Эйнштейна трудно было назвать идеальным студентом. Если интерес к предмету ослабевал или профессор не затрагивал интересующей его темы, он начинал пропускать занятия. Его разочаровали лекции по физике – в них не освещалась теория электромагнетизма Максвелла. Преподаватель математики сказал, что он лентяй, хотя и светлая голова. Вместо лекций Эйнштейн самостоятельно проводил эксперименты в лаборатории или изучал работы Максвелла, Гельмгольца и других физиков.
Но в конце концов настал час расплаты.
Эйнштейн пропустил слишком много занятий, и для того чтобы сдать экзамены, ему пришлось заниматься день и ночь. К счастью, у его друга Марселя Гроссмана, примерного студента, были конспекты всех лекций, и с их помощью Эйнштейну удалось сдать экзамены. Однако это послужило для него горьким уроком, о котором он впоследствии вспоминал с отвращением. «Целый год после окончания я не мог и думать о занятиях наукой», – говорил позже Эйнштейн. Эти слова заставляют задуматься, так ли хорошо насильно пичкать человека знаниями.
Диплом не уберёг его от нового потрясения. Эйнштейн надеялся стать ассистентом одного из своих профессоров, но его обособленность создала ему положение парии – никто не хотел брать его к себе. Несколько месяцев он занимался тем, что посылал запросы и проходил собеседования, но всё без толку. Одно время он замещал учителя в школе, но нажил себе неприятности, занимаясь с учениками не по программе, и вскоре оставил это место. Настал период разочарований, утраты иллюзий, одним словом, это были чёрные дни. Человек другого склада смирился бы с поражением и оставил физику, но в сердце Эйнштейна любовь к этой науке уже пустила слишком глубокие корни. Несмотря на поражения, он пишет первую научную работу и в 1901 году она появляется в престижном журнале «Annalen der Physik».
Наконец, сквозь тёмные тучи пробился луч надежды. Её принёс верный друг, математик Марсель Гроссман. Он уже завоевал некоторое положение в Политехникуме, но должность занимал незначительную и предложить работу Эйнштейну сам не мог. Однако он поговорил со своим отцом, а тот условился о том, чтобы Эйнштейн прошёл собеседование в Бернском патентном бюро, куда его и приняли. Как ни странно, работа, которая другому обладателю диплома преподавателя физики могла показаться унизительной, пошла Эйнштейну на пользу. Новая деятельность нравилась ему и потому, что его всегда интересовали всякие устройства и механизмы, принципы их работы и особенно научная сторона дела. Без сомнения, некоторые из изобретений повлияли на раннюю работу Эйнштейна по термодинамике. Но самым привлекательным было то, что оставалась масса времени для занятий физикой. Позднее Эйнштейн вспоминал о патентном бюро как о «…светском монастыре, в котором вылупились самые замечательные идеи».
Устроившись на работу, Эйнштейн вскоре женился на Милеве Марич, с которой познакомился в Цюрихе. Хотя в семейной жизни он был счастлив и имел массу свободного времени, чтобы заниматься тем, что его интересовало, мизерное жалованье не позволяло достойно существовать. «Если бы все жили, как я, романтической литературы не существовало бы», – заметил Эйнштейн однажды. А в другой раз он сказал: «В своих теориях я по всему пространству разбрасываю массу часов, хотя не могу позволить себе купить хотя бы одни домой».
Впрочем, атмосфера была благоприятная, и творческие силы учёного расцветали. Его идеи постепенно обретали форму и наконец в 1905 году появилась теория относительности, «золотое яичко». Правда, достоинства теории оценили не сразу, прошло много лет, прежде чем она получила всеобщее признание.
В своей теории Эйнштейн по-прежнему рассматривал пространство и время по отдельности. Объединил их Г. Минковский, один из цюрихских преподавателей Эйнштейна, тот самый, который назвал его лентяем. Минковский показал, что понятие о четырёхмерном пространстве-времени очень глубоко и плодотворно.
Чтобы понять, насколько важно правильно определить понятия пространства и времени, рассмотрим пример с двумя космонавтами. Оба видят в космосе какой-то взрыв, но поскольку находятся от места взрыва на разных расстояниях, момент взрыва фиксируют по-разному. Один уверяет, что взрыв произошёл в три часа, а другой, что в шесть. Оба по-своему правы, хотя мы-то знаем, что данное событие произошло только однажды. А вот если рассматривать событие не просто во времени, а в пространстве-времени, то его «координаты» будут одинаковы для обоих наблюдателей.
