Эйнштейн установил, что единственный способ включить скорость света как предел допустимой скорости в закон всемирного тяготения — использовать понятие поля. Оно было введено английским учёным и первооткрывателем электричества Майклом Фарадеем в начале XIX века.[144] Подходя к магниту с куском железа в руках, Фарадей чувствовал, как на металл действует невидимая сила притяжения, которая формирует вокруг магнита силовое поле. Когда же он рассыпал металлическую стружку вокруг магнита, то смог даже разглядеть линии этой силы.
По мнению Фарадея, магнит не влияет с определённой силой непосредственно на кусок железа в его руке. Вместо этого он распространяет вокруг себя магнитное поле, подобно лучу-транспортёру в «Звёздном пути», а это поле, в свою очередь, воздействует на железо. Кажется, будто разница невелика. Но эта гипотеза не только утверждает, что поле существует в физической реальности (в случае с электромагнитным полем проходящая через него вибрация является электромагнитной волной (светом)), но и признаёт, что оно может распространяться с определённой скоростью.[145]
По аналогии с электромагнетизмом Эйнштейну нужно было создать такую теорию, в рамках которой масса была бы источником гравитационного поля, а уже это поле воздействовало бы на другие объекты, обладающие массой. Что самое важное, это поле должно было бы распространяться с определённой скоростью, которая вписывалась бы в космический лимит.
Однако создание теории гравитационного поля, совместимой со специальной теорией относительности, было ещё не самой сложной из задач Эйнштейна. Третья из его проблем была связана с тем, что источником притяжения в ньютоновской теории была масса. Но Эйнштейн уже выявил, что все формы энергии имеют эффективную массу и, следовательно, силу притяжения. Соответственно, конечным источником гравитации должна быть не масса, а энергия.
Эйнштейн почти наверняка осознавал эти недочёты специальной теории относительности после завершения своей статьи в 1905 году. Но решающей стадии его затруднения достигли в октябре 1907 года, когда немецкий физик Йоханнес Штарк предложил ему сделать краткий пересказ его теории для журнала The Yearbook of Radioactivity and Electronics.
В то время Эйнштейн всё ещё работал в патентном бюро, а 1 апреля 1906 года ему даже был присвоен ранг технического инспектора II класса. Трудясь над статьёй после работы, он управился с ней за два месяца и 1 декабря 1907 года передал её Штарку. В первых четырёх разделах приводились базовые идеи специальной теории относительности, а также объяснялось, что она значит для времени, места, массы и энергии. Пятая часть была озаглавлена «Принцип относительности и гравитация».
Пока другие физики изо всех сил пытались понять запутанные идеи специальной теории относительности, Эйнштейн уже понимал, что это только начало. В письме своему другу Конраду Хабихту в конце декабря он признавался, что работает над новой концепцией относительности, хотя пока у него ничего не выходит.[146]
Это были прозорливые слова. Эйнштейну потребуется ещё восемь лет, чтобы включить в свой принцип относительности гравитацию и создать общую теорию относительности. Возможно, это заняло бы у него ещё больше времени, если бы не озарение, которое посетило его, пока он смотрел в окно патентного бюро.
Для дополнительного чтения
Bais S. Very Special Relativity. — Cambridge, MA: Harvard University Press, 2007.
Einstein A. Relativity: The Special and General Theory. — London: Folio Society, 2004.
Fölsing A. Albert Einstein. — London: Penguin, 1998.
Jaffe B. Michelson and the Speed of Light. — Garden City, NY: Anchor Books, 1960.
Overbye D. Einstein in Love: A Scientific Romance. — London: Viking, 2000.
Pais A. «Subtle is the Lord...»: The Science and the Life of Albert Einstein. — Oxford: Oxford University Press, 1983.
6. Ода падающему человеку
Как Эйнштейн понял, что сила притяжения — всего лишь иллюзия и что на самом деле существует только искривлённое пространство-время.
Если физик, наблюдая за птицами, упадёт с обрыва, он не будет волноваться за свой бинокль, ведь тот упадёт вместе с ним.
В каком-то смысле гравитации не существует; планеты и звёзды движутся из-за деформации времени и пространства.
144
Когда министр финансов Великобритании Уильям Гладстон спросил Фарадея, в чём практическая польза электричества, тот ответил: «Как минимум в том, сэр, что скоро вы сможете обложить его налогом».
145
Поле — это физическая величина, имеющая определённое значение для каждой точки в пространстве и времени. Это может быть температура, обладающая лишь абсолютным значением, или магнитное поле, которое также имеет направление.
146
Конрад Хабихт был другом Эйнштейна с их студенческих лет в Цюрихе. Ещё одним их товарищем был Морис Соловин, и вся троица высокопарно называла себя «олимпийской академией». Они встречались в кафе и обсуждали идеи, почерпнутые из чтения научных и философских трудов и литературы.
147
Цит. по: