Путь Эйнштейна к общей теории относительности начался в ноябре 1907 года, когда он лихорадочно — сроки поджимали — дописывал статью по специальной теории относительности для ежегодного научного сборника. Ему не давали покоя два обстоятельства: теория касалась только прямолинейного движения с постоянной скоростью (при изменении скорости или направления движения тела она рассыпалась) и не охватывала теорию гравитации Ньютона.
«Я сидел на стуле в патентном бюро в Берне, как вдруг меня осенило, — вспоминал Эйнштейн. — Когда человек свободно падает, он перестает ощущать свой вес». С этой мысли началась интеллектуальная одиссея продолжительностью в восемь лет — Эйнштейн попытался обобщить СТО и добавить к ней теорию гравитации. Впоследствии он скажет, что это была «самая удачная мысль» его жизни.
История о человеке в падении стала хрестоматийной, в некоторых книгах даже фигурирует художник, который якобы упал с крыши дома по соседству с патентным бюро. На самом деле, это научный фольклор того же сорта, что и эксперименты Галилея на Пизанской башне или история о яблоке и Ньютоне — скорее всего, Эйнштейн ставил мысленный эксперимент, а не наблюдал за реальным несчастным случаем. Даже зацикленный на науке Эйнштейн, увидев, как человек падает с крыши, вряд ли первым делом подумал бы о теории гравитации и точно не назвал бы это самой удачной мыслью в жизни.
Эйнштейн развил свой эксперимент, поместив человека в замкнутое пространство — ящик или лифт, свободно падающий на землю. В таком лифте, пока он не разобьется, человек будет чувствовать невесомость. Все, что он достанет из кармана, будет парить рядом с ним.
Эйнштейн подошел к ситуации с другой стороны и представил, что человек в лифте летит в космосе, «далеко от звезд и других значительных масс». Он точно так же будет чувствовать невесомость. «Силы притяжения для такого наблюдателя не существует. Он должен привязать себя веревками к полу, иначе при малейшем ударе о пол медленно поплывет к потолку».
Затем Эйнштейн представил, что к потолку лифта прикрепили веревку и тянут его вверх с постоянной силой. «Лифт вместе с наблюдателем начнет с равномерным ускорением подниматься». Человек внутри почувствует, что его прижимает к полу. «Он будет стоять в лифте точно так же, как в комнате на Земле». Если вынуть из кармана и отпустить какой-нибудь предмет, он упадет на пол «с ускорением свободного падения» независимо от своего веса — все, как в учении Галилея о силе притяжения. «Человек в лифте придет к выводу, что он вместе с лифтом находится в гравитационном поле. Конечно, он удивится, что в этом гравитационном поле не падает сам лифт. Но потом заметит крюк и веревку в потолке лифта и придет к выводу, что лифт подвешен в гравитационном поле».
Издательство «Наш Формат»
«Имеем ли мы право посмеяться над этим человеком и сказать, что он ошибается?» — спрашивал Эйнштейн. Здесь, как и в случае специальной теории относительности, нет «правильного» и «неправильного». «Мы вынуждены признать, что его понимание ситуации не противоречит никаким законам логики и механики».
Эйнштейн подходил к проблеме в свойственном себе стиле: он анализировал явление, настолько обыденное, что другие ученые редко над ним задумывались. У каждого тела есть «гравитационная масса», определяющая его вес на поверхности Земли или, в более широком смысле, силу притяжения между ним и любым другим телом. У тела также есть «инертная масса», определяющая, сколько силы надо приложить, чтобы придать ему ускорение. Как заметил Ньютон, инертная масса тела всегда равна гравитационной массе, хоть вычисляются они по-разному. Было очевидно, что это не простое совпадение, но никто не мог объяснить — почему.
