Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Работая над своей теоремой, Нётер четыре года преподавала под именем Гильберта, не получая жалованья. В 1919 году руководство университета наконец пошло на уступки и приняло Нётер на должность приват-доцента, тем самым позволив ей официально преподавать и получать зарплату. Однако, руководствуясь своими интересами, Нётер отошла от физики и занялась более абстрактными проблемами. Завершив исследования по общей относительности и симметрии, она обратилась к основам математики. Эта работа не имела прямого отношения к физике, но оказала огромное влияние на последующее развитие многих разделов математики, особенно алгебры и топологии.

Тем временем Эйнштейн превратился в узнаваемое лицо науки. Если о теореме Нётер знали только физики, то формула E = mc2 стала научным эквивалентом легендарной фразы “быть или не быть”, которую повторяли многие, а понимали лишь единицы. Статьи о теории относительности публиковались даже в The New York Times. Макс Флейшер, создатель Бетти Буп, выпустил мультфильм, объясняющий, как искривляется пространство. Чарли Чаплин приглашал Эйнштейна на голливудские премьеры.

Когда на Эйнштейна обрушилась такая слава, его огромный вклад в теорию теплоты (термодинамику) и ее связь с новой наукой (квантовой физикой) оказался в тени. Но интерес Эйнштейна к этим темам не угас. В 1920-х годах, работая вместе с бенгальским физиком Шатьендранатом Бозе, Эйнштейн значительно обогатил знания о статистическом поведении “частиц” света, о которых писал в первой статье “года чудес”. В тот же период эта тема стала камнем преткновения в долгой интеллектуальной битве Эйнштейна с великим датским физиком Нильсом Бором. Предметом спора были следствия квантовой механики: хотя Эйнштейн приложил руку к закладке фундамента этой науки, когда в 1905 году опубликовал статью о квантах света, ему не нравилось, в каком направлении ее развивают физики младшего поколения, к которому принадлежал Бор. Датчанин входил в одну группу с Вернером Гейзенбергом, Вольфгангом Паули и Максом Борном, которые считали, что квантовая механика предлагает новый способ объяснить, как работает природа на самом базовом уровне. Причины несогласия Эйнштейна описываются в часто цитируемом письме к коллеге: “Квантовая теория дает многое, но вряд ли приближает нас к разгадке тайны Всевышнего. Во всяком случае, я убежден, что Он не играет в кости”.

Здесь Эйнштейн намекает на то, что, по мнению специалистов по квантовой физике, на уровне атомов, молекул и квантов света природе свойственна неопределенность. Например, нельзя точно сказать, где находится электрон. Можно лишь определить вероятность его пребывания в конкретном месте. На первый взгляд, здесь нет противоречия с представлениями Больцмана и Эйнштейна о молекулах и атомах. Оба ученых признавали, что нельзя совершенно точно сказать, как каждая молекула газа будет вести себя на протяжении заданного отрезка времени. Однако, применяя статистические аргументы, они могли достоверно предположить, как поведут себя большие скопления молекул. Копенгагенская группа, названная по родному городу Бора, видела ситуацию иначе. Больцман и Эйнштейн, по сути, использовали статистику, чтобы провести оценку того, что не поддавалось измерению. На практике невозможно знать положение и скорость каждой молекулы в литре воздуха, потому что молекул слишком много. В теории, однако, это возможно — при наличии достаточно мощного микроскопа и огромного количества времени. Копенгагенская группа считала иначе. Ее члены утверждали, что поведение таких объектов, как атомы, молекулы и кванты света, по природе своей имеет вероятностный характер. Иными словами, каким бы точным ни был ваш измерительный прибор, вы не сумеете сказать, что именно происходит с этими объектами. В лучшем случае можно надеяться лишь на вероятностную оценку.

Эйнштейн считал копенгагенскую интерпретацию крайне неудовлетворительной. Любопытна причина, по которой он занял такую позицию. Почему вероятностный фундамент квантовой теории казался ему неприемлемым? Считается, что вероятностная природа квантовой теории противоречит его теориям относительности. Хотя теория относительности не проста, она абсолютно однозначна. Следовательно, если знать в деталях исходное состояние системы, теоретически можно вычислить, какой эта система станет по прошествии времени. В квантовой физике, напротив, невозможно знать в деталях ни начальное, ни конечное состояние системы. О ней можно сказать лишь что-то вроде того, что с вероятностью 50 % она будет находиться в определенном начальном состоянии и с вероятностью 50 % — в определенном конечном.

Но ранние работы Эйнштейна о теплоте и существовании атомов и молекул позволяют предположить, что на самом деле его несогласие с квантовой теорией было обусловлено не ее вероятностной природой. В своих статьях о квантах света, сахарной воде и броуновском движении он применяет вероятности и статистику. Ключевое допущение в этих работах состоит в том, что невозможно с точностью сказать, где находится и насколько быстро движется отдельная молекула, но это не мешает делать достоверные прогнозы о поведении большого скопления молекул.

В том и дело. Эйнштейн не испытывал неприязни к вероятностным и статистическим аргументам. Он на них собаку съел. Но для него статистика и вероятности были способом постичь основополагающую истину, скрытую от глаз. Вспомните частицы пыльцы в броуновском движении. Эйнштейн не мог со стопроцентной точностью предсказать их поведение, но мог провести достаточно достоверную статистическую оценку. Хотя поведение частицы пыльцы не было полностью предсказуемым, оно позволило заглянуть в невидимый мир определявших его молекул и атомов. Именно этим объяснялось неприятие Эйнштейном предложенной Бором трактовки квантовой теории. Бор утверждал, что природа на квантовом уровне имеет вероятностный характер, а более глубокого фундамента у мира не существует. Опираясь на собственный опыт изучения броуновского движения, Эйнштейн, напротив, полагал, что статистическое поведение свидетельствует о наличии более глубокой фундаментальной основы. Как и атомы, эта основа не поддавалась непосредственному наблюдению, но Эйнштейн считал кощунством категорический отказ признавать существование этого глубинного уровня реальности.

* * *

Эйнштейн большую часть жизни продолжал проявлять живой интерес к термодинамике, полагая, что наука должна служить обществу. Сегодня Эйнштейна так часто представляют в образе рассеянного профессора, что его практичная изобретательность почти забыта. В конце концов, Эйнштейн вырос в семье, где постоянно изобретали, сооружали и чинили машины. Его отец Герман и дядя Якоб владели небольшой электротехнической компанией, где делали динамо-машины и электросчетчики. Хотя дела компании шли плохо, что в итоге привело к ее закрытию, юный Альберт всю жизнь интересовался техническими инновациями.

Первым партнером Эйнштейна в этом начинании стал изобретатель Рудольф Гольдшмидт, вместе с которым Эйнштейн в 1928 году зарегистрировал патент на электромагнитный громкоговоритель. Позже, когда их общая подруга певица Ольга Айзнер начала страдать от глухоты, партнеры разработали для нее слуховой аппарат.

Но дело в обоих случаях ограничилось проектами. Лучше всего Эйнштейн разработал технологию, непосредственно вдохновленную его интересом к теплоте и термодинамике. В конце 1920-х и начале 1930-х годов он помогал с проектированием, патентованием и выводом на рынок нового холодильника. В то время в холодильниках использовалась довольно продвинутая, с точки зрения термодинамики, технология, но в качестве хладагента применялись такие токсичные химические вещества, как аммиак, хлорметан и диоксид серы. При утечке токсичные химикаты попадали из насоса в дом владельцев холодильника, что приводило к ужасным последствиям. В 1926 году, прочитав жуткую статью о гибели берлинской семьи с несколькими детьми из-за утечки из неисправного холодильника, Эйнштейн решил заняться проектированием более безопасного устройства.