Проще всего представить себе пространство-время в виде так называемой пространственно-временной диаграммы.
Пространственно-временная диаграмма
Так как у листа бумаги только два измерения, давайте договоримся, что одно из них будет соответствовать обычным трём пространственным измерениям, а второе – времени. Каждая точка на пространственно-временной диаграмме соответствует какому-то событию. Примером может служить световой сигнал, подаваемый одним из космонавтов; он посылается в определённой точке пространства в фиксированный момент времени. Если через несколько минут космонавт снова подаст сигнал лучом света, на диаграмме появится другая точка, соответствующая и этому событию. Более того, даже сам факт пребывания в определённой точке пространства в определённый момент времени также является событием. Последовательность таких событий носит название мировой линии.
Интервалы в пространстве-времени одинаковы для всех наблюдателей, и такие величины называют инвариантами. Как мы позже увидим, инварианты играют в теории относительности особую роль. Эйнштейн даже предпочитал называть свою теорию теорией инвариантов, но был вынужден смириться с общепринятым названием, хотя его недовольство становилось очевидным, когда он говорил «так называемая теория относительности».
Вскоре после создания специальной теории относительности Эйнштейн понял, что она нуждается в обобщении. Эта теория относится к объектам, движущимся прямолинейно и равномерно, т.е. без ускорения. Ускоренное движение отличается от равномерного. При равномерном движении нельзя определить, движешься ли вообще, до тех пор, пока не увидишь какой-нибудь другой объект; при ускоренном же движении на тело действует ощутимая сила. Например, при разгоне автомобиля вас прижимает к спинке сиденья, а при торможении – бросает вперёд.
Эйнштейн решил повнимательней изучить, чем отличается равномерное движение от ускоренного. Он начал с рассмотрения силы, возникающей при ускорении, которую называют силой инерции. Для более близкого знакомства с этой силой представим себе, что на столе лежит несколько шариков различной массы, от маленьких пластмассовых до больших металлических. Толкая поочерёдно каждый из них, ощущаешь, что для приведения в движение большого шара нужно затратить большее усилие, чем для малого. Кроме того, если толкать каждый из них с одинаковой силой, легко заметить, что маленькие шары приобретают гораздо большее ускорение, чем большие; чем массивнее шар, тем меньше его ускорение. Но вот если собрать все шары и одновременно уронить, все они будут при падении ускоряться одинаково. Этот неочевидный факт объясняется тем, что хотя большая масса притягивается к Земле с большей силой, между гравитационным притяжением и силой инерции существует строгое равенство. Это открытие принадлежит не Эйнштейну, о нём знал ещё Ньютон. Он понял, что две эти силы равны, а так как с каждой из них связана соответствующая масса – инертная и гравитационная – то эти массы также равны. Ньютон и его современники считали, что никакой механический эксперимент не позволит отличить инертную массу от гравитационной.
Эйнштейн развил идеи Ньютона и придал им форму принципа эквивалентности. Он заявил, что никакой эксперимент – ни механический, ни какой-либо иной – не даёт возможности отличить одну массу от другой. Теперь учёные называют это утверждение Эйнштейна сильным принципом эквивалентности, а формулировку Ньютона – слабым принципом эквивалентности.
Чтобы ближе познакомиться с этим принципом, представим себе наблюдателя, находящегося в лифте без окон, и предположим, что лифт расположен где-то далеко в космосе (подальше от гравитационного поля Земли) и что его тянут вверх с ускорением 9,8 м/с2 (таково ускорение земного тяготения). Наблюдателю, естественно, покажется, что он находится на поверхности Земли – предметы будут падать так же, как на Земле, и чтобы подпрыгнуть, нужно будет приложить привычное усилие. Одним словом, в соответствии с принципом эквивалентности, всё будет происходить так же, как в гравитационном поле Земли. Никакой опыт не позволит отличить силу воздействия этого поля от силы, действующей в ускоренно движущемся лифте. «Инерциальное поле», создаваемое ускорением, полностью эквивалентно гравитационному. Так, пытаясь обобщить специальную теорию относительности на случай ускоренного движения, Эйнштейн обнаружил, что создаёт теорию тяготения.