Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная

Многие ученые использовали концепцию атомов при исследованиях в своих узких областях, а для Эйнштейна это был способ найти связи и развить теории, объединяющие многие области. В апреле 1901 года, например, он видоизменил молекулярную теорию, использованную им для объяснения капиллярного эффекта в жидкостях, и применил ее для описания диффузии молекул газа. Он написал Марич: “Мне пришла в голову очень удачная идея, которая позволяет применить нашу теорию молекулярных сил также и к газам”. А с Гроссманом он поделился: “Я теперь убежден, что моя теория о силах притяжения между атомами может быть применена и к газам”⁴².

Затем он заинтересовался электропроводностью и теплопроводностью, и это побудило его изучить электронную теорию металлов Пауля Друде. Как отмечает специалист по творчеству Эйнштейна Юрген Ренн, “электронная теория Друде и кинетическая теория газов Больцмана были не какими-то случайными объектами интереса для Эйнштейна, наоборот, с некоторыми другими темами более ранних его исследований их объединяла важная общая черта: обе были примерами применения атомистических идей к физическим и химическим проблемам”⁴³.

В электронной теории Друде утверждалось, что в металле есть частицы, которые движутся так же свободно, как молекулы в газе, и, следовательно, могут являться переносчиками тепла и электричества. Когда Эйнштейн изучил теорию, она ему понравилась, хотя и не во всем. “У меня перед глазами работа Пауля Друде по электронной теории, которая просто легла мне на душу, хотя там и содержатся некоторые очень мутные вещи”, – написал он Марич. И через месяц с присущим ему отсутствием пиетета по отношению к авторитетам добавил: “Возможно, я напишу Друде письмо и укажу на его ошибки”.

Так он и сделал. В июньском письме к Друде Эйнштейн сообщил, что, как ему кажется, в статье имеется две ошибки. “Вряд ли у него есть какие-нибудь осмысленные возражения, – злорадно писал он в письме к Марич, – ведь мои замечания очень логичны”. И возможно, считая, что лучший способ получить работу – указать именитому ученому на его предполагаемые упущения, Эйнштейн включил в одно из своих писем просьбу взять его на работу⁴⁴.

Удивительно, что Друде вообще ответил. И неудивительно, что он отмел возражения Эйнштейна. Эйнштейн был возмущен. “Это настолько очевидное доказательство убожества автора, что дальнейших комментариев от меня и не требуется, – приписал Эйнштейн, пересылая письмо Друде Марич. – Отныне я к таким людям не буду обращаться лично, а буду безжалостно атаковать их в журналах, как они этого и заслуживают. Неудивительно, что мало-помалу становишься мизантропом”.

Кроме того, Эйнштейн выплеснул свое раздражение в отношении Друде и в письме Йосту Винтелеру, по-отечески к нему относившемуся в Арау. В этом письме содержалась декларация о том, что слепое уважение к авторитетам является самым большим врагом истины. “Он [Друде] отреагировал ссылкой на то, что еще один “непогрешимый” его коллега разделяет его точку зрения. Вскоре я поставлю на место этого человека с помощью безупречной публикации”⁴⁵.

В опубликованных статьях Эйнштейн не раскрывает имя этого “непогрешимого” коллеги, на которого ссылался Друде, но расследование Ренна привело к находке письма от Марич, в котором его имя называется – Людвиг Больцман⁴⁶. Это объясняет, почему Эйнштейн углубился в изучение трудов Больцмана. “Я с головой ушел в изучение работ Больцмана по кинетической теории газов, – написал он Гроссману в сентябре, – а за последние несколько дней и сам написал короткую статью, где вставил недостающие звенья в цепь доказательств, которую он выстроил”⁴⁷.

Больцман, тогда работавший в Лейпцигском университете, был признанным европейским мэтром в статистической физике. Он был одним из создателей кинетической теории и доказывал, что атомы и молекулы реально существуют. Работая над этими вопросами, он счел необходимым переосмыслить великий Второй закон термодинамики, для которого существует много эквивалентных формулировок. Он гласит: тепло обычно перетекает от горячего к холодному, но не наоборот. В другой его формулировке используется понятие энтропии – степени беспорядка и случайности распределения элементов в системе. В этой формулировке этот закон гласит: любой спонтанный процесс увеличивает энтропию системы. Например, молекулы духов диффундируют из открытого флакона наружу, в комнату, и никогда (по крайней мере, об этом говорит наш повседневный опыт) спонтанно не собираются вместе и не влетают обратно во флакон.

