Дэвид Боданис
E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения мира
Предисловие
Некоторое время назад я прочитал в киножурнале интервью с актрисой Камерон Диаз. Под конец разговора интервьюерша спросила у нее, существует ли нечто такое, что ей хотелось бы узнать, и актриса ответила, да — ей хотелось бы узнать, что на, самом-то деле, означает E=mc 2. Обе рассмеялись, потом Диаз пробормотала, что говорила серьезно, на том интервью и закончилось.
«Думаешь, она и вправду говорила серьезно?» — спросил один из моих друзей, когда я прочитал это место вслух. Я пожал плечами, однако все, кто присутствовал в той комнате — архитекторы, два программиста и даже один историк (моя жена!) — твердо стояли на своем. Они точно знали, что имела в виду актриса: им и самим хотелось бы понять, что, собственно, означает прославленное уравнение.
И я задумался. Все знают, что E=mc 2- штука очень важная, но не знают, как правило, что она означает, и огорчаются этим, поскольку уравнение так коротко, что кажется удобопонимаемым.
Существует множество книг, написанных в стараниях объяснить его, но кто из нас, не кривя душой, скажет, что понял хотя бы их? Большинству читателей они представляются просто собранием странных картинок — все эти маленькие поезда, ракеты и вспышки света остаются для них полной загадкой. Даже объяснения, полученные из первых рук, и те помогают далеко не всегда, что и обнаружил Хаим Вейцман [1], который в 1921 году пересекал вместе с Эйнштейном Атлантику: «Эйнштейн объяснял мне свою теорию каждый день, — рассказывал Вейцман, — и довольно быстро убедил меня в том, что действительно ее понимает».
И я сообразил, что можно воспользоваться другим подходом. Общие обзоры теории относительности терпят неудачу не потому, что они плохо написаны, но потому, что они представляют собой попытки объять слишком многое. Вместо того, чтобы писать еще один такой обзор, не говоря уж о биографии Эйнштейна, — темы это интересные, но заезженные до смерти, — я мог бы просто рассказать об уравнении E=mc 2. Задача выполнимая, поскольку это уравнение составляет лишь часть куда более пространных трудов Эйнштейна. А кроме того, оно в значительной мере стоит особняком.
И как только мои мысли пошли в этом направлении, мне стало ясно, каким путем следует двигаться. Вместо того, чтобы возиться с ракетами и вспышками света, я могу просто написать биографию E=mc 2. Биография, как всем известно, подразумевает рассказ о предках, детстве, взрослении и зрелых годах их предмета. То же и с уравнением.
Соответственно, эта книга начинается с истории каждой из частей уравнения — символов E, m, c, =и 2 . Рассказывая об этих «предках» уравнения, я сосредотачиваюсь на одном человеке или одной группе ученых — на тех, чья работа оказалась особенно важной для понимания этих терминов.
Прояснив происхождение символов, можно приступить к рассказу о «рождении» уравнения. Вот тут в книге появляется Эйнштейн: его служба в бюро патентов в 1905 году, круг его чтения и размышлений, приведших к тому, что все эти символы сплелись в уравнение, которое мгновенно заняло в его уме положенное место.
Если бы уравнение и его «работа» оставались исключительной собственностью Эйнштейна, наша книга просто продолжала бы рассказывать о его жизни после 1905 года. Однако вскоре после того, как он совершил свое великое открытие, его начали интересовать совсем другие вещи, поэтому книга уходит от жизни Эйнштейн в сторону и обращается к другим физикам, на сей раз экспериментаторам — таким как шумный, играющий в регби Эрнест Резерфорд и тихий Джеймс Чедвик, бывший военнопленный, — к людям, чьи совместные усилия которых открыли в атоме структуры, которые допускают, в принципе, использование огромной энергии, описываемой уравнением.
