Биография Альберта Эйнштейна

Поблагодарят ли будущие поколения нашу Европу, в которой три столетия самой напряжённой культурной работы привели лишь к тому, что религиозное безумие сменилось безумием националистическим? Даже учёные разных стран ведут себя так, словно у них ампутировали мозги.

Общая теория относительности (1915)

Ещё Декарт объявил, что все процессы во Вселенной объясняются локальным взаимодействием одного вида материи с другим, и с точки зрения науки этот тезис близкодействия был естественным. Однако ньютоновская теория всемирного тяготения резко противоречила тезису близкодействия — в ней сила притяжения передавалась непонятно как через совершенно пустое пространство, причём бесконечно быстро. По существу ньютоновская модель была чисто математической, без какого-либо физического содержания. На протяжении двух веков делались попытки исправить положение и избавиться от мистического дальнодействия, наполнить теорию тяготения реальным физическим содержанием — тем более что после Максвелла гравитация осталась единственным в физике пристанищем дальнодействия. Особенно неудовлетворительной стала ситуация после утверждения специальной теории относительности, так как теория Ньютона не была лоренц-ковариантной. Однако до Эйнштейна исправить положение никому не удалось.

Основная идея Эйнштейна была проста: материальным носителем тяготения является само пространство (точнее, пространство-время). Тот факт, что гравитацию можно рассматривать как проявление свойств геометрии четырёхмерного неевклидова пространства, без привлечения дополнительных понятий, есть следствие того, что все тела в поле тяготения получают одинаковое ускорение («принцип эквивалентности» Эйнштейна). Четырёхмерное пространство-время при таком подходе оказывается не «плоской и безразличной сценой» для материальных процессов, у него имеются физические атрибуты, и в первую очередь — метрика и кривизна, которые влияют на эти процессы и сами зависят от них. Если специальная теория относительности — это теория неискривлённого пространства, то общая теория относительности, по замыслу Эйнштейна, должна была рассмотреть более общий случай, пространство-время с переменной метрикой (псевдориманово многообразие). Причиной искривления пространства-времени является присутствие материи, и чем больше её энергия, тем искривление сильнее. Ньютоновская же теория тяготения представляет собой приближение новой теории, которое получается, если учитывать только «искривление времени», то есть изменение временно́й компоненты метрики, g_{00} (пространство в этом приближении евклидово). Распространение возмущений гравитации, то есть изменений метрики при движении тяготеющих масс, происходит с конечной скоростью. Дальнодействие с этого момента исчезает из физики. Математическое оформление этих идей было достаточно трудоёмким и заняло несколько лет (1907—1915). Эйнштейну пришлось овладеть тензорным анализом и создать его четырёхмерное псевдориманово обобщение; в этом ему помогли консультации и совместная работа сначала с Марселем Гроссманом, ставшим соавтором первых статей Эйнштейна по тензорной теории гравитации, а затем и с «королём математиков» тех лет, Давидом Гильбертом. В 1915 г. уравнения поля общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), обобщающие ньютоновские, были опубликованы почти одновременно в статьях Эйнштейна и Гильберта. Новая теория тяготения предсказала два ранее неизвестных физических эффекта, вполне подтверждённые наблюдениями, а также точно и полностью объяснила вековое смещение перигелия Меркурия, долгое время приводившее в недоумение астрономов. После этого теория относительности стала практически общепризнанным фундаментом современной физики. Кроме астрофизики, ОТО нашла практическое применение, как уже упоминалось выше, в системах глобального позиционирования (Global Positioning Systems, GPS), где расчёты координат производятся с очень существенными релятивистскими поправками.

Берлин (1915—1921)

В 1915 году в разговоре с нидерландским физиком Вандером де Хаазом Эйнштейн предложил схему и расчёт опыта, который после успешной реализации получил название «эффект Эйнштейна — де Хааза». Результат опыта воодушевил Нильса Бора, двумя годами ранее создавшего планетарную модель атома, поскольку подтвердил, что внутри атомов существуют круговые электронные токи, причём электроны на своих орбитах не излучают. Именно эти положения Бор и положил в основу своей модели. Кроме того, обнаружилось, что суммарный магнитный момент получается вдвое больше ожидаемого; причина этого разъяснилась, когда был открыт спин — собственный момент импульса электрона. По окончании войны Эйнштейн продолжал работу в прежних областях физики, а также занимался новыми областями — релятивистской космологией и «Единой теорией поля», которая, по его замыслу, должна была объединить гравитацию, электромагнетизм и (желательно) теорию микромира. Первая статья по космологии, «Космологические соображения к общей теории относительности», появилась в 1917 году. После этого Эйнштейн пережил загадочное «нашествие болезней» — кроме серьёзных проблем с печенью, обнаружилась язва желудка, затем желтуха и общая слабость. Несколько месяцев он не вставал с постели, но продолжал активно работать. Только в 1920 году болезни отступили.

