Максим Байтович
Эврика! Девять озарений, изменивших Вселенную

Глава 1. Год чудес: три эврики Альберта Эйнштейна

Берн, Швейцария, 1905 год.

Представьте себе молодого человека. Ему 26 лет, он работает техническим экспертом в патентном бюро, и у него нет ни лаборатории, ни доступа к последним научным журналам. Шесть дней в неделю он сидит в душном кабинете, разбирая чужие заявки на изобретения. Его зовут Альберт Эйнштейн.

Коллеги знают его как спокойного, немного рассеянного парня, который в любой непонятной ситуации начинает что-то черкать в потрёпанном блокноте. Но никто не догадывается, какая буря зреет в его голове. За один только этот год он опубликует четыре работы, каждая из которых достойна Нобелевской премии. Но нас интересуют моменты, когда искра превратилась в пламя. Их было три.

Эврика №1. Трамвай, который обогнал свет

Детективная завязка

В физике того времени назрела проблема, которую называли «эфирным ветром». Все были уверены, что свет — это волна, бегущая по невидимой субстанции под названием «эфир». Земля движется сквозь эфир. Значит, скорость света должна меняться: быть чуть быстрее, когда мы движемся ему навстречу, и чуть медленнее, когда убегаем. Эксперименты упрямо показывали: скорость света всегда одна и та же. Это была загадка, над которой бились лучшие умы, пытаясь «залатать» теорию.

Эйнштейн подошел к вопросу иначе. Вместо того чтобы чинить старую теорию, он спросил себя: «А что я увижу, если догоню луч света?»

Момент озарения

Тёплый майский вечер. Эйнштейн возвращается домой на трамвае. Он рассеянно смотрит в окно и вдруг замечает башню с часами. И тут его пронзает мысль. Он представляет, что трамвай мчится не со своей обычной скоростью, а почти со скоростью света.

Что он увидит, глядя на те часы через заднее окно, уносясь от них? Свету, который отобразил перемещение стрелки, нужно догнать уносящийся трамвай. Ему требуется чуть больше времени. Значит, для Эйнштейна в трамвае секунды на часах начнут тянуться медленнее. Время застынет.

А если он посмотрит на приближающиеся часы через переднее окно — их стрелка, наоборот, закрутится быстрее.

Озарение: не существует единого «сейчас» для всех. Время относительно.

Последствия

Через несколько недель он отправит в журнал статью «К электродинамике движущихся тел» — первую формулировку специальной теории относительности. Эфир отправится на свалку истории физики.

Эврика №2. Пыльца, которая доказала атомы

Детективная завязка

В начале XX века атомы всё ещё были гипотезой. Многие уважаемые учёные, например, Эрнст Мах, в них просто не верили. «Вы их видели?» — спрашивали они. Никто не видел. Нужен был способ доказать их существование косвенно, и желательно — с помощью микроскопа.

Момент озарения

Однажды Эйнштейн смотрел в окно на реку Аре, протекающую через Берн. Он заметил, как на поверхности воды танцуют крошечные частицы пыльцы. Этот танец был известен давно и назывался броуновским движением. Но что заставляет частицы двигаться так хаотично?

И тут его осенило. Представьте себе огромный, но невидимый шар для боулинга — молекулу воды. Вы не видите сам шар, но видите, как от его ударов разлетаются кегли — частицы пыльцы. Танец пыльцы на воде был не просто случайностью. Это был видимый результат невидимой бомбардировки молекулами. Эйнштейн понял: можно математически описать этот танец, предсказав, насколько далеко сместится частица за определённое время, и таким образом вычислить размер атома, даже не видя его.

Озарение: хаотичный танец пыльцы — прямое доказательство реальности атомов.

Последствия

Статья о броуновском движении стала «дымящимся пистолетом» атомной теории. Через несколько лет французский физик Жан Перрен проведёт эксперименты, подтвердит расчёты Эйнштейна и получит за это Нобелевскую премию. Скептики умолкнут навсегда.

Эврика №3. Луч, который стал частицей (фотоэффект)

Детективная завязка

Ещё одна загадка мучила физиков. Если посветить ультрафиолетом на металлическую пластину, из неё вылетают электроны. Это называется фотоэффектом. Казалось бы, чем ярче свет, тем больше энергии он несёт, и тем быстрее должны лететь электроны. Но нет. Эксперименты показывали странное: энергия вылетающих электронов зависит не от яркости, а только от цвета света. Красный свет — электроны еле ползут, фиолетовый — летят быстро. А если свет слишком красный, электроны не вылетают вовсе, хоть свети на пластину прожектором. Это было всё равно что набегающие волны прибоя не могли сдвинуть гальку, а редкие, но высокие волны — легко подбрасывали её в воздух. Классическая физика разводила руками.

Момент озарения

Всё тот же 1905 год. Эйнштейн берёт экспериментальные данные и решает поверить им буквально. Если энергия электронов зависит только от цвета — значит, свету вовсе не обязательно быть непрерывной волной. А что, если свет — это поток частиц, настоящих пуль, которые выбивают электроны? Каждая такая частица — квант света, позже названный фотоном.

