Читать и считать он научился рано и с увлечением занялся изучением научно-популярной литературы. В 10 лет он прочитал «Космос» Александра фон Гумбольта, «Силу и материю» Людвига Бюхнера, многотомную энциклопедию естествознания Аарона Бернштейна. Для него эти книги были также интересны и увлекательны, как для его сверстников приключенческие романы Вальтера Скотта или фантастические произведения Жюля Верна.
Отец Альберта, занимавшийся продажей газового и электрического оборудования, был технически подкованным человеком. От него мальчик узнал много интересного о работе различных приборов, о законах физики, об аксиомах геометрии и химических соединениях. Эти материи вызывали у будущего ученого неподдельный интерес. В пятилетнем возрасте на него произвел неизгладимое впечатление самый обыкновенный компас. Он очень хотел понять, откуда стрелка «знает», где находится север, почему указывает на него из любого положения. Задумавшись над подобным вопросом, Альберт мог часами и даже днями сидеть где-нибудь в уголке и ни с кем не разговаривать.
Учеба в гимназии давалась мальчику непросто, ему всегда было трудно сосредоточиться на том, что неинтересно. А большинство школьных предметов казались ему невыносимо скучными. История, литература и особенно языки были для него непонятной и ненужной китайской грамотой. Эйнштейн и во взрослом возрасте испытывал проблемы с изучением языков, даже международный английский давался ему с огромным трудом. «Школа не годилась для меня, и я не годился для школы. Она была мне скучна. Преподаватели вели себя как фельдфебели. Я хотел знать то, что мне интересно, а они хотели, чтобы я подготовился к экзамену. Больше всего я ненавидел конкурсную систему и особенно спорт…» – вспоминал Эйнштейн.
Ему нравилась математика, но, опять же, не та ее часть, которая преподавалась в школе. Заинтересовавшись расположением фигур на плоскости, он самостоятельно изучил учебник евклидовой геометрии, в то время как его одноклассники решали арифметические примеры. Иногда он беседовал с ними о математике, пытался объяснять темы, которые они изучали, по-своему. В этом проявлялась самостоятельность мышления будущего гения, которая позже позволит ему совершить переворот в физике.
Одноклассников его объяснения в восторг не приводили. Они считали Эйнштейна странным и часто дразнили.
Еще одним нелюбимым занятием юного Эйнштейна была музыка. Правда, впоследствии его мнение об этом предмете переменилось на прямо противоположное. Родители решили, что мальчика нужно учить игре на скрипке и пригласили учительницу, когда ему было пять лет. Он люто невзлюбил и преподавательницу, и инструмент, и гаммы, которые приходилось разучивать. Но постепенно, год за годом занимаясь музыкой, он осознал, насколько благоприятно ее воздействие. Он втянулся, делал успехи и мог бы даже стать профессиональным музыкантом, если бы не увлечение наукой.
Механизмы были страстью Эйнштейна на протяжении всей жизни. Ничто так не успокаивало мыслителя, как наблюдение за работой сложного, хорошо отлаженного прибора. Уже став известным ученым, он продолжал заниматься конструированием и изобретательством в качестве хобби. Мало кто знает, что Альберт Эйнштейн не только создал теорию относительности, но и усовершенствовал некоторые бытовые приборы. Например, он создал и запатентовал холодильник новой модели и измеритель напряжения, который работал весьма эффективно.
В 1894 году Эйнштейны переехали из немецкого Мюнхена в итальянский Милан. Дела на фабрике шли все хуже, и глава семейства решил попробовать новое дело на новом месте. Альберта оставили у родственников оканчивать гимназию, до выпуска оставалось полтора года. Это было непростое время для подростка. Он всегда чувствовал себя в гимназии неуютно, а без поддержки близких стало совсем тяжело. Ему уже исполнилось 16 лет, а в 17, по германским законам, он должен был пойти в армию. Все связанное с войной и военными он искренне ненавидел. «К наихудшему проявлению стадной жизни, милитаристской системе, я питаю отвращение. Для меня достаточно одной способности этих людей получать удовольствие от маршировки по четыре в виде воинственной банды, чтобы презирать их», – писал Эйнштейн.