Эйнштейну не нравилось, что у одного явления существует два объяснения, и он доказал эквивалентность инертной и гравитационной масс с помощью мысленного эксперимента. Если представить, что закрытый лифт поднимают в космосе, где нет гравитации, то человек внутри почувствует, как его прижимает к полу (а предмет, привязанный веревкой к потолку лифта, точно так же будет тянуть вниз) с силой, равной инертной массе его тела. А если представить закрытый лифт, который находится в состоянии покоя в гравитационном поле, то человек ощутит направленную вниз силу (а предмет, привязанный к потолку лифта, точно так же будет тянуть вниз), равную гравитационной массе. Однако инертная масса всегда равна гравитационной. «Из этой аналогии следует, что невозможно экспериментально выяснить, является ли эта система координат ускоренной, или [...] наблюдаемые эффекты обусловлены гравитационным полем», — писал Эйнштейн.
Он назвал это «принципом эквивалентности». Локальные эффекты гравитации и ускорения эквивалентны. Отталкиваясь от этой идеи, Эйнштейн попытался расширить теорию относительности так, чтобы она касалась не только систем, движущихся с постоянной скоростью. Восемь следующих лет он развивал мысль, что «эффекты, которые мы приписываем гравитации, и эффекты, которые мы приписываем ускорению, порождаются одной структурой».
Подход Эйнштейна к общей теории относительности еще раз показал, как работает его разум.
- Его беспокоило, когда две, казалось бы, не связанные между собой теории описывают одно наблюдаемое явление. Такая ситуация сложилась с подвижной катушкой и подвижным магнитом, которые генерировали наблюдаемый электрический ток, — это противоречие устранила специальная теория относительности. На этот раз в задаче фигурировали две различные дефиниции инертной и гравитационной масс, и Эйнштейн начал решать ее на основе принципа эквивалентности.
- Ему не нравилось, когда из теории следовали выводы, которые нельзя было наблюдать в природе. Как в случае с наблюдателями при равномерном движении: не было способа определить, кто из них движется, а кто находится в состоянии покоя. Теперь то же самое получалось с наблюдателями, которые движутся с ускорением: не было способа определить, кто находится в гравитационном поле, а кто ускоряется под действием других сил.
- Эйнштейн не удовлетворялся тем, что его теории описывают конкретный случай, и стремился максимально их обобщить. Ситуация, когда для равномерного движения — один набор принципов, а для всех остальных типов движения — другой, казалась ему малоприемлемой. Всю жизнь он стремился объединить различные теории в одну. [...]
Проведя над ускоренной системой разные математические расчеты, Эйнштейн показал: если его предпосылки верны, то часы в сильном гравитационном поле будут идти медленнее. Он также сформулировал несколько предсказаний, которые можно было проверить: луч света должен изгибаться под действием гравитации, а длина волны света, излучаемого массивным телом, например Солнцем, должна несколько увеличиваться (этот эффект назовут гравитационным красным смещением). «На основе некоторых соображений, смелых, но небезосновательных, я пришел к выводу, что гравитационное воздействие может быть причиной смещения в красную сторону спектра, — объяснял он коллеге. — Из этих аргументов также понятно, почему происходит искривление лучей света под действием гравитации».
На разработку основ этой теории и поиск ее математической формы уйдет восемь лет — Эйнштейн закончит ее в ноябре 1915-го. Пройдет еще четыре года, пока количественное предсказание об искривлении лучей света под действием гравитации будет подтверждено экспериментально. Но именно тогда, в 1907-м, у Эйнштейна появилась идея, из которой вырастет одна из самых элегантных и важных теорий в истории физики — общая теория относительности.
«Каким счастливчиком я буду и как буду гордиться, когда мы вместе закончим нашу работу об относительном движении», — писал Эйнштейн своей любимой Милеве Марич в 1901 году. И вот работа закончена. Дописав в июне черновик статьи, Эйнштейн чувствовал себя таким измотанным, что «свернулся в клубок и слег в постель на две недели», пока Милева «снова и снова проверяла статью».
А потом супруги Эйнштейн устроили не слишком свойственное им событие — вместе отпраздновали. Закончив все четыре статьи, которые Эйнштейн упоминал в знаменитом письме Конраду Габихту, он прислал давнему другу открытку с двумя подписями — своей и Милевы. Вот ее полный текст: «Мы оба до чертиков пьяны и лежим под столом, ой».