В любом другом веке превращение этих теоретических открытий в практическую реальность потребовало бы очень долгого времени, однако детальное понимание того, как можно использовать уравнение Эйнштейна, сложилось уже в 1939 году, как раз в начале величайшей из войн двадцатого век. Большой центральный раздел книги посвящен достижению нашим уравнением совершеннолетия в ходе бешеной гонки ученых, обосновавшихся в Соединенных Штатах, и других, работавших в нацистской Германии, — и те, и другие пытались первыми создать смертоносную, позволявшую контролировать всю планету бомбу. История эта нередко изображается так, точно победа Америки была неизбежной просто-напросто вследствие ее промышленного превосходства, выясняется, однако, что немцы подошли к успеху гораздо ближе, чем представляется многим. Даже и в день Д, в июне 1944 года, начальник штаба армии США Джордж Маршалл позаботился о том, чтобы снабдить некоторые из высаживавшихся во Франции частей счетчиками Гейгера, — в виде меры предосторожности на случай использования нацистами радиоактивного оружия.
В последних главах книги мы поворачиваемся к войне спиной — начинается «зрелость» уравнения. Мы увидим, как уравнение E=mc 2становится душой и сердцем многих медицинских приборов, таких, например, как позитронные томографы, применяемые для обнаружения опухолей; как оно начинает работать в привычных нам бытовых приборах вроде телевизоров и детекторов дыма. Однако еще более значительной становится его власть, простирающаяся далеко во вселенную, где оно позволяет объяснить рождение звезд и способность нашей планеты обогревать себя; возникновение черных дыр и то, чем закончит наш мир. А в самом конце книги содержатся детальные пояснения, предназначенные для читателей, которых интересуют более глубокие сведения из области математики и истории — дальнейшие развернутые сведения можно найти на веб-сайте davidbodanis.com.
Истории, рассказанные в книге, повествуют в такой же мере о любви, страсти и мщении, в какой и о бесстрастных научных открытиях. Мы встретимся с Майклом Фарадеем, юношей из бедной лондонской семьи, отчаянно ищущим наставника, который позволил бы ему добиться лучшей жизни; с Эмилией дю Шатле, женщиной, попавшей не в то столетие и пытающейся отыскать место, в котором ей не придется терпеть насмешки над ее умом. Мы узнаем о Кнуте Хаукелиде и команде молодых норвежцев, вынужденных убивать своих соотечественников ради того, чтобы отвратить зло гораздо большее, которым грозят им нацисты; о Сесилии Пэйн, англичанке, погубившей свою карьеру тем, что она осмелилась предсказать участь, которая ожидает Солнце через 6 миллиардов лет; и о девятнадцатилетнем брамине по имени Субрахманьян Чандрасекар, обнаружившем, пока он плыл, страдая от удушающей жары, по Аравийскому морю, нечто еще более страшное. И все эти истории, наряду с кое-какими сведениями об Исааке Ньютоне, Вернере Гейзенберге и других ученых, помогут нам яснее понять каждую из составных частей нашего уравнения.
Часть 1. Рождение
Глава 1. Бернское бюро патентов, 1905
Из «Собрания документов Альберта Эйнштейна», ТОМ 1:
13 апреля 1901
Профессору Вильгельму Оствальду [2],
Лейпцигский университет,
Лейпциг, Германия
Досточтимый герр профессор!
Пожалуйста, досточтимый герр профессор, простите отца, набравшегося смелости обратиться к Вам в интересах своего сына.
Начну с того, что скажу Вам: моему сыну Альберту 22 года и он… глубоко несчастен нынешним отсутствием у него серьезного положения, а уверенность в том, что он избрал для своей карьеры ложный путь и оказался за бортом, с каждым днем укореняется в нем все сильнее и сильнее. В добавление к этому, его подавляет мысль, что он является бременем для нас, людей со скромными средствами…
Я взял на себя смелость обратиться [к Вам] с почтительной просьбой… послать ему, если этой возможно, несколько слов ободрения, которые вернули бы ему радость по отношению и к жизни, и к работе.
Если бы Вы могли, в добавление к этому, предоставить ему, начиная с этой или следующей осени, место ассистента, моя благодарность не знала бы границ…
Я также позволю себе упомянуть о том, что мой сын ничего об этом моем необычном шаге не знает.
Остаюсь, досточтимый герр профессор,
преданным вам
Германом Эйнштейном