В июне 1919 года Эйнштейн женился на своей двоюродной сестре со стороны матери Эльзе Лёвенталь (урождённой Эйнштейн) и удочерил двух её детей. В конце года к ним переехала его тяжелобольная мать Паулина; она скончалась в феврале 1920 года. Судя по письмам, Эйнштейн тяжело переживал её смерть. Осенью 1919 года английская экспедиция Артура Эддингтона в момент затмения зафиксировала предсказанное Эйнштейном отклонение света в поле тяготения Солнца. При этом измеренное значение соответствовало не ньютоновскому, а эйнштейновскому закону тяготения. Сенсационную новость перепечатали газеты всей Европы, хотя суть новой теории чаще всего излагалась в беззастенчиво искажённом виде. Слава Эйнштейна достигла небывалых высот. В мае 1920 года Эйнштейн, вместе с другими членами Берлинской академии наук, был приведён к присяге как государственный служащий и по закону стал считаться гражданином Германии. Однако швейцарское гражданство он сохранил до конца жизни. В 1920-е годы, получая отовсюду приглашения, он много путешествовал по Европе (по швейцарскому паспорту), читал лекции для учёных, студентов и для любознательной публики. Посетил и США, где в честь именитого гостя была принята специальная приветственная резолюция Конгресса (1921). В конце 1922 года посетил Индию, где имел продолжительное общение с Тагором, и Китай. Зиму Эйнштейн встретил в Японии, где его застала новость о присуждении ему Нобелевской премии.

Нобелевская премия (1922)

Эйнштейна неоднократно номинировали на Нобелевскую премию по физике. Первая такая номинация (за теорию относительности) состоялась, по инициативе Вильгельма Оствальда, уже в 1910 году, однако Нобелевский комитет счёл экспериментальные доказательства теории относительности недостаточными. Далее выдвижение кандидатуры Эйнштейна повторялась ежегодно, кроме 1911 и 1915 годов. Среди рекомендателей в разные годы были такие крупнейшие физики, как Лоренц, Планк, Бор, Вин, Хвольсон, де Хааз, Лауэ, Зееман, Камерлинг-Оннес, Адамар, Эддингтон, Зоммерфельд и Аррениус. Однако члены Нобелевского комитета долгое время не решались присудить премию автору столь революционных теорий. В конце концов был найден дипломатичный выход: премия за 1921 год была присуждена Эйнштейну (в ноябре 1922 года) за теорию фотоэффекта, то есть за наиболее бесспорную и хорошо проверенную в эксперименте работу; впрочем, текст решения содержал нейтральное добавление: «… и за другие работы в области теоретической физики». Поскольку Эйнштейн был в отъезде, премию от его имени принял 10 декабря 1922 года Рудольф Надольный, посол Германии в Швеции. Предварительно он запросил подтверждения, является ли Эйнштейн гражданином Германии или Швейцарии; Прусская академия наук официально заверила, что Эйнштейн — германский подданный, хотя его швейцарское гражданство также признаётся действительным. Знаки отличия, сопровождающие премию, Эйнштейн по возвращении в Берлин получил лично у шведского посла.

Естественно, традиционную Нобелевскую речь (в июле 1923 года) Эйнштейн посвятил теории относительности.

Берлин (1922—1933)

В 1923 году, завершая своё путешествие, Эйнштейн выступил в Иерусалиме, где намечалось вскоре (1925 год) открыть Еврейский университет.