Через год после отъезда родителей Альберт присоединился к ним в Милане. Он хотел избежать армии и думал отказаться ради этого от немецкого гражданства. Поступить в вуз без гимназического аттестата он не мог, и для завершения школьного образования его отправили в кантональную школу в швейцарском городке Аарау. Здесь Эйнштейн занялся изучением электромагнитной теории Максвелла и впервые задался вопросами, которые позже привели к созданию теории относительности.
Жажда знаний: голодный студент, увлеченный математикой и физикой
Альберт Эйнштейн стремился к поступлению в Цюрихский Политехникум, потому что, во-первых, он был в Швейцарии, но при этом находился в ее немецкоязычной части, а во-вторых, там преподавали известные физики: Герман Минковский, Адольф Гурвиц, Генрих Вебер. Нужно заметить, что Эйнштейна допустили до экзаменов даже без аттестата, но он завалил французский язык и ботанику При этом его результаты по физике и математике были настолько выдающимися, что руководство университета предложило ему посещать лекции вольнослушателем. Родители Альберта на это не согласились, они хотели, чтобы сын приобрел не только знания, но и диплом о высшем образовании. Поэтому он и был отправлен в одну из швейцарских школ для получения аттестата.
В это время его умом завладела электромагнитная теория Максвелла. Еще до поступления в выпускной класс школы, летом, он написал свою первую научную статью, которая называлась «К рассмотрению состояния эфира в магнитном поле». Конечно, Эйнштейн, тогда еще школьник, даже не пытался опубликовать ее в каком-нибудь научном журнале, он просто отослал ее своему дяде. Эта статья не сохранилась. Вполне возможно, что она содержала какие-то интересные для научного мира идеи. Ведь уже в те годы в уме будущего светила науки возникали оригинальные мысли.
Школа в Аарау с первого взгляда поразила Альберта, она очень отличалась от школы в Мюнхене. Здесь царила демократическая атмосфера, преподаватели общались с учениками на равных, не было муштры и наказаний. Система преподавания была подобна университетской: лекции, семинары, занятия в лаборатории, оборудованной по последнему слову науки. Эйнштейн был в восторге. Позже он назовет период обучения в швейцарской школе самым счастливым в своей жизни. Здесь впервые заметили его таланты, на него больше не смотрели как на отщепенца со странностями; у него появились достойные наставники, интересующиеся передовыми тенденциями науки. В школьной лаборатории Эйнштейн сконструировал прибор для измерения эфира. Он, естественно, не работал. Но над увлеченным подростком никто не смеялся, к его идеям относились серьезно и с интересом.
С аттестатом из Аарау Альберт отправился в Политехникум, его взяли без экзаменов, помня его прошлогодние успехи. Здесь все было не так гладко. Преподаватели были разные: кто-то требовал дисциплины, кому-то не нравились нестандартное мышление Эйнштейна и его каверзные вопросы на лекциях. После того как он, вновь пытаясь соорудить прибор по уловлению эфира, устроил взрыв в лаборатории, один из профессоров учинил ему разнос. Он предрекал, что Эйнштейн не добьется успеха в физике и советовал ему перейти на другой факультет – юриспруденции или филологии.
Уже на первом курсе Альберт начал прогуливать лекции, предпочитая им самостоятельное изучение интересующих его предметов. Вместо того чтобы слушать скучных профессоров, которые преподавали устаревшие теории, он читал научные журналы, знакомился со свежими теориями, которые давали обширную пищу для размышлений.
Тем временем предприятие отца Эйнштейна в Милане потерпело крах, семья бедствовала, родители практически не присылали сыну денег, хотя иногда передавали продукты. Он был настоящим голодным студентом: питался через раз, иногда обходился одним бутербродом за весь день. При этом много курил, часто тратя последние деньги на табак. Бедность его не слишком напрягала, беспокоило только то, что из-за отсутствия денег он не мог жениться. В то время у него был бурный роман с будущей женой Милевой Марич, которая тоже училась в Политехникуме и была единственной девушкой на его факультете.
