Непонятные явления, которые Эйнштейн превратил в крупные открытия

Может ли зернышко пыльцы изменить мир? Именно так и случилось! В тысяча семьсот двадцать седьмом году Роберт Броун, главный ботаник Англии, еще до Чарльза Дарвина, изучал опыление растений и заметил, что под микроскопом происходит что-то странное. Крупинка пыльцы покачивалась в капле воды. Броун долго наблюдал в микроскоп за зернышком пыльцы, которое так и не останавливалось. Оно продолжало трястись и содрогаться. В этом не было никакой закономерности, просто случайное, непрерывное зигзагообразное движение. Он не мог понять, в чем дело, и попытался разобраться. Броун изменил температуру капли, в которой находилось зерно пыльцы, — он ее охладил. Покачивания уменьшились. А после нагрева зернышко закрутилось еще сильнее.

Броун написал об этом статью. И никто из прочитавших эту статью тоже не смог понять причину таинственного «броуновского движения». Она была невидимой, и наука зашла в тупик. Было предположение, что пыльцу заставляет двигаться «энергия» воды. Но доказательств не было, а без них всё это — не наука, а научная фантастика. И так как не удалось получить данные, почему зернышко пыльцы продолжало колебаться, ученые решили просто забыть об этом. Загадка оказалась для них слишком сложной. Следующие семьдесят пять лет наука игнорировала необъяснимую проблему зигзагообразного движения пыльцы — до тех пор, пока на это не обратил внимание Альберт Эйнштейн.

«Должно быть какое-то объяснение тому, что эти зерна пыльцы совершают такие движения. Я поставлю стакан воды на стол, положу туда зерна пыльцы с цветка, и мы посмотрим, что происходит. Невидимые явления могут быть фундаментальными: гравитация, магнетизм и что бы там ни было. Но что, если это не невидимая энергия, о которой мы, физики, никогда раньше не слышали? Чем проще, тем лучше, — всегда говорю я. Может быть, зерно не танцует, а его что-то толкает, и это что-то настолько мало, что его невозможно увидеть даже в микроскоп. Нужно подумать. Чтобы составить формулу, сначала нужно понять, что я хочу решить. Если можно предсказать расстояние, на которое переместится зерно, то можно рассчитать силу его невидимых толкателей. Но раз это движение случайно, мое утверждение должно быть относительным для всех условий. Всё относительно.

Ага! Я начинаю видеть формулу, которая уже проступает на моем экране. Ах, экранов тогда еще не было, они появятся позже. Где мой карандаш? Ага, вот что я придумал: разве это не прекрасно?» Проявив свой блестящий гений в объединении большого разнообразия физических формул, Эйнштейн показал, что частица, которая двигалась случайным образом, будучи взвешенной в воде, подчинялась законам Ньютона. Роль играли вязкость воды, температуры воды, расстояние, на которое перемещалась частица, масса и размер отдельного зерна пыльцы, его скорость и продолжительность времени движения. Новый статистический подход Эйнштейна к механике жидкости позволил с помощью вычислительного сокращения получить массу одной молекулы воды Аш два о и, в итоге, атомов водорода и кислорода.

Броуновское движение было объяснено, и Эйнштейн открыл двадцатый век миру атома. Хаотично дергающееся зернышко пыльцы указало путь к доказательству атомов. Да, это зерно заслужило Нобелевскую премию! Статистический анализ случайных событий стал важным инструментом в разных научных областях. С пониманием броуновского движения — случайных колебаний — наука могла получить количественное представление о погодных явлениях, теории игр, транспортном потоке, фондовом рынке, даже о функционировании человеческих клеток. Вот лишь несколько применений статистической теории Эйнштейна. Всё благодаря зернышку пыльцы!

Но была еще одна странность, о которой наука предпочла забыть и которая привлекла внимание Эйнштейна. Планета Меркурий вытворяла что-то необъяснимое.

Более чем за двести лет до начала двадцатого века сэр Исаак Ньютон опубликовал свой Закон всемирного тяготения. Вообще, его следует называть Теорией тяготения Ньютона, а не Законом, потому что Эйнштейн собирался заменить тяготение Ньютона своей новой теорией гравитации — как только разгадает необъяснимую тайну орбитальной особенности планеты Меркурий. Ньютон открыл формулу гравитационного притяжения между двумя массами. Благодаря математическому объяснению Ньютона наука узнала, почему планеты вращаются вокруг Солнца. До Ньютона наука знала, лишь что планеты вращаются вокруг Солнца, но не знала, почему.

Астрономы вслед за Ньютоном принялись вычислять орбиты известных планет в соответствии с его теорией и сверять свои расчеты с наблюдениями за планетами в телескопы. Вот только Меркурий сотрудничать не желал. Это планета не соответствовала математической формуле сэра Исаака Ньютона. В первые годы после Ньютона, в тысяча семьсот пятидесятые и далее, было известно лишь шесть видимых планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн. Никаких других планет или астероидов в то время с помощью телескопа еще не обнаружили. А затем произошло нечто действительно необычное, чему наука до сих пор не нашла объяснения. В конце тысяча семьсот шестидесятых и начале тысяча семьсот семидесятых годов два немецких астронома опубликовали простой числовой ряд, в котором были указаны орбитальные траектории всех известных планет и некоторых неизвестных!

