Преждевременное открытие Альберта Эйнштейна

Путь в науке, которым шел последние годы своей жизни Альберт Эйнштейн1, был далек от того, чем занималось большинство его коллег. Первая самостоятельная его статья по единой теории поля была закончена в июле 1925 года (Эйнштейн, 1966a). Тогда же завершил свою основополагающую статью о квантовой механике Вернер Гейзенберг (Heisenberg, 1925). А далее линии, намеченные этими работами, разошлись. Альберт Эйнштейн еще тридцать лет пытался найти удовлетворительную теорию, объединяющую гравитацию и электромагнетизм. Подобной проблемой занимались, кроме него, и другие ученые, но областью массового исследования этот раздел физики не стал. В то же время квантовая физика привлекала всё новых и новых исследователей. Именно в этом направлении физика обогатилась новыми силовыми полями, были предсказаны, а потом обнаружены новые элементарные частицы, была развита квантовая теория поля. Эйнштейн был далек от этого. Одиночество его в научном мире увеличивалось с каждым годом. И в бытовом плане он всё более сторонился общества.

После насыщенной научными контактами жизни в Берлине с его физическим коллоквиумом при университете и заседаниями Прусской академии обстановка в тихом американском Принстоне казалась деревенской. Через месяц после переезда в этот небольшой университетский городок Эйнштейн писал (20 ноября 1933 года) королеве Бельгии Елизавете Баварской, с которой успел подружиться за время совместного музицирования: «Это занятная церемонная деревенька, в которой обитают ничтожные полубоги на ходулях» (Пайс, 1989, с. 435).

А еще через год и три месяца, 16 февраля 1935 года, новое письмо ей же: «Я совершенно безнадежно увяз в научных проблемах; положение усугубляется и тем, что, будучи человеком пожилым, в здешнем обществе держусь особняком» (Пайс, 1989, с. 435).

Кто-то смотрел на его научные усилия с жалостью, кто-то позволял себе издевательские шутки. В обзорной статье, посвященной теме единой теории поля и вышедшей в свет в журнале Naturwissenschaften в 1932 году, Паули язвительно высказался о своем бывшем кумире: «Неистощимая изобретательность, а также завидная энергия, с которой он стремится к объединению, гарантировали нам в последние несколько лет появление в среднем одной теории в год… С психологической точки зрения интересно отметить, что в течение некоторого времени каждая очередная предложенная теория обычно представляется ее автору „окончательным решением“» (Пайс, 1989, с. 334).

Если в 1920-х годах физики следили за усилиями автора общей теории относительности по созданию единой теории поля с восхищением и надеждой, то в 1930-х на фоне впечатляющих успехов квантовой механики и квантовой теории поля авторитет программы Эйнштейна заметно снизился. Ни одна из его попыток вывести из общей схемы конкретные уравнения движения элементарных частиц не увенчалась успехом. Всё новые и новые теории не выходили за рамки абстрактных математических структур, а их автор каждый раз выражал надежду, что он вот-вот получит физически значимый результат. Но все эти надежды остались нереализованными.

В то же время квантовая физика оказывалась поразительно результативной. Особенно богатым на открытия стал 1932 год. В этом году, всего через пять лет после окончательного оформления копенгагенской интерпретации квантовой механики, были открыты новые элементарные частицы: нейтральный нейтрон, входящий наряду с протоном в состав атомных ядер, и положительно заряженный позитрон — античастица электрона, предсказанная теоретически в 1928 году Полем Дираком. Парадокс истории: честь первооткрывателя античастиц должна была принадлежать Альберту Эйнштейну, но он прошел мимо этой возможности, будучи сильно увлеченным поиском единой теории поля.

За три года до Дирака, осенью 1925 года, Эйнштейн опубликовал в голландском журнале Physica небольшую статью под названием «Электрон и общая теория относительности» (русский перевод (Эйнштейн, 1966b)). Начинается она необычной для научных статей фразой: «Нижеследующие замечания настолько просты, что я не надеюсь сказать в них что-либо новое» (Эйнштейн, 1966b, с. 167).

С позиций сегодняшнего понимания физики эта фраза свидетельствует о том, что автор не до конца осознал гениальность того, что он сделал. Ведь речь идет ни много ни мало об открытии антиматерии!

В письме другу Бессо, написанном из Женевы 28 июля 1925 года «во время скучного заседания Лиги Наций» Эйнштейн в нескольких фразах описывает очередной подход к объединению гравитации и электромагнетизма в единую теорию, который нашел выражение в упомянутой статье в журнале Physica, и добавляет: «Это замечательная возможность, которая может соответствовать реальности. Теперь вопрос в том, совместима ли такая теория поля с существованием атомов и квантов. Не сомневаюсь в ее правильности для макроскопического мира. Если бы расчет конкретных задач был проще! Но всё это пока предварительно» (Эйнштейн — Бессо, 1978, с. 12).