Именно ей он написал ставшее впоследствии знаменитым письмо о будущем электромагнитной теории: «Я все более и более убеждаюсь в том, что электродинамика движущихся тел в том виде, в каком она существует сегодня, не соответствует действительности и что в будущем будет возможно представить ее в более простом виде. Введение понятия "эфир" в электрические теории привело к понятию среды, о движении которой мы можем говорить только без приписывания этому понятию какого-либо физического смысла…» Ученые всего мира бились над исследованиями свойств эфира, а он, студент с посредственными оценками, уже был уверен, что никакого эфира не существует. И оказался прав!
Именно ей он написал ставшее впоследствии знаменитым письмо о будущем электромагнитной теории: «Я все более и более убеждаюсь в том, что электродинамика движущихся тел в том виде, в каком она существует сегодня, не соответствует действительности и что в будущем будет возможно представить ее в более простом виде. Введение понятия "эфир" в электрические теории привело к понятию среды, о движении которой мы можем говорить только без приписывания этому понятию какого-либо физического смысла…» Ученые всего мира бились над исследованиями свойств эфира, а он, студент с посредственными оценками, уже был уверен, что никакого эфира не существует. И оказался прав!
Дипломную работу будущий выпускник писал на тему электропроводности. Его руководителю Генриху Веберу она не очень понравилась, в первую очередь потому, что Эйнштейн самостоятельно выбрал тему, а не взял ту, что предложил профессор. У них и до этого часто возникали трения – из-за того, что своевольный студент не желал следовать инструкциям и все делал по-своему. Этот конфликт привел к тому, что после выпуска Эйнштейну не предложили работу в Политехникуме, на что он очень надеялся.
Устроиться ассистентом в другой университет он тоже не мог: потенциальные работодатели обращались за рекомендациями к Веберу, после чего отказывали Эйнштейну в месте. Долгое время выпускник не мог найти работу, перебивался случайными заработки и практически голодал. Это был, пожалуй, самый тяжелый период в его жизни. Он признавался, что уже подумывал о том, чтобы пойти работать страховым агентом, когда его приятель Марсель Гроссман нашел ему работу в патентном бюро Берна.
«Год чудес»: невероятные открытия молодого ученого
Работа в патентном бюро, доставшая Эйнштейну после многомесячных поисков, стала для него настоящим спасением. Если бы не это неожиданное предложение, ему пришлось бы оставить науку и заниматься чем-то другим, просто чтобы заработать на пропитание. Позже ученый писал, что без этой работы «потерял бы всю силу духа». А так он оказался в привычной и любимой обстановке: среди динамо-машин, коммутаторов, электрических приборов и других изобретений. В его обязанности входила оценка представляемых проектов, он должен был определить, будет ли очередной механизм работать и принесет ли пользу науке и промышленности. Его профилем были изобретения, связанные с электричеством, в этой области он разбирался прекрасно.
Новая служба дала ученому не только средства к существованию и благоприятную атмосферу, но и время для раздумий и трудов. Именно во время работы в патентом бюро Альберт Эйнштейн совершил те потрясающие открытия, которые были опубликованы в 1905 году, в честь этого названном «годом чудес». Статьи ученого были посвящены самым животрепещущим для физики того времени темам: природе света, соотношению массы и энергии, броуновскому движению и, конечно, самая знаменитая статья – специальной теории относительности.
Менее знаменитая, но тоже очень важная для физики статья называлась «Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» В ней ученый рассматривал те положения, которые впоследствии привели его к формуле Е = тс2.
Саму формулу он тогда еще не вывел, но подробно описал теоретические выкладки. Суть их заключалась в следующем: чем быстрее движется какой-либо объект, тем сильнее увеличивается его масса и тем больше нужно энергии, чтобы приводить его в движение. В одном из писем он рассуждал по этому поводу так: «Из принципа относительности следует, что масса должна быть непосредственной мерой энергии, содержащейся в теле; свет переносит массу. У радия при его распаде должно происходить заметное убывание массы. Это соображение радует и подкупает. Однако не смеется ли по этому поводу и не водит ли меня за нос Господь – этого я не знаю». Тогда у него еще были сомнения в своей правоте, они рассеются позже, после рождения общей теории относительности.
