Теория относительности Эйнштейна: год чудес 1905

  • Когда: 18 марта — 27 сентября 1905 г. (четыре статьи поступили в журнал Annalen der Physik; вышли 9 июня, 18 июля, 26 сентября и 21 ноября 1905 г.)
  • Где: Берн, Швейцария — Федеральное патентное бюро и квартира на Крамгассе, 49; журнал Annalen der Physik, Лейпциг; Цюрихский университет
  • Рубрика: 00-е → World → Наука
  • Ключевые люди: Альберт Эйнштейн, эксперт патентного бюро; Милева Эйнштейн-Марич; друзья по «Академии Олимпия» Конрад Габихт и Морис Соловин; коллега Мишель Бессо; Макс Планк; Альфред Кляйнер; Герман Минковский
Альберт Эйнштейн за столом в патентном бюро в Берне, около 1904–1905 года
Альберт Эйнштейн в Федеральном патентном бюро в Берне, 1904 или 1905 г. Ему 25–26 лет. Снимок приписывают Люсьену Шавану, другу Эйнштейна по Берну. ETH-Bibliothek Zürich, Portr_05937, общественное достояние.

Теория относительности Эйнштейна родилась не в университете, а в конторе патентного бюро в Берне, где 26-летний эксперт третьего класса по восемь часов в день разбирал чужие изобретения. За 1905 год он отправил в журнал Annalen der Physik четыре статьи. Если совсем коротко: свет приходит порциями — так объясняется фотоэффект; атомы существуют, и их толчки видно в микроскоп по броуновскому движению; время и длина зависят от скорости — это специальная теория относительности; масса — это энергия, E = mc². В том же году он написал докторскую диссертацию для Цюрихского университета. Позже этот год назвали «годом чудес». В 1905-м так никто не говорил: одним из первых на работы откликнулся Макс Планк, и то весной 1906-го.

Эксперт третьего класса

Берн, лето 1902 года. Альберту Эйнштейну 23 года. Два года назад он окончил Политехникум в Цюрихе, но места ассистента ему нигде не дали. Он перебивается частными уроками математики и физики, первое занятие у него бесплатное. 16 июня 1902 года Федеральный совет Швейцарии временно назначает его техническим экспертом третьего класса Федерального ведомства интеллектуальной собственности — так официально называлось патентное бюро. Жалованье — 3500 франков в год.

Работа простая и строгая: каждое утро на столе лежат заявки на патенты, и надо понять, работает ли машина так, как написал изобретатель. «Каждый день по 8 часов в конторе и как минимум час частных уроков, а потом ещё научная работа», — пишет Эйнштейн другу осенью 1902 года. Между часом и двумя дня он читает с приятелем книгу по философии.

Объявление Альберта Эйнштейна о частных уроках в бернской газете, февраль 1902 года
«Anzeiger für die Stadt Bern», 5 февраля 1902 г. В рубрике «Разное» — объявление: «Частные уроки математики и физики… Альберт Эйнштейн, обладатель федерального диплома Политехникума, Герехтигкайтсгассе, 32, второй этаж. Пробные уроки бесплатно». Общественное достояние.

Из этих чтений вырастает кружок, который трое друзей в шутку называют «Академией Олимпия». В неё входят Эйнштейн, студент-философ из Румынии Морис Соловин и математик Конрад Габихт. По воспоминаниям Соловина, за скромным ужином они разбирали Маха, Пуанкаре, Юма и Спинозу и спорили до глубокой ночи. Те же двое друзей 6 января 1903 года расписываются свидетелями на гражданской свадьбе Эйнштейна и Милевы Марич в бернском загсе.

«Академия Олимпия»: Конрад Габихт, Морис Соловин и Альберт Эйнштейн в Берне, 1903 год
«Академия Олимпия»: Конрад Габихт, Морис Соловин и Альберт Эйнштейн (слева направо), Берн, около 1903 г. Фото: ателье Vollenweider, Берн. Общественное достояние.

Молодые снимают квартиру на втором этаже дома 49 по Крамгассе, в двух шагах от башни с часами Цитглогге. 14 мая 1904 года у них рождается сын Ганс Альберт. В сентябре того же года Эйнштейна утверждают в должности окончательно и поднимают жалованье до 3900 франков. Друзья понемногу разъезжаются: Габихт уезжает из Берна учительствовать, Соловин уедет позже. Эйнштейн продолжает писать им письма — именно из этих писем мы знаем, как прошёл 1905 год.

Год чудес Эйнштейна по месяцам

Все четыре статьи Эйнштейн подписывает одинаково: «Берн» и месяц. Редакция в Лейпциге ставит в конце дату поступления, а на обложке каждого выпуска — дату выхода. По этим пометкам весь год можно пройти почти по дням.

  • Эйнштейн ставит дату под статьёй «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». На следующий день, 18 марта, её регистрирует редакция Annalen der Physik.
  • Готова диссертация «Новое определение размеров молекул» — расчёты о том, как сахар, растворённый в воде, меняет её вязкость. Посвящение: «Моему другу д-ру Марселю Гроссману».
  • В редакцию поступает вторая статья — о движении частиц, взвешенных в жидкости.
  • Письмо Габихту: «Что же вы поделываете, вы, замёрзший кит?» Эйнштейн обещает другу четыре работы и про первую пишет: она «очень революционна». Четвёртая пока «лишь в черновике».
  • Выходит выпуск № 6, первый в 17-м томе журнала, со статьёй о свете (с. 132–148).
  • Редакция получает 30-страничную работу «К электродинамике движущихся тел». В ней нет ни одной ссылки на чужие работы, только благодарность в последнем абзаце: «мой друг и коллега М. Бессо» верно стоял рядом и дал «немало ценных советов».
  • Выпуск № 8: статья о броуновском движении (с. 549–560).
  • Эйнштейн просит декана Цюрихского университета присвоить ему докторскую степень. Обратный адрес на письме — уже не Крамгассе, а Безеншойервег, 28.
  • Профессор физики Альфред Кляйнер и математик Генрих Буркхардт рекомендуют принять диссертацию. Буркхардт проверил главные выкладки и нашёл их верными, но просит исправить при печати «стилистические неуклюжести и описки».
  • Новое письмо Габихту. Эйнштейн делится мыслью, которая пришла ему как следствие «электродинамики»: масса тела — прямая мера содержащейся в нём энергии.
  • Выходит выпуск № 10: теория относительности Эйнштейна напечатана на с. 891–921.
  • Редакция получает трёхстраничную заметку «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нём энергии?».
  • Заметка выходит в выпуске № 13, уже в 18-м томе (с. 639–641). Так появляется формула, которую сегодня знают все, хотя в журнале она записана иначе: L/V².
Делегаты на 50-летии Цюрихского политехникума, 29 июля 1905 года
Цюрих, 29 июля 1905 г.: 50-летний юбилей Политехникума, где учился Эйнштейн. Через неделю после того, как он подал диссертацию в соседний Цюрихский университет. ETH-Bibliothek, общественное достояние.

Теория относительности Эйнштейна простыми словами

Свет порциями

В первой статье Эйнштейн предлагает смотреть на свет не только как на волну, но и как на поток отдельных «квантов энергии». Это объясняет, почему ультрафиолет выбивает электроны из металла, а яркий красный свет — нет: важен не напор света, а размер каждой порции. Опыты Филиппа Ленарда в Германии показали эту загадку ещё в 1902 году. Только эту статью Эйнштейн в письме другу назвал «очень революционной». Именно за неё он через 16 лет получит Нобелевскую премию.

Атомы, которые можно увидеть

В 1905 году многие уважаемые химики и физики, среди них Вильгельм Оствальд и Эрнст Мах, считали атомы удобной выдумкой. Эйнштейн показал, как их проверить. Если вода состоит из молекул, они всё время толкают крошечную частицу размером в тысячную долю миллиметра, и та дрожит и смещается. Он даже посчитал: за минуту — примерно на 6 микрон. Такие частицы видно в обычный микроскоп. Статью Эйнштейн заканчивает просьбой: «Пусть же скорее удастся какому-нибудь исследователю решить поставленный здесь вопрос, столь важный для теории теплоты!» Это сделал француз Жан Перрен в 1908–1909 годах.

Время, которое зависит от скорости

Третья статья начинается не с формул, а с часов. «Когда я говорю: „Этот поезд приходит сюда в 7 часов“, это значит: стрелка моих часов показывает на 7, и поезд приходит — одновременно», — пишет Эйнштейн. Он берёт два правила. Законы природы одинаковы для всех, кто движется ровно и прямо. А скорость света в пустоте одна и та же, как бы ни двигался его источник. Из этого получается: события, одновременные для одного наблюдателя, неодновременны для другого. Движущиеся часы идут медленнее, движущаяся линейка короче. «Светоносный эфир», который искали физики XIX века, становится, по словам Эйнштейна, «излишним». Даже часы на экваторе, по его расчёту, должны отставать от часов на полюсе на крошечную долю.

Масса — это энергия

Последняя заметка занимает три страницы. Если тело излучает энергию L, его масса уменьшается на L/V², где V — скорость света. Сегодня это пишут как E = mc². Эйнштейн сразу предлагает проверку на солях радия, которые как раз тогда изучали по всей Европе. В письме Габихту он сам себе не до конца верит: мысль «забавна и соблазнительна», но, может быть, Господь Бог над ней смеётся и водит его за нос.

Контекст эпохи

Берн в 1905 году — столица небольшой страны и тихий город: по переписи 1900 года в нём жили 64 тысячи человек, к 1910-му — уже больше 85 тысяч. Здание федерального парламента достроили только в 1902-м. Главная швейцарская новость года пришла с гор: 24 февраля проходчики встретились в Симплонском тоннеле между Швейцарией и Италией, длиной почти 20 км, самом длинном железнодорожном тоннеле в мире. Газеты немецкой Швейцарии, например бернская Der Bund, весь год пишут о революции в России, которая началась с шествия к Зимнему дворцу 9 января, о гибели русского флота при Цусиме в мае, о разделе Швеции и Норвегии летом.

Вечером интеллигентная Европа говорит о музыке. 9 декабря 1905 года в Дрездене впервые ставят «Саломею» Рихарда Штрауса, 30 декабря в Вене — «Весёлую вдову» Франца Легара. Эйнштейн играет на скрипке, больше всего любит Моцарта.

В науке 1905 года главная звезда — не Эйнштейн, а Ленард: в декабре он получает Нобелевскую премию по физике за катодные лучи. Это пятая премия по физике с тех пор, как первую Нобелевскую премию в 1901 году вручили Рентгену. Annalen der Physik — главный физический журнал немецкоязычного мира, его редактирует Пауль Друде «при участии М. Планка», как написано на титуле. В одном номере с теорией относительности печатают опыты о получении гелия из эманации радия и о попытках сжижить гелий. Эпоха быстрых перемен: всего за полтора года до этого братья Райт подняли в воздух первый самолёт, а теперь клерк из Берна объясняет, что время одинаково не для всех.

Панорама Берна с Федеральным дворцом, 1906 год
Берн в 1906 г.: над крышами старого города — Федеральный дворец, достроенный в 1902 г. Половина стереоснимка. Neue Photographische Gesellschaft, Rijksmuseum, CC0.

Голос эпохи

«Работа посвящена излучению и энергетическим свойствам света и очень революционна, как вы увидите, если сначала пришлёте мне свою».Альберт Эйнштейн — Конраду Габихту, Берн, май 1905 г.

«Принцип относительности, недавно введённый Г. А. Лоренцем и в ещё более общей форме А. Эйнштейном…»Макс Планк, доклад в Немецком физическом обществе, Берлин, 23 марта 1906 г.

«Отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в тени, и лишь некий союз обоих сохранит самостоятельность».Герман Минковский, доклад «Пространство и время», Кёльн, 21 сентября 1908 г.

