Как Альберт Эйнштейн боролся за европейский мир и теоретическую физику
В самом начале ХХ века в физике произошли колоссальные открытия, ряд которых принадлежал Альберту Эйнштейну, создателю общей теории относительности. Ученые оказались на пороге совершенно нового взгляда на Вселенную, который требовал от них интеллектуальной смелости, готовности погрузиться в теорию и навыков в обращении со сложным математическим аппаратом. Вызов приняли не все, и, как это порой бывает, на научные споры наложились политические разногласия, вызванные сперва Первой мировой войной, потом — приходом к власти в Германии Гитлера. Эйнштейн и тут оказался ключевой фигурой, вокруг которой ломались копья. Читайте об этом в новом материале из серии «Физика ХХ века».
Начало Первой мировой войны сопровождалось патриотическим подъемом у населения государств-участников, в том числе у ученых.
В Германии в 1914 году 93 деятеля науки и культуры, включая Макса Планка, Фрица Габера и Вильгельма Рентгена, опубликовали манифест, выражающий полную поддержку государству и войне, которую оно ведет: «Мы, представители немецкой науки и искусства, заявляем перед всем культурным миром протест против лжи и клеветы, которыми наши враги стараются загрязнить правое дело Германии в навязанной ей тяжкой борьбе за существование. <…> Без немецкого милитаризма немецкая культура была бы давным-давно уничтожена в самом зачатке. Германский милитаризм является производным германской культуры, и он родился в стране, которая, как ни одна другая страна в мире, подвергалась в течение столетий разбойничьим набегам».
Тем не менее, нашелся немецкий ученый, выступивший резко против подобных идей. Альберт Эйнштейн опубликовал в 1915 году ответный манифест «К европейцам»: «Никогда раньше война так не нарушала взаимодействие культур. <…> Обязанность европейцев, имеющих образование и добрую волю, — не позволить Европе поддаться». Однако это воззвание, кроме самого Эйнштейна, подписали всего три человека.
Немецким ученым Эйнштейн стал совсем недавно, хотя и родился в Германии. Школу и университет он окончил в Швейцарии, и после этого почти десять лет различные университеты Европы отказывали ему в приеме на работу. Отчасти это было связано с тем, как именно Эйнштейн обращался с просьбой рассмотреть свою кандидатуру. Так, в письме Паулю Друде, создателю электронной теории металлов, он сначала указал на две ошибки, содержавшиеся в его теории, и лишь потом просил принять на работу.
В итоге Эйнштейну пришлось устроиться в швейцарское патентное бюро в Берне, и только в самом конце 1909 года он смог получить должность в Цюрихском университете. А уже в 1913 году сам Макс Планк вместе с будущим нобелевским лауреатом по химии Вальтером Нернстом лично приехали в Цюрих, чтобы уговорить Эйнштейна принять немецкое подданство, переехать в Берлин и стать членом Прусской академии наук и директором Института физики.
Работа в патентном бюро оказалась для Эйнштейна поразительно продуктивной с научной точки зрения. «Когда кто-то проходил мимо, я засовывал свои записи в ящик стола и делал вид, что занимаюсь патентной работой», — вспоминал он. 1905 год вошел в историю науки как annus mirabilis, «год чудес». В этом году в журнале Annalen der Physik вышли четыре статьи Эйштейна, в которых он смог теоретически описать броуновское движение, объяснить, использовав планковскую идею световых квантов, фотоэффект, или эффект вылета электронов из металла при облучении его светом (именно в таком эксперименте Дж. Дж. Томсон открыл электрон (об этом шла речь в нашем предыдущем материале), и внести решающий вклад в создание специальной теории относительности.
Удивительное совпадение: теория относительности появилась почти одновременно с теорией квантов и так же неожиданно и бесповоротно изменила основания физики. В XIX веке была твердо установлена волновая природа света (об этом можно прочитать здесь), и ученых заинтересовало, как устроено вещество, в котором эти волны распространяются. Несмотря на то, что никто пока не наблюдал эфир (так назвали это вещество) непосредственно, сомнения в том, что он существует и пронизывает всю Вселенную, не возникали: было ясно, что волна должна распространяться в какой-то упругой среде, по аналогии с кругами от брошенного камня на воде: поверхность воды в точке падения камня начинает колебаться, и, поскольку она упругая, колебания передаются в соседние точки, от них в соседние и так далее. Существование физических объектов, которые невозможно увидеть с помощью имеющихся приборов, после открытия атомов и электронов тоже уже никого не удивляло.
Одним из простых вопросов, на которые классическая физика не смогла найти ответ, был такой: увлекается ли эфир движущимися в нем телами? К концу XIX века одни эксперименты убедительно показывали, что эфир полностью увлекается движущимися телами, а другие, причем не менее убедительно, — что увлекается только частично.