Для того чтобы вывести самую известную формулу всех времен, Эйнштейн смоделировал ситуацию, в которой присутствует тело, распространяющее электромагнитное излучение, и две системы отсчета для его описания. Первая система отсчета покоится, вторая движется относительно тела с постоянной скоростью. Совершив математические расчеты, Эйнштейн обнаружил: испуская излучение, тело теряет не только энергию, но и массу. Таким образом, эти две величины взаимосвязаны, масса переходит непосредственно в энергию. На этой стадии ученый делает вывод, что масса тела – это мера энергии, которая в нем содержится. Если меняется количество энергии, то и масса меняется на соответствующую величину. Это и выражено формулой Е = тс2.
Нужно отметить, что в момент выхода в свет революционных работ, совершивших переворот в физике, Эйнштейн не только не был признанным ученым, к нему вообще относились настороженно в научных кругах. Хотя у него были друзья и единомышленники, знавшие о темах его работы, большая часть научного сообщества не ожидала от него мало-мальски толковых трудов. Он был на периферии науки и вот оказался в самом ее центре, там, где кипели страсти и дискуссии.
Никакого эфира нет: специальная теория относительности
О принципе относительности говорил еще известный физик и астроном Галилео Галилей в XVI веке. В трактате «Диалог о двух главнейших системах мира» он предложил читателям такой эксперимент: «Уединитесь с кем-либо из друзей в просторном помещении под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте далее наверху ведерко, из которого вода будет капать капля за каплей в другой сосуд – с узким горлышком, подставленный внизу.
Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая другу какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении.
Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что, пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно… И причина согласованности всех этих явлений в том, что движение корабля обще всем находящимся в нем предметам, также как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находиться под палубой…»
В сегодняшней физике принцип относительности сформулирован так: во всех инерциальных системах отсчета (находящихся в неподвижности или движущихся равномерно и прямолинейно) механические явления происходят одинаково, по одним и тем же законам.
Чтобы понять важность такого фактора, как система отсчета, можно рассмотреть эксперимент Галилея с точки зрения геометрии. Представим, что на причале стоит наблюдатель, фиксирующий движение корабля. Ему будет соответствовать первая, неподвижная система отсчета. Второй наблюдатель и вторая система отсчета – движущаяся – находятся в трюме.
Если корабль движется вдоль причала с постоянной скоростью, то положение в пространстве второго наблюдателя изменяется, но он этого не знает. Он определяет свои координаты как находящиеся на нулевой отметке оси координат. Первый наблюдатель видит, как меняется положение второго, и может определить его координаты на своей оси. Они будут отличаться от нулевой отметки на то расстояние, которое преодолел второй наблюдатель. Для того чтобы получить возможность связать между собой первую и вторую систему отсчета, были созданы преобразования Галилея, представляющие собой систему несложных уравнений. Они позволяют перевести координаты из одной системы отсчета в другую. В нашем случае первый наблюдатель, чтобы определить местоположение второго, прибавляет расстояние, которое тот проделал. Второй же для определения местоположения первого должен это расстояние вычесть.
Если пойти дальше, можно задуматься о том, что первый наблюдатель не неподвижен, он движется вместе с планетой Земля вокруг Солнца – это уже третья система отсчета. Солнце тоже не стоит на месте, оно вместе с другими звездами вращается вокруг цента Млечного Пути. Таким образом, систем отсчета может быть бесконечное количество. Движущийся корабль, с которого начался эксперимент, в каждой из этих систем отсчета будет иметь разные траектории, все более усложняющиеся по мере перехода из одной системы отсчета в другую. И для каждой из систем отсчета будут верны законы Ньютона и его формулы. Классическая динамика работает независимо от того, в какой системе находится объект, покоится он или движется, – в этом и заключается суть принципа относительности Галилея.