной системе отсчета. Другим классическим примером является равномерно перемещающийся скорый поезд с закрытыми окнами. Находящийся внутри человек после достижения постоянной скорости движения не сможет определить, движется поезд или стоит. Обнаружить разницу между двумя инерциальными системами в принципе невозможно, даже если одна перемещается с большой скоростью, а вторая покоится. Результат измерения действующих на объект сил будет тождественным в любой из инерциальных систем. Законы физики работают во всех этих системах одинаково.
Девятнадцатый век породил совершенно новые законы, объединившие две основные силы: электричество и магнетизм. На первый взгляд эти явления не связаны друг с другом. Электричество — это лампочки у нас дома или молнии во время грозы, а с проявлениями магнетизма мы сталкиваемся, прикрепляя магнитики к холодильнику или определяя направление по компасу. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что эти две силы можно рассматривать как различные проявления общей базовой силы, электромагнетизма, восприятие которой зависит от того, как именно движется наблюдатель. Человек, сидящий рядом с магнитным бруском, столкнется с магнетизмом, но не с электричеством. А вот при быстром круговом движении можно ощутить не только магнетизм, но и толику электричества. Максвелл скомпоновал две силы в одну, не зависящую от положения и скорости наблюдателя.
При попытке объединить ньютоновские законы движения с описывающими электромагнитное взаимодействие законами Максвелла возникает проблема. Если бы окружающий мир и в самом деле подчинялся этим законам, из магнитов, проводов и блоков можно было бы создать инструмент, не ощущающий воздействия сил в одной инерциальной системе, но способный регистрировать силу в другой, нарушая постулат о неразличимости инерциальных систем. Соответственно, создавалось впечатление, что законы Ньютона противоречат законам Максвелла. Эйнштейн хотел устранить эту «асимметрию».
За предшествующий публикациям 1905 года срок, проведя серию направленных на решение данной проблемы мысленных экспериментов, Эйнштейн разработал компактный принцип относительности. Результатом его умственных упражнений стали два постулата. По-новому был сформулирован сам принцип: проявления законов физики должны выглядеть одинаково в любой инерциальной системе отсчета. Второй постулат был более радикальным: в любой инерциальной системе отсчета скорость света всегда одинакова и составляет 299 792 километра в секунду. Именно эти постулаты позволили скорректировать ньютоновскую механику и законы движения таким образом, что при их объединении с законами электромагнитного взаимодействия Максвелла инерциальные системы оставались бы неразличимыми. Кроме того, новый принцип относительности Эйнштейна привел к ошеломительным результатам.
Последний постулат требует корректировки законов Ньютона. В классической Вселенной Ньютона скорость аддитивна. Свет фар движущегося автомобиля перемещается быстрее, чем свет стационарного источника. А во Вселенной Эйнштейна это не так. Существует предельная космическая скорость, равная 299 792 километрам в секунду. Этот барьер не в состоянии преодолеть даже самая мощная ракета. Но возникает странный эффект. К примеру, человек, путешествующий в поезде, движущемся со скоростью, близкой к скорости света, будет стареть медленнее, чем человек, стоящий на платформе и наблюдающий, как этот поезд проходит мимо. А размер такого поезда во время движения оказывается меньше, чем во время стоянки. Время растягивается, а пространство сжимается. Эти странные вещи показывают, что в мире относительности время и пространство переплетены друг с другом и взаимозаменяемы.
Казалось бы, принцип относительности Эйнштейна упростил физику, но последствия при этом получались странные. И осенью 1907 года в процессе подготовки обзора ему пришлось признать, что хорошо работающая на первый взгляд гипотеза пока далека от завершения. В картину не укладывалась теория тяготения Ньютона.
До появления Альберта Эйнштейна Ньютон считался богом в мире физики. Его работы демонстрировались как пример ошеломляющего успеха современной мысли. В конце XVII века Ньютон объединил действующую на очень маленькие и на очень большие объекты силу тяжести в одно простое уравнение. Оно объясняло как космические явления, так и нашу повседневную жизнь.
Закон всемирного тяготения Ньютона, или «закон обратных квадратов», на удивление прост. Он гласит, что гравитационное притяжение между двумя объектами прямо пропорционально массе каждого из объектов и обратно пропорционально расстоянию между ними. При увеличении массы одного из объектов в два раза сила гравитационного притяжения также удваивается. А если в два раза увеличить расстояние между объектами, притяжение ослабнет в четыре раза. На протяжении двух веков закон Ньютона использовался для объяснения любых физических явлений. Наиболее ярким примером его применения стало обоснование орбит существующих планет, а также предсказание новых.
