Явление движения частиц взвеси (цветочной пыльцы и т. п.) в воде оставалось загадкой с 1820-х гг., когда оно было открыто ботаником Робертом Броуном (или, точнее, Брауном). Эйнштейн первым разгадал природу этого движения: случайные блуждания взвешенных частиц – проявление хаотического теплового движения молекул жидкости. Многократные случайные толчки молекул заставляют частицы перемещаться в беспрерывном неупорядоченном танце. При таком понимании частицы цветочной пыльцы служат «увеличительным стеклом», позволяющим взглянуть на мир движущихся атомов и молекул.
Главный результат теории Эйнштейна – статистический закон перемещения броуновской частицы: расстояние частицы от исходной точки пропорционально корню квадратному из времени, затраченного на перемещение. Этот закон случайных блужданий был выведен молодым ученым из кинетической теории газа (примененной к частицам взвеси) и гидродинамики (примененной к движению частиц в вязкой жидкости). В качестве множителя между смещением частицы и корнем квадратным из времени в этот закон входит комбинация размера взвешенных частиц, коэффициента вязкости жидкости и ее температуры (умноженной на постоянную Больцмана). Тем самым соотношение Эйнштейна устанавливало прямую связь между случайным смещением одной макроскопической частицы и хаотическим тепловым движением огромного множества микроскопических частиц жидкости. В 1908 г. это соотношение было проверено и полностью подтверждено в лабораторных опытах Жана Перрена в Сорбонне. Работы Эйнштейна по броуновскому движению завершили целую эпоху в физике – эпоху становления атомизма. Теорией Эйнштейна и опытами Перрена вопрос о реальности атомов был полностью и окончательно решен.
Четвертая статья, «К электродинамике движущихся тел», наиболее известна в научном сообществе, поскольку она специально посвящена теории относительности. Впервые в истории физической науки, восходящей к Галилею и Ньютону, фундаментальные основы физики ставились под сомнение. Теория Эйнштейна основывалась на двух постулатах: первый – принцип относительности, выдвинутый Галилеем, согласно которому все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Второй – гипотеза о постоянстве скорости света. Проблема в том, что соединение этих двух постулатов приходит в противоречие с классической механикой, применяемой в течение столетий.
Летом 1905 г. Эйнштейн писал Хабичу: «Принцип относительности, связанный с фундаментальными уравнениями Максвелла, приводит к тому, что масса тела есть мера содержания энергии в этом теле…» [4, с. 51]. Через три месяца Эйнштейн представил в «Анналы физики» пятую статью под названием «Зависит ли инерция тела от содержащейся в ней энергии?». В этой статье, ставшей фундаментальной для науки XX в., показано: если тело освобождает некоторое количество энергии E в форме света, его масса уменьшается по формуле E/c2: речь идет о соотношении между энергией покоя и массой тела. Формула E = mc2 – самая знаменитая формула прошлого века. Эйнштейн даже и представить себе не мог, что через 100 лет молодежь всего мира будет носить майки с его формулой, о ней будут снимать фильмы, ее станут использовать в рекламе.
В мае 1906 г. Эйнштейн возвратился к этой теме и опубликовал вторую статью о гравитации. Во вступительной части он фактически признал приоритет Пуанкаре: «Мы показали, что изменение энергии должно соответствовать эквивалентному изменению массы на величину, равную изменению энергии деленному на квадрат скорости света… Несмотря на то что простое формальное рассмотрение, которое должно быть приведено для доказательства этого утверждения, в основном содержится в работе А. Пуанкаре (1900 г.), мы из соображений наглядности не будем основываться на этой работе» [4, с. 52]. Заслуга Эйнштейна в том, что этот закон, первоначально выведенный лишь для лучистой энергии, он обосновал для всех форм энергии, и это дает полное основание называть знаменитое соотношение его именем.
Эйнштейн заканчивает статью рассуждением, что принцип сохранения массы – часть принципа закона сохранения энергии. Профессор Минковский, преподававший Эйнштейну математику в Политехникуме, обратил внимание на его статью и на одном из семинаров, к большому удивлению собравшихся, воскликнул: «Ах, этот Эйнштейн, всегда пропускавший лекции; я бы никогда не поверил, что он способен на такое!» Новое воззрение на пространство и время, сформулированное в работе Эйнштейна, требовало, по мнению Минковского, существенной доработки в смысле математического оформления. Своим студентам он говорил: «Эйнштейн излагает свою глубокую теорию с математической точки зрения неуклюже – я имею право так говорить, поскольку свое математическое образование он получал в Цюрихе у меня».