Мифы и споры

Миф: Эйнштейн был двоечником по математике. На самом деле: в выпускном свидетельстве кантональной школы в Аарау от 5 сентября 1896 года у него 6 по алгебре и 6 по геометрии — высший балл по шестибалльной шкале — и 5–6 по физике. В 1895 году он, правда, провалил вступительный экзамен в Цюрихский политехникум, но ему было 16 лет, на два года меньше обычного. Срезался он на общих предметах, математику сдал хорошо. В 1935 году Эйнштейну показали газетную заметку из рубрики Ripley's «Believe It or Not!» («Хотите верьте, хотите нет»): «величайший из живущих математиков провалил математику». Он рассмеялся и ответил, что математику не проваливал никогда.
Альберт Эйнштейн и Милева Марич в саду, 1905 год
Альберт Эйнштейн и Милева Эйнштейн-Марич летом 1905 г. в Каце близ Нови-Сада, у родных Милевы. Тогда это была Австро-Венгрия, сейчас Сербия. ETH-Bibliothek Zürich, Portr_03087, общественное достояние.
Спор: соавтор теории относительности — Милева Марич. Что известно: Милева училась с Эйнштейном в Политехникуме на физико-математическом отделении. В письме из Милана 27 марта 1901 года он пишет ей о «нашей работе об относительном движении». В 1955 году советский физик Абрам Иоффе в статье памяти Эйнштейна назвал автором трёх работ 1905 года «Эйнштейна-Марити» и пояснил: Марити — девичья фамилия жены, которую по швейцарскому обычаю добавляют к фамилии мужа. «Марити» — венгерское написание фамилии Марич. Позже пересказчики превратили эти слова в легенду, будто статьи подписаны двумя именами. Но в Annalen der Physik все четыре статьи подписаны «A. Einstein», а рукописей теории, написанных рукой Милевы, не нашли. Историк Джон Стейчел и авторы книги «Жена Эйнштейна» Аллен Эстерсон и Дэвид Кэссиди считают, что Милева была собеседницей, а не соавтором. Сторонники соавторства, среди них физик Эван Харрис Уокер, опираются на письма. Спор не закрыт, доказательств соавторства пока нет.
Анри Пуанкаре в кресле, 1900-е годы
Иностранный кадр: Анри Пуанкаре, Париж, 1900–1912 гг. Фото: ателье Henri Manuel. Smithsonian Libraries, общественное достояние.
Спор: теорию относительности на самом деле открыли Лоренц и Пуанкаре. Что известно: преобразования, по которым пересчитывают время и расстояние, Хендрик Лоренц опубликовал в 1904 году. Анри Пуанкаре 5 июня 1905 года, на три недели раньше Эйнштейна, представил Парижской академии наук заметку «О динамике электрона» и назвал их «преобразованиями Лоренца». Математически многое у них совпадает. Отличие в главном: Лоренц и Пуанкаре сохраняли эфир и «истинное» время, Эйнштейн вывел всё из двух простых принципов и отказался от эфира. Британский историк Эдмунд Уиттекер в 1953 году приписал теорию Пуанкаре и Лоренцу, большинство историков с ним не согласны. Сам Лоренц позже признавал, что не решился считать «местное время» настоящим.
Версия: идею одновременности Эйнштейну подсказали заявки на синхронизацию часов. Что известно: через патентные бюро Европы тогда шло много изобретений для электрической сверки часов в городах и на железных дорогах. Историк Питер Галисон в 2003 году предположил, что такие заявки помогли Эйнштейну думать о часах и сигналах. Документов о том, что Эйнштейн разбирал именно такие заявки, нет: его экспертные заключения тех лет почти все уничтожены. Это версия, а не факт.
Миф: Нобелевскую премию Эйнштейн получил за теорию относительности. На самом деле: премия по физике за 1921 год, которую вручили только в 1922-м, дана «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта». Про относительность в формулировке нет ни слова: в Нобелевском комитете её тогда считали спорной. Решение объявили 9 ноября 1922 года — через пять дней после того, как в Долине царей нашли первую ступень к гробнице Тутанхамона.

Что было дальше

Тишины после 1905 года не было, но и славы сразу тоже. 15 января 1906 года Цюрихский университет присуждает Эйнштейну степень доктора. В марте его повышают до эксперта второго класса с жалованьем 4500 франков, а 23 марта Планк рассказывает о принципе относительности в Немецком физическом обществе в Берлине. «Мои работы очень ценят, профессор Планк недавно писал мне об этом», — сообщает он Соловину. В июне из Берлина пишет ассистент Планка Макс Лауэ.

Альберт Эйнштейн и Милева Эйнштейн-Марич, 1912 год
Альберт и Милева Эйнштейн, Прага, 1912 г. Фото: ателье Langhans. Общественное достояние.

В 1908 году Эйнштейн начинает читать лекции в Бернском университете, а Герман Минковский, его бывший профессор в Цюрихе, на съезде в Кёльне объединяет пространство и время в одно четырёхмерное «пространство-время». В 1909 году Эйнштейн уходит из патентного бюро и становится профессором Цюрихского университета, потом работает в Праге, снова в Цюрихе и с 1914 года в Берлине. Там в 1915 году он заканчивает общую теорию относительности — теорию тяготения. Опыты Перрена подтверждают атомы, опыты американца Роберта Милликана в 1916 году — закон фотоэффекта. А формула E = mc² позже объяснит, откуда берётся энергия при делении атомного ядра.

