По крайней мере одно в школе положительно повлияло на Джеймса: у него возник интерес к математике. В письме к отцу он сообщает, что сделал «тетра эдр, додека эдр и еще два других эдра, которые я точно не знаю как называются». (Надо полагать, окта и икоса.) К 14 годам он получил премию за независимое изобретение определенного класса математических кривых, известных как Декартовы овалы — по имени их первооткрывателя Декарта. Его статью прочли на заседании Эдинбургского Королевского Общества.
Джеймс, кроме того, писал стихи, но математические способности все же превалировали. В возрасте 16 лет он поступил в Эдинбургский университет, а потом продолжил обучение в Кембриджском университете — лучшем университете в Британии в том, что касалось математики. Уильям Хопкинс, готовивший его к экзаменам, говорил, что Джеймс был «самым необыкновенным человеком из всех, кого мне доводилось встречать».
Джеймс получил диплом и остался в Кембридже в аспирантуре, занимаясь опытами со светом. Там он прочитал «Экспериментальные исследования» Фарадея и начал изучать электричество. Если отбросить все подробности, то в конце концов он взял фарадеевы механические модели электромагнитных явлений и к 1864 году отфильтровал их в систему из четырех математических законов. (В применявшихся тогда обозначениях их число было больше четырех, но в используемых в наши дни векторных обозначениях их четыре. Есть варианты формализма, в которых все сводится к одной формуле.) Эти законы описывают электричество и магнетизм в терминах двух «полей» — электрического и магнитного, — которые пронизывают все пространство. Эти поля описывают не просто интенсивность электричества или магнетизма в каждой конкретной точке, но и их направления.
Четыре уравнения имеют простой физический смысл. Два из них говорят нам, что электричество и магнетизм нельзя ни создать, ни уничтожить. Третье описывает, как изменяющееся во времени магнитное поле создает окружающее электрическое поле; это уравнение в математическом виде воплощает открытие индукции Фарадеем. Четвертое описывает, как изменяющееся во времени электрическое поле воздействует на окружающее магнитное поле. Даже будучи просто выражены в словах, эти уравнения не лишены изящества.
Простые математические действия с четырьмя уравнениями Максвелла подтвердили то, что Максвелл уже давно подозревал: свет представляет собой электромагнитную волну — распространяющееся возмущение электрического и магнитного полей.
Математическая причина состояла в том, что из уравнений Максвелла легко следует нечто, что каждый математик распознает в одно мгновение: «волновое уравнение», которое, как подсказывает его название, описывает распространение волн[52]. Уравнения Максвелла дают и предсказание относительно скорости этих волн — они должны распространяться со скоростью света.
Только одна вещь распространяется со скоростью света.
В те дни считалось, что волны непременно должны быть волнами в чем-нибудь. Требовалась среда, чтобы их переносить; волны тогда оказывались колебаниями такой среды. Очевидной средой для световых волн был эфир. Математика говорит, что световые волны должны совершать колебания в направлении под прямым углом к направлению своего распространения. Это объясняет глубокие затруднения Ньютона и Гюйгенса: они считали, что колебания происходят вдоль направления распространения волны.
Из теории следовало и еще одно предсказание: длина волны электромагнитного излучения — расстояние от одной волны до другой — могла быть любой. Длина световой волны чрезвычайно мала, но должны существовать электромагнитные волны с намного большей длиной. Теория оказалась достаточно хороша для того, чтобы подтолкнуть Генриха Герца к созданию таких волн, называемых ныне радиоволнами. Вскоре вслед за тем Гульельмо Маркони практически реализовал передатчик и приемник — и мы внезапно начали разговаривать друг с другом, практически мгновенно обмениваясь информацией с любыми точками планеты. Сегодня мы тем же способом посылаем изображения, наблюдаем за небом с помощью радаров, а также определяем местоположение с помощью системы глобального позиционирования.
К сожалению, концепция эфира не была свободна от проблем. Если эфир существует, то Земля, вращаясь вокруг Солнца, должна двигаться и относительно эфира. Тогда должна иметься возможность наблюдать это движение экспериментально — иначе от самой концепции эфира пришлось бы отказаться как от не согласующейся с экспериментом.
Решение этой проблемы полностью изменило облик физики.
Летом 1876 года в фирме Израэля и Леви, управляемой двумя торговцами-евреями в городе Ульм в королевстве Вюртемберг, появился новый партнер Герман Эйнштейн. В молодости Герман выказывал значительные способности к математике, но его родители не могли позволить себе отправить сына в университет. Теперь он стал партнером в фирме, продававшей перины.
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.