В 1924 году молодой индийский физик Шатьендранат Бозе в кратком письме обратился к Эйнштейну с просьбой помочь в публикации статьи, в которой выдвигал предположение, положенное в основу современной квантовой статистики. Бозе предложил рассматривать свет в качестве газа из фотонов. Эйнштейн пришёл к выводу, что эту же статистику можно использовать для атомов и молекул в целом. В 1925 году Эйнштейн опубликовал статью Бозе в немецком переводе, а затем собственную статью, в которой излагал обобщённую модель Бозе, применимую к системам тождественных частиц с целым спином, называемых бозонами. На основании данной квантовой статистики, известной ныне как статистика Бозе — Эйнштейна, оба физика ещё в середине 1920-х годов теоретически обосновали существование пятого агрегатного состояния вещества — конденсата Бозе — Эйнштейна. Суть «конденсата» Бозе — Эйнштейна состоит в переходе большого числа частиц идеального бозе-газа в состояние с нулевым импульсом при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, когда длина волны де Бройля теплового движения частиц и среднее расстояние между этими частицами сводятся к одному порядку. Начиная с 1995 года, когда первый подобный конденсат был получен в университете Колорадо, учёные практически доказали возможность существования конденсатов Бозе — Эйнштейна из водорода, лития, натрия, рубидия и гелия. Как личность огромного и всеобщего авторитета, Эйнштейна постоянно привлекали в эти годы к разного рода политическим акциям, где он выступал за социальную справедливость, за интернационализм и сотрудничество между странами . В 1923 году Эйнштейн участвовал в организации общества культурных связей «Друзья новой России». Неоднократно призывал к разоружению и объединению Европы, к отмене обязательной воинской службы. В 1928 году Эйнштейн проводил в последний путь Лоренца, с которым очень подружился в его последние годы. Именно Лоренц выдвинул кандидатуру Эйнштейна на Нобелевскую премию в 1920 году и поддержал её в следующем году. В 1929 году мир шумно отметил 50-летие Эйнштейна. Юбиляр не принял участия в торжествах и скрылся на своей вилле близ Потсдама, где с увлечением выращивал розы. Здесь он принимал друзей — деятелей науки, Тагора, Эммануила Ласкера, Чарли Чаплина и других. В 1931 году Эйнштейн снова побывал в США. В Пасадене его очень тепло встретил Майкельсон, которому оставалось жить четыре месяца. Вернувшись летом в Берлин, Эйнштейн в выступлении перед Физическим обществом почтил память замечательного экспериментатора, заложившего первый камень фундамента теории относительности. Помимо теоретических исследований, Эйнштейну принадлежат и несколько изобретений, в том числе: измеритель очень малых напряжений (совместно с Конрадом Габихтом); устройство, автоматически определяющее время экспозиции при фотосъёмке; оригинальный слуховой аппарат; бесшумный холодильник (совместно с Силардом); гирокомпас.

Примерно до 1926 года Эйнштейн работал в очень многих областях физики, от космологических моделей до исследования причин речных извилин. Далее он, за редким исключением, сосредотачивает усилия на квантовых проблемах и Единой теории поля.

Интерпретация квантовой механики

Рождение квантовой механики происходило при активном участии Эйнштейна. Публикуя свои основополагающие работы, Шрёдингер признал (1926), что на него оказали большое влияние «краткие, но бесконечно дальновидные замечания Эйнштейна». В 1927 году на Пятом Сольвеевском конгрессе Эйнштейн решительно выступил против «копенгагенской интерпретации» Макса Борна и Нильса Бора, трактующей математическую модель квантовой механики как существенно вероятностную. Эйнштейн заявил, что сторонники этой интерпретации «из нужды делают добродетель», а вероятностный характер свидетельствует лишь о том, что наше знание физической сущности микропроцессов неполно. Он ехидно заметил: «Бог не играет в кости» (нем. Der Herrgott würfelt nicht), на что Нильс Бор возразил: «Эйнштейн, не указывай Богу, что ему делать». Эйнштейн принимал «копенгагенскую интерпретацию» лишь как временный, незавершённый вариант, который по мере прогресса физики должен быть заменён полной теорией микромира. Он и сам предпринимал попытки создать детерминистическую нелинейную теорию, приближённым следствием которой оказалась бы квантовая механика. Эйнштейн вёл полемику на эту тему до конца жизни, хотя мало кто из физиков разделял его точку зрения. Две его статьи содержали описание мысленных экспериментов, которые, по его мнению, наглядно показывали неполноту квантовой механики; наибольший резонанс получил так называемый «Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена» (май 1935). Обсуждение этой важной и интересной проблемы продолжается и в наши дни. Современная квантовая механика — величайшее достижение, но вряд ли она будет существовать вечно. Мне кажется весьма вероятным, что когда-нибудь в будущем появится улучшенная квантовая механика, в которой мы вернемся к причинности, и которая оправдает точку зрения Эйнштейна. Но такой возврат к причинности может стать возможен лишь ценой отказа от какой-нибудь другой фундаментальной идеи, которую сейчас мы безоговорочно принимаем. Если мы собираемся возродить причинность, то нам придется заплатить за это, и сейчас мы можем лишь гадать, какая идея должна быть принесена в жертву.