Квартира на Крамгассе, 49 сегодня — небольшой музей «Дом Эйнштейна». С Морисом Соловиным, другом по «Академии Олимпия», Эйнштейн переписывался до конца жизни.

Ещё из этого десятилетия

  1. Einstein A. Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt // Annalen der Physik. 4. Folge. Bd. 17, Heft 6 (ausgegeben am 9. Juni 1905). S. 132–148. Скан тома: Internet Archive, annalenderphysi108unkngoog.
  2. Einstein A. Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen // Annalen der Physik. Bd. 17, Heft 8 (ausgegeben am 18. Juli 1905). S. 549–560. Там же; обложка выпуска: Internet Archive, sim_annalen-der-physik_1905_17_3.
  3. Einstein A. Zur Elektrodynamik bewegter Körper // Annalen der Physik. Bd. 17, Heft 10 (26. September 1905). S. 891–921. Текст по скану: de.wikisource.org, «Zur Elektrodynamik bewegter Körper».
  4. Einstein A. Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? // Annalen der Physik. Bd. 18, Heft 13 (21. November 1905). S. 639–641. Скан: Internet Archive, annalenderphysi143unkngoog.
  5. Einstein A. Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen. Inaugural-Dissertation, Universität Zürich. Bern: K. J. Wyss, 1905.
  6. The Collected Papers of Albert Einstein. Vol. 1: The Early Years, 1879–1902 / ed. J. Stachel et al. Princeton University Press; Hebrew University of Jerusalem, 1987 (английский перевод: док. 19 — выпускные оценки, Аарау, 5 сентября 1896 г.; док. 94 — письмо Милеве Марич, 27 марта 1901 г.; назначение в патентное бюро 16 июня 1902 г.).
  7. The Collected Papers of Albert Einstein. Vol. 2: The Swiss Years: Writings, 1900–1909. Princeton University Press, 1989 (английский перевод статей 1905 г. и диссертации).
  8. The Collected Papers of Albert Einstein. Vol. 5: The Swiss Years: Correspondence, 1902–1914. Princeton University Press, 1993/1995 (док. 2 — Гансу Вольвенду, август — октябрь 1902; док. 4 — запись о браке, 6 января 1903 г.; док. 24 — утверждение в должности, сентябрь 1904 г.; док. 27, 28 — письма Конраду Габихту, май и июль — сентябрь 1905 г.; док. 29 — прошение о докторской степени, 20 июля 1905 г.; док. 31 — отзыв Кляйнера и Буркхардта; док. 34 — повышение, 13 марта 1906 г.; док. 36 — Соловину, апрель 1906 г.). Архив Альберта Эйнштейна, Еврейский университет в Иерусалиме.
  9. Planck M. Das Prinzip der Relativität und die Grundgleichungen der Mechanik // Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Jg. 8 (1906), Heft 7. S. 136–141 (доклад 23 марта 1906 г.).
  10. Minkowski H. Raum und Zeit. Vortrag, gehalten auf der 80. Naturforscher-Versammlung zu Köln am 21. September 1908. Leipzig; Berlin: Teubner, 1909.
  11. Poincaré H. Sur la dynamique de l’électron // Comptes rendus de l’Académie des sciences. T. 140 (séance du 5 juin 1905). P. 1504–1508.
  12. Solovine M. Introduction // Einstein A. Lettres à Maurice Solovine. Paris: Gauthier-Villars, 1956 — воспоминания об «Академии Олимпия».
  13. Иоффе А. Ф. Памяти Альберта Эйнштейна // Успехи физических наук. 1955. Т. 57, вып. 2. С. 187–192.
  14. Stachel J. (ed.) Einstein’s Miraculous Year: Five Papers That Changed the Face of Physics. Princeton University Press, 1998.
  15. Pais A. «Subtle is the Lord…»: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press, 1982.
  16. Galison P. Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps: Empires of Time. New York: W. W. Norton, 2003.
  17. Esterson A., Cassidy D. C. Einstein’s Wife: The Real Story of Mileva Einstein-Marić. MIT Press, 2019.
  18. The Nobel Prize in Physics 1921 — Albert Einstein. Nobelprize.org (формулировка премии).