Здесь возникает вопрос гораздо более дискуссионный и деликатный, чем вопрос о влиянии на Эйнштейна работ Лоренца и Пуанкаре: в чем заключалась роль Милевы Марич?
Отпуск в августе они провели вместе — съездили в Сербию к родителям и друзьям Милевы. Милева держалась с гордостью и была готова разделить лавры с мужем. По рассказам, записанным позже, она сказала отцу: «Мы недавно закончили очень важную работу, которая прославит моего мужа на весь мир». Отношения супругов будто наладились, Эйнштейн высказывал супруге благодарность за помощь. «Куда же я без нее, — говорил он сербским друзьям Милевы. — Она решает все мои математические задачи».
Некоторые утверждали, что Милева была полноценным соавтором Эйнштейна. Существовала версия, впоследствии опровергнутая, что на первом варианте статьи о теории относительности значилось и ее имя. В 1990 году на конференции в Новом Орлеане Американское общество содействия развитию науки провело дискуссию на эту тему между физиком и исследователем рака Эваном Уокером и редактором проекта «Документы Эйнштейна» Джоном Стейчелом. Уокер сослался на то, что во многих письмах Эйнштейн упоминает «нашу работу», а контраргумент Стейчела заключался в том, что все это обычные для романтических отношений реверансы и «нет никаких свидетельств, что Милева вносила какие-то свои идеи».
Неудивительно, что эта дискуссия привлекла внимание и ученых, и журналистов. Журналистка «Бостон Глоуб» Элен Гудмен написала страстную колонку в защиту Милевы, но согласилась, что аргументов в ее пользу мало, а британский журнал «Экономист» опубликовал статью под названием «Относительная роль миссис Эйнштейн». В 1994 году в Нови-Садском университете состоялась еще одна конференция. Ее организатор профессор Растко Маглич заявил, что пора «отдать должное Милеве Марич и поставить ее на заслуженное место в истории науки». Кульминация этой дискуссии — документальный фильм «Жена Эйнштейна», выпущенный в 2003 году каналом «Пи-би-эс» (вполне взвешенный, хотя авторы некритически отнеслись к свидетельству, что имя Милевы значилось на первом варианте статьи).
Судя по всему, на Милеве Эйнштейн оттачивал свои мысли, хотя роль Микеле Бессо представляется более важной. Кроме того, Милева помогала ему с математикой, но нет свидетельств, что она высказывала какие-то самостоятельные математические идеи. Еще она вдохновляла его и терпела (а это подчас было сложной работой).
История стала бы ярче и вызвала бы у читателей больший эмоциональный отклик, если бы мы пофантазировали на эту тему. Но надо придерживаться фактов, пусть даже прозаических. В пространном эпистолярии Альберта Эйнштейна и Милевы Марич нет ни одного намека на какую-либо идею или новую концепцию, придуманную Милевой.
Да и сама она ни в переписке, ни в разговорах с родственниками и друзьями, даже во время мучительного развода с Эйнштейном, никогда не претендовала на то, что сделала какой-либо существенный вклад в его теории. В книге Питера Мичелмора приводится мнение их старшего сына Ганса Альберта (он остался с матерью после развода родителей и был к ней очень привязан): «Милева помогала ему решать некоторые математические проблемы, но никто не мог помочь ему с идеями, с творческой частью работы». Вероятно, эти слова отражают то, что рассказывала сыну мать.
На самом деле, симпатизировать Милеве, восхищаться ею, отдать ей должное можно и без того, чтобы преувеличивать ее вклад. По словам историка науки Джеральда Голтона, записывать на счет Милевы больше, чем она сама претендовала, «значит преуменьшать ее настоящую, вполне заметную роль в истории науки и обесценивать трагизм несбывшихся девичьих грез».
Эйнштейн восхищался смелостью женщины, которая бросила вызов судьбе и, несмотря ни на что, захотела стать физиком. Женщины и наука — до сих пор щекотливая тема, и со столетнего расстояния очевидно, что Милева заслужила почетное место в анналах истории науки хотя бы за ту решимость, с которой она попыталась войти в сугубо мужской физико-математический мир. Это место принадлежит Милеве Марич, независимо от ее роли в создании специальной теории относительности.