Иоганн Даниэль Тициус и Иоганн Элерт Боде представили такую математическую серию: добавьте число четыре к каждому из следующих чисел в этой прогрессии: ноль, три, шесть, двенадцать, двадцать четыре, сорок восемь, девяноста шесть, сто девяносто два, а затем разделите каждую сумму на десять. Вуаля! Вы получите орбитальные траектории планет Солнечной системы в астрономических единицах. Расстояние от Земли до Солнца — это одна такая единица, полезное округление и удобный стандарт измерения. Земля — третья планета, поэтому берем третье число серии, шесть, прибавляем четыре и делим на десять. Получаем одну астрономическую единицу, называемую а. е. Давайте попробуем с Юпитером, это число сорок восемь в серии Тициуса — Боде. Сорок восемь плюс четыре будет пятьдесят два. Делим на десять и получаем пять целых две десятых а. е. На таком расстоянии от Солнца пролегает орбита Юпитера. Работает ли это для Сатурна? Давайте узнаем. Девяносто шесть плюс четыре будет сто, делим на десять и получаем ровно десять а. е. Сатурн в десять раз дальше от Солнца, чем Земля. Вот здесь. Правило Тициуса — Боде работает, схема верна!

Астрономы обратили внимание на цифры между Марсом и Юпитером и за Сатурном. Серия Тициуса — Боде вдохновила Уильяма Гершеля на поиск и открытие планеты Уран в тысяча семьсот восемьдесят первом году и Джузеппе Пьяцци на открытие Цереры в тысяча восемьсот первом году. Это удивительно точная числовая прогрессия. Сегодня Правило Тициуса — Боде используется для прогнозирования положения спутников Сатурна и Урана и даже для указания положения экзопланет вокруг других звезд. Но никто не знает, почему оно работает. Похоже, это хорошая загадка для молодых Эйнштейнов, которую пора разгадать. Но что там с Меркурием?

Меркурий не поддавался вычислению с помощью ньютоновского закона тяготения. Перигелий орбиты Меркурия — место, где планета находится ближе всего к Солнцу, — каждый год продвигался немного вперед. Это было заметно и не учитывалось формулой Ньютона. Если только во внутренней Солнечной системе не было другой планеты, влияющей на орбиту Меркурия. Начались ее поиски. Расчеты ее возможной орбиты были объявлены всему миру. Ей даже придумали имя: Вулкан. Телескопы всего мира обшаривали небо на рассвете и на закате в поисках Вулкана. Но внутри орбиты Меркурия так ничего и не нашли. Вулкана не существовало. Извините, мистер Спок. Наука снова зашла в тупик.

Аномальное смещение перигелия Меркурия оставалось необъяснимой загадкой более пятидесяти лет. Но однажды Эйнштейн пил кофе в уличном кафе со своим коллегой по патентному бюро в швейцарском Берне. Микеле Бессо был одноклассником Эйнштейна и остался его другом на всю жизнь.

— Мне не нравятся вещи, которые не сходятся.

— Мне тоже, Альберт.

— В прямом смещении перигелия Меркурия что-то не сходится. Пожалуйста, передай мне сахар.

— Ну, это не Вулкан! Ха-ха-ха!

— Нет, не Вулкан. Но что же тогда?

— Альберт, ты продолжаешь решать проблемы с помощью физики. Почему бы не воспользоваться инженерным подходом?

— Что ты имеешь в виду?

— Если взглянуть на Солнечную систему как на физическую конструкцию, можно найти ответ.

— Хорошо, Микеле, я весь внимание..."

— Если провести пальцем по краю пустой чашки, путь будет круговым. А если засунуть эту салфетку в чашку и сделать конус, вот так, то эллиптическая орбита внутри конуса будет двигаться вперед.

— Боже! Пространство не плоское! Официант! Принесите Микеле еще одну чашку кофе!

— Придется сделать кучу новых вычислений, Альберт.

— О да. Мне пора идти! Официант, подержите чашку кофе. До встречи, Микеле.

— Ха-ха-ха... Пока, Альберт, увидимся!

Когда Эйнштейн опубликовал свою Специальную теорию относительности в тысяча девятьсот пятом году, он поблагодарил Микеле Бессо за неоценимый вклад. Недавно письма, которыми Микеле Бессо и Эйнштейн обменялись за годы до того, как Эйнштейн опубликовал свою Общую теорию относительности в тысяча девятьсот пятнадцатом году, были проданы на аукционе за тринадцать миллионов долларов! Так что берегите свою переписку с лучшим другом. Когда-нибудь она может стать ценной.