Вот это отношение к сделанному как к «предварительному» помешало увидеть действительно важное. А показано в статье следующее: для каждого поля, соответствующего некоторой элементарной частице с определенным положительным зарядом и заданной массой покоя, найдется поле, которое описывает частицу с таким же, но отрицательным зарядом и той же самой массой покоя. Если использовать терминологию, установившуюся несколькими годами позже, Эйнштейн строго доказал, что для каждой элементарной частицы найдется античастица с противоположным зарядом и той же массой. Для электрона такой частицей является позитрон, открытый в 1932 году.

Эйнштейн посчитал свой результат не прорывом в антимир, как сейчас оценивается аналогичное достижение Поля Дирака, сделанное тремя годами позже, а серьезной научной не­удачей, даже катастрофой. Весь имевшийся в то время опыт подсказывал существование только двух заряженных элементарных частиц — протона и электрона, причем они никак не подходили на роль взаимных античастиц, ведь масса протона примерно в две тысячи раз больше массы электрона, а у античастиц, как доказал в работе 1925 года Эйнштейн, массы покоя должны быть ­одинаковыми. Это вопиющее противоречие с наблюдаемой реальностью сбило с толку автора статьи, и он признал в ее конце: «Попытки слить воедино электродинамику с законами гравитации представляются нам недостаточно обоснованными» (Эйнштейн, 1966b, с. 170).

Сделай Эйнштейн из доказанной им теоремы другой вывод, а именно предположи он существование еще не найденных положительно заряженной частицы с массой электрона и отрицательно заряженной частицы с массой протона, то к его славе автора теории относительности добавилась бы честь открытия античастиц, которая в 1928 году перешла к Полю Дираку.

Психологически Эйнштейна можно понять — он был всецело увлечен теорией непрерывного поля, в которой не оказалось места для материальных частиц. Частицами, как и другими полевыми сингулярностями и дискретностями, занималась квантовая механика, в становление которой немалый вклад внес именно Поль Дирак. Эйнштейн же всегда относился к возможностям и методам этой науки с известным предубеждением.

Статья Альберта Эйнштейна «Электрон и общая теория относительности» оказалась еще одним примером открытий, сделанных «преждевременно», время для них еще не наступило, и никто, включая гениального автора, не понимал до конца значения полученного результата. В дальнейшем никто не ссылался на эту статью, предвестницу открытия Дирака. И сам Эйнштейн ни разу не вернулся к этой небольшой заметке, которая могла стать, но не стала эпохой в физике микромира.

* * *

Как бы скептически ни относился Альберт Эйнштейн к квантовой механике, совесть ученого и личное благородство не позволили ему отмолчаться, когда речь заходила о присвоении очередных Нобелевских премий по физике. Он прекрасно знал свое место в научном мире и то, как люди прислушиваются к его мнению.

Первый раз Эйнштейн привлек внимание Нобелевского комитета к успехам атомной физики в 1928 году. В письме, отправленном 25 сентября, ученый отметил роль гипотезы о волнах материи: «По моему мнению, наиболее крупным и пока еще не отмеченным по заслугам достижением физики является догадка о волновой природе механических процессов» (Пайс, 1989, с. 486).

За это достижение Эйнштейн предложил наградить Луи де Бройля (половиной премии), а вторую половину разделить между сотрудниками, осуществившими экспериментальное доказательство его гипотезы.

В этом же письме Альберт упомянул имена авторов матричной и волновой механики как возможных Нобелевских лауреатов в будущем: «Нужно также рассмотреть кандидатуры теоретиков Гейзенберга и Шрёдингера (разделить премию между ними) и представить их к премии (может быть, на 1930 год?). Что касается их достижений, то каждый из исследователей заслуживает полной Нобелевской премии, хотя их теории по сути своей совпадают. Однако, как мне кажется, в первую очередь нужно рассмотреть кандидатуру де Бройля, в особенности потому, что его идея несомненно верна, в то время как пока не ясно, что останется в будущем от грандиозных теорий двух других ученых» (Пайс, 1989, с. 486).

Мнение Эйнштейна в отношении волновой гипотезы оказалось услышанным, и Нобелевская премия за 1929 год была присуждена Луи де Бройлю «за открытие волновой природы электрона».

В сентябре 1931 года Эйнштейн снова предлагает Нобелевскому комитету отметить Шрёдингера и Гейзенберга, авторов квантовой механики, в справедливости по крайней мере части которой он больше не сомневался: «По моему мнению, эта теория безусловно содержит часть окончательной истины. Результаты, полученные ими независимо друг от друга, настолько значительны, что было бы неуместно делить премию между двумя учеными» (Пайс, 1989, с. 486).

Эйнштейн не был уверен, кто из них должен получить премию первым. С одной стороны, он считал достижение Шрёдингера более значительным, подчеркивая, правда, что это его личное мнение и он может ошибаться. С другой стороны, Гейзенберг опубликовал свою основополагающую работу раньше Шрёдингера.

Колебания Эйнштейна словно передались Нобелевскому комитету, который так и не присудил премию 1931 года никому. В следующем году ситуация повторилась: Эйнштейн снова настаивал на присуждении премии профессору Шрёдингеру из Берлина, так как «наше понимание квантовых явлений расширилось в основном благодаря его работам, связанным с работами де Бройля» (Пайс, 1989, с. 487).

Нобелевский комитет решил еще один год воздержаться