Слабость больцмановской теории состояла в том, что он рассматривал столкновения молекул как механические ньютоновские процессы, а такие процессы все обратимы. При таком подходе спонтанное уменьшение энтропии, по крайней мере в теории, должно быть возможно. И оппоненты Больцмана, например Вильгельм Оствальд, не веривший в реальность атомов и молекул, использовали против него убийственный аргумент об абсурдности предположений о том, что вылетевшие из флакона молекулы могут спонтанно опять собраться во флаконе или что тепло может перетекать от холодного тела к горячему. “Предположение о том, что все естественные процессы могут быть в конечном счете сведены к механическим, нельзя использовать даже в качестве рабочей гипотезы, это просто ошибка, – писал Оствальд, – необратимость процессов в природе как раз доказывает то, что процессы не могут быть описаны уравнениями механики”.

Больцман отреагировал тем, что пересмотрел Второй закон, так что он в его формулировке стал не абсолютным, а статистическим (то есть необратимость лишь почти исключена). Теоретически возможно, чтобы миллионы молекул духов, случайно блуждающие в пространстве, смогли в определенный момент собраться опять во флаконе, но это очень маловероятно, примерно в триллионы раз менее вероятно, чем если бы новую колоду карт 100 раз перемешали, и после этого все карты в ней и по масти, и по достоинству легли бы в точности так же, как в начале⁴⁸.

Когда в сентябре 1901 года Эйнштейн довольно нескромно объявил, что нашел недостающее “звено” в больцмановской цепи доказательств, он собирался вскоре опубликовать эти результаты. Но сначала он послал в Annalen der Physik статью [9] , которая включала в себя электрический метод измерения молекулярных сил, включавший расчеты, полученные на основании данных чужих экспериментов, в которых использовался электрод, опущенный в солевой раствор⁴⁹.

9

“О термодинамической теории разности потенциалов между металлами и полностью диссоциированными растворами их солей и об электрическом методе исследования молекулярных сил” в: Эйнштейн А. Собр. науч. трудов: в 4 т. М., 1966. Т. 3.

И уже после этого он опубликовал свою статью [10] с критикой больцмановских теорий. Он заметил, что они хорошо объясняли перенос тепла в газах, но их нельзя было распространять на другие области. “Как ни велики достижения кинетической теории теплоты в области физики газов, – писал он, – но теория эта до сих пор не имеет под собой удовлетворительной механической основы”. Он поставил себе цель “заполнить этот пробел”⁵⁰.

Это было достаточно самонадеянное заявление для не особенно выдающегося студента Политехникума, который не смог еще ни защитить диссертацию, ни устроиться на работу. Сам Эйнштейн позже признавал, что эти статьи мало что добавили в копилку физической мудрости. Но они отражали сущность его разногласий с Друде и Больцманом, возникших в 1901 году. Он чувствовал, что их теории не отвечают максиме, которую он сформулировал Гроссману ранее в этом году: самое интересное – обнаружить скрытое единство в совокупности явлений, которые кажутся совершенно не связанными между собой.

10

“Кинетическая теория теплового равновесия и второго начала термодинамики” в: Эйнштейн А. Собр. науч. трудов: в 4 т. М., 1966. Т. 3.

Тем временем в ноябре 1901 году Эйнштейн предпринял попытку подать докторскую диссертационную работу профессору Альфреду Кляйнеру в университет Цюриха. Текст диссертации не сохранился, но Марич писала подруге, что “в ней речь шла об исследовании молекулярных сил в газах с использованием разных известных явлений”. Эйнштейн был уверен в успехе и сказал о Кляйнере: “Он не посмеет отклонить мою диссертацию. В противном случае этот близорукий человек мне мало интересен”⁵¹.

К декабрю Кляйнер даже не ответил, и Эйнштейн стал предполагать, что, возможно, ему неудобно принять диссертационную работу, дезавуирующую результаты таких мэтров, как Друде и Больцман, поскольку должность профессора делает его уязвимым. Эйнштейн сказал: “Если он осмелится отвергнуть мою диссертацию, тогда я опубликую его отказ вместе со своей работой и выставлю его дураком. А если он примет ее, увидим, что умного сможет сказать старый добрый герр Друде”.