Эйнштейн представил себе это буквально: луч света как автоматная очередь. Один фотон выбивает один электрон. Энергия фотона зависит только от его цвета: фиолетовые «пули» несут большой заряд, красные — слабый. Если «пули» слишком слабы (красный свет), они просто не могут выбить электрон, сколько бы вы ни стреляли. А если взять фиолетовый свет, то даже одиночный выстрел выбьет электрон с огромной скоростью.

Озарение: свет ведёт себя не только как волна, но и как поток частиц.

Последствия

Эта работа, единственная из всех, сам Эйнштейн считал «очень революционной». Именно за неё, а не за теорию относительности, он получит Нобелевскую премию в 1921 году. Ирония в том, что идея квантов света положила начало квантовой механике — теории, которую сам Эйнштейн позже будет яростно критиковать, повторяя свою знаменитую фразу: «Бог не играет в кости».

Эпилог

Три озарения за один год. Три «эврики», каждая из которых породила новое направление в физике. Патентный клерк из Берна перевернул науку не в лаборатории с дорогим оборудованием, а в собственной голове, вооружённый лишь карандашом, бумагой и невероятной способностью задавать простые вопросы.

Что я увижу, догоняя свет?

Почему танцует пыльца?

Что, если свет — это пули?

Вопросы, которые изменили всё.

Глава 2. Акт отчаяния: как Макс Планк спас физику, в которую не верил

Берлин, октябрь 1900 года.

Представьте себе человека, который всем сердцем любит порядок. Для Макса Планка физика была храмом абсолютной, вечной истины. Законы термодинамики, считал он, так же нерушимы, как законы логики. В отличие от молодого бунтаря Эйнштейна, Планк был профессором, столпом академической науки, убеждённым консерватором. Ему было 42 года. Он меньше всего на свете хотел совершить революцию.

Но проблема, которую называли «ультрафиолетовой катастрофой», не оставляла выбора.

Детективная завязка: печь, которая сводила с ума

В конце XIX века физики изучали, как светится нагретое тело. Простая вещь — кусок железа в печи. Он раскаляется докрасна, потом до желтого, потом до белого. Задача была чисто практической: создать идеальную лампочку. Нужно было вывести формулу, которая точно описывает, сколько энергии и какого цвета излучает печь при любой температуре.

Две формулы уже были. Одна прекрасно описывала длинные, красные волны. Другая — короткие, ультрафиолетовые. Но склеить их в одну не получалось. Хуже того, из второй формулы следовала катастрофа: раскалённая печь должна была излучать бесконечную энергию в ультрафиолете! Открой вы дверцу такой математической печи — и поток гамма-излучения уничтожил бы Вселенную. Это был абсурд. Значит, что-то фундаментально неверно в самой основе физики.

Момент озарения: жест отчаяния в ночной тишине

Планк бился над этой проблемой несколько лет. Он чувствовал, что разгадка где-то рядом, но она ускользала. И тогда он решился на шаг, который противоречил всей его научной философии. Он перестал искать физический смысл и занялся подгонкой.

«Это был акт чистого отчаяния, — писал он позже. — Я был готов пожертвовать любым из моих прежних убеждений в физике».

В тиши своего кабинета, поздно ночью, он сделал нечто странное. Он предположил, что энергия излучается не непрерывно, как вода из шланга, а строго определёнными порциями — словно из шланга вылетают не струи, а отдельные, неделимые капли. Каждую такую порцию он назвал «квантом энергии».

Аналогия под микроскопом: вода и пиво

Чтобы понять, что именно осенило Планка, представьте себе два стакана.

Первый стакан — с водой. Вы можете отпить из него ровно столько, сколько захотите: один миллилитр, полтора, два с четвертью. Энергия в классической физике была такой водой — непрерывной, делимой до бесконечности.

А теперь представьте второй стакан — с пивом в баре. Оно продаётся только кружками. Вы не можете заказать ровно 173 миллилитра. Вы берёте одну кружку, или две, или три. Целое число.

Планк в отчаянии предположил, что энергия в печи излучается не как вода, а как пиво — порциями-кружками. Он ввёл в формулу новую постоянную — число h, которое определяло размер этой «кружки». Для красного света — кружка маленькая. Для ультрафиолета — большая.

Почему это спасло от катастрофы?

Теперь ультрафиолетовая катастрофа исчезла сама собой.

Чтобы излучить ультрафиолетовый свет (огромную «кружку» энергии), атому нужно сначала накопить на неё «денег». А денег у него нет — его тепловой энергии хватает только на несколько маленьких красных кружек. Поэтому он просто не может излучать ультрафиолет. Он сидит и пьёт своё пиво маленькими глотками.

Формула сошлась идеально. Она идеально описывала свечение печи на всех длинах волн. Дата — 14 декабря 1900 года — считается днём рождения квантовой физики.

Последствия: революция, которую автор не принял

Планк долго не мог поверить в то, что он сделал. Он думал, что кванты — это просто математический трюк для удобства расчётов, а не реальность. Он потратит годы, пытаясь вписать свой квант обратно в классическую физику. Он потерпит поражение.

Природа действительно оказалась порционной. Эйнштейн пойдёт дальше и скажет, что свет не только излучается, но и распространяется порциями — теми самыми фотонами. Планк будет в ужасе от смелости Эйнштейна, хотя сам того и породил. Он станет отцом квантовой эры, но так и останется в душе классическим физиком, который однажды ночью от отчаяния сломал свой собственный храм.