В попытках разобраться в движении эфира и распространения света в нем Лоренцу и французскому математику Анри Пуанкаре пришлось предположить, что размеры движущихся тел меняются по сравнению с размерами неподвижных и, более того, время для движущихся тел течет медленнее. Это трудно представить, — и Лоренц относился к этим предположениям скорее как к математическому трюку, чем к физическому эффекту, — но они позволили согласовать механику, электромагнитную теорию света и опытные данные.
Эйнштейн в двух статьях 1905 года смог на основе этих интуитивных соображений создать стройную теорию, в рамках которой все эти удивительные эффекты являются следствием двух постулатов:
И вывел самую знаменитую физическую формулу E=mc2! Кроме того, из-за первого постулата движение эфира перестало иметь значение, и Эйнштейн просто отказался от него — свет может распространяться в пустоте.
Специальная теория относительности возникла из необходимости примирить электромагнитную теорию света с механикой быстро (и с постоянной скоростью) движущихся тел. После переезда в Германию Эйнштейн завершил свою общую теорию относительности (ОТО), где добавил к электромагнитным и механическим явлениям гравитацию. Оказалось, что гравитационное поле можно описать как деформацию массивным телом пространства и времени.
Одним из следствий ОТО является искривление траектории луча при прохождении света вблизи большой массы. Первая попытка экспериментальной проверки ОТО должна была состояться летом 1914 года при наблюдении солнечного затмения в Крыму. Однако команда немецких астрономов была интернирована в связи с началом войны. Это в каком-то смысле спасло репутацию ОТО, поскольку в тот момент теория содержала ошибки и давала неправильное предсказание угла отклонения луча.
В 1919 году английский физик Артур Эддингтон при наблюдении солнечного затмения на острове Принсипи у западного побережья Африки смог подтвердить, что свет звезды (он стал виден благодаря тому, что Солнце его не затмевало), проходя мимо Солнца, отклоняется ровно на такой угол, какой предсказывают уравнения Эйнштейна. Открытие Эддингтона сделало Эйнштейна суперзвездой.
Седьмого ноября 1919 года, в разгар Парижской мирной конференции, когда все внимание, казалось бы, должно быть приковано к тому, как мир будет существовать после Первой мировой войны, лондонская газета «Таймс» вышла с передовицей: «Революция в науке: новая теория вселенной, идеи Ньютона повержены». Репортеры преследовали Эйнштейна повсюду, донимая просьбами объяснить теорию относительности в двух словах, а залы, где он читал публичные лекции, были переполнены (при этом, судя по отзывам современников, Эйнштейн был не очень хорошим лектором; слушатели плохо понимали суть лекции, но все равно приходили посмотреть на знаменитость).
В 1921 году Эйнштейн вместе с английским биохимиком и будущим президентом Израиля Хаимом Вейцманом (мы рассказывали о нем в прошлом материале) отправился в лекционный тур по США, чтобы собрать средства на поддержку еврейских поселений в Палестине. По сообщению The New York Times, «В Метрополитен-опера были заняты все места, от оркестровой ямы до последнего ряда галерки, сотни людей стояли в проходах». Корреспондент газеты подчеркивал: «Эйнштейн говорил по-немецки, но жаждущие увидеть и услышать человека, который дополнил научную концепцию Вселенной новой теорией пространства, времени и движения, заняли все места в зале».
Несмотря на успех у широкой публики, в научной среде теорию относительности принимали с большим трудом. С 1910 по 1921 год прогрессивно мыслящие коллеги десять раз выдвигали Эйнштейна на Нобелевскую премию по физике, но консервативный Нобелевский комитет всякий раз отказывал, ссылаясь на то, что теория относительности пока не получила достаточного экспериментального подтверждения. После экспедиции Эддингтона это начинало все сильнее отдавать скандалом, и в 1921 году, все еще не убежденные, члены комитета приняли элегантное решение — присудить Эйнштейну премию, вообще не упоминая теорию относительности, а именно: «За заслуги перед теоретической физикой и, особенно, за его открытие закона фотоэлектрического эффекта».
Популярность Эйнштейна на Западе вызывала болезненную реакцию коллег в Германии, которые оказались практически в изоляции после воинственного манифеста 1914 года и поражения в Первой мировой войне. В 1921 году Эйнштейн был единственным немецким ученым, получившим приглашение на всемирный Сольвеевский физический конгресс в Брюсселе (которое он, правда, проигнорировал в пользу поездки в США с Вейцманом).
При этом, несмотря на идеологические разногласия, с большинством патриотически настроенных коллег Эйнштейну удалось сохранить дружеские отношения. Но у крайне правого крыла студенчества и ученых Эйнштейн приобрел репутацию предателя, который сбивает немецкую науку с истинного пути.
Одним из представителей этого крыла был Филипп Ленард. Несмотря на то, что в 1905 году за экспериментальное исследование электронов, получающихся при фотоэффекте, Ленард получил Нобелевскую премию по физике, он все время страдал из-за того, что его вклад в науку не признается в достаточной степени.
Во-первых, в 1893 году он одолжил разрядную трубку собственного изготовления Рентгену, а в 1895 году Рентген обнаружил, что разрядные трубки испускают до сих пор не известные науке лучи. Ленард считал, что открытие должно по меньшей мере считаться совместным, однако вся слава открытия и Нобелевская премия по физике 1901 года досталась одному Рентгену. Ленард негодовал и заявлял, что является матерью лучей, тогда как Рентген — лишь повивальная бабка. При этом, по-видимому, в решающих экспериментах Рентген трубкой Ленарда все же не пользовался.
Во-вторых, Ленард был сильно обижен на британскую физику. Он оспаривал приоритет открытия электрона у Томсона и обвинял английского ученого в том, что тот некорректно ссылается на его работы. Ленард создал модель атома, которую можно считать предшественницей модели Резерфорда, но и это не было отмечено должным образом. Не удивительно, что Ленард называл англичан нацией корыстных и лживых торгашей, а немцев, напротив, — нацией героев и после начала Первой мировой войны предлагал устроить Великобритании интеллектуальную континентальную блокаду.
В-третьих, Эйнштейну удалось теоретически объяснить фотоэффект, и Ленард в 1913 году, еще до разногласий, связанных с войной, даже рекомендовал его на профессорскую должность. Но Нобелевскую премию за открытие закона фотоэффекта в 1921 году дали одному Эйнштейну.
Начало 20-х годов вообще было трудным временем для Ленарда. Он конфликтовал с увлеченными левыми идеями студентами и был публично унижен, когда после убийства либерального политика еврейского происхождения и министра иностранных дел Германии Вальтера Ратенау отказался приспустить флаг на здании своего института в Гейдельберге. Его сбережения, вложенные в долговые обязательства правительства, сгорели в результате инфляции, а в 1922 году от последствий недоедания во время войны умер его единственный сын. Ленард стал склоняться к мысли о том, что проблемы Германии (в том числе и в германской науке) являются результатом еврейского заговора.
Близким соратником Ленарда в это время стал Йоханнес Штарк, лауреат Нобелевской премии по физике 1919 года, также склонный винить в собственных неудачах происки евреев. После войны Штарк в противовес либеральному Физическому обществу организовал консервативное «Немецкое профессиональное сообщество университетских преподавателей», с помощью которого пытался контролировать финансирование исследований и назначения на научные и преподавательские позиции, но не преуспел. После неудачной защиты аспиранта в 1922 году Штарк заявил, что окружен почитателями Эйнштейна, и подал в отставку с должности профессора университета.
В 1924 году, через шесть месяцев после Пивного путча, в газете Grossdeutsche Zeitung вышла статья Ленарда и Штарка «Гитлеровский дух и наука». Авторы сравнили Гитлера с такими гигантами науки, как Галилей, Кеплер, Ньютон и Фарадей («Какое счастье, что этот гений во плоти живет среди нас!»), а также восславили арийский гений и осудили разлагающий его иудаизм.
По мнению Ленарда и Штарка, в науке пагубное еврейское влияние проявлялось в новых направлениях теоретической физики — квантовой механике и теории относительности, требовавших отказа от старых представлений и использовавших сложный и незнакомый математический аппарат. Для ученых старшего поколения, даже таких талантливых, как Ленард, это был вызов, который немногие были способны принять. Ленард противопоставлял «еврейскую», то есть теоретическую, физику «арийской», то есть экспериментальной, и требовал, чтобы немецкая наука сосредоточилась на последней. В предисловии к учебнику «Немецкая физика» он писал: «Немецкая физика? — спросят люди. Я бы мог также сказать арийская физика, или физика нордических людей, физика правдоискателей, физика тех, кто основал естественнонаучные исследования».
Долгое время «арийская физика» Ленарда и Штарка оставалась маргинальным явлением, и физики различного происхождения занимались в Германии теоретическими и экспериментальными исследованиями высочайшего уровня. Все изменилось, когда в 1933 году канцлером Германии стал Адольф Гитлер. Эйнштейн, находившийся в тот момент в США, отказался от немецкого гражданства и членства в Академии наук, а президент Академии Макс Планк приветствовал это решение: «Несмотря на глубокую пропасть, разделяющую наши политические взгляды, наши личные дружеские отношения всегда останутся неизменными», — заверял он Эйнштейна в личной переписке. При этом некоторые члены академии были раздосадованы тем, что Эйнштейна не успели демонстративно исключить из нее.
Вскоре Йоханнес Штарк стал президентом Физико-технического института и Немецкого научно-исследовательского общества. В течение следующего года Германию покинула четверть всех физиков и половина физиков-теоретиков.
Евгений Гельфер