Принстон (1933—1945). Борьба с нацизмом

По мере нарастания экономического кризиса в Веймарской Германии усиливалась политическая нестабильность, содействовавшая усилению радикально-националистических и антисемитских настроений. Участились оскорбления и угрозы в адрес Эйнштейна, в одной из листовок даже предлагалась крупная награда (50 000 марок) за его голову. После прихода к власти нацистов все труды Эйнштейна были либо приписаны «арийским» физикам, либо объявлены искажением истинной науки. В 1933 году Эйнштейну пришлось покинуть Германию, к которой он был очень привязан, навсегда. Вместе с семьёй он выехал в Соединённые Штаты Америки с гостевыми визами. В скором времени в знак протеста против преступлений нацизма он отказался от немецкого гражданства и членства в Прусской и Баварской академиях наук.

После переезда в США Альберт Эйнштейн получил должность профессора физики в недавно созданном Институте перспективных исследований (Принстон, штат Нью-Джерси). Старший сын, Ганс-Альберт (1904—1973), вскоре последовал за ним (1938); впоследствии он стал признанным специалистом по гидравлике и профессором Калифорнийского университета (1947). Младший сын Эйнштейна, Эдуард (1910—1965), около 1930 года заболел тяжёлой формой шизофрении и закончил свои дни в цюрихской психиатрической лечебнице. Двоюродная сестра Эйнштейна, Лина, погибла в Освенциме, другая сестра, Берта Дрейфус, умерла в концлагере Терезиенштадт.

В США Эйнштейн мгновенно превратился в одного из самых известных и уважаемых людей страны, получив репутацию гениальнейшего учёного в истории, а также олицетворения образа «рассеянного профессора» и интеллектуальных возможностей человека вообще. В январе следующего, 1934 года он был приглашён в Белый дом к президенту Франклину Рузвельту, имел с ним сердечную беседу и даже провёл там ночь. Ежедневно Эйнштейн получал сотни писем разнообразного содержания, на которые (даже на детские) старался ответить. Будучи естествоиспытателем с мировым именем, он оставался доступным, скромным, нетребовательным и приветливым человеком. В декабре 1936 года от болезни сердца умерла Эльза; тремя месяцами ранее в Цюрихе скончался Марсель Гроссман. Одиночество Эйнштейна скрашивали сестра Майя, падчерица Марго (дочь Эльзы от первого брака), секретарь Эллен Дюкас и кот Тигр. К удивлению американцев, Эйнштейн так и не обзавёлся автомобилем и телевизором. Майя после инсульта в 1946 году была частично парализована, и каждый вечер Эйнштейн читал книги своей любимой сестре. В августе 1939 года Эйнштейн подписался под письмом, написанным по инициативе физика-эмигранта из Венгрии Лео Силарда на имя президента США Франклина Делано Рузвельта. Письмо обращало внимание президента на возможность того, что нацистская Германия способна создать атомную бомбу. После нескольких месяцев размышлений Рузвельт решил серьёзно отнестись к этой угрозе и открыл собственный проект по созданию атомного оружия. Сам Эйнштейн в этих работах участия не принимал. Позже он сожалел о подписанном им письме, понимая, что для нового руководителя США Гарри Трумэна ядерная энергия служит инструментом устрашения. В дальнейшем он критиковал разработку ядерного оружия, его применение в Японии и испытания на атолле Бикини (1954), а свою причастность к ускорению работ над американской ядерной программой считал величайшей трагедией своей жизни. Широкую известность получили его афоризмы: «Мы выиграли войну, но не мир»; «Если третья мировая война будет вестись атомными бомбами, то четвёртая — камнями и палками».

Во время войны Эйнштейн консультировал Военно-морские силы США и способствовал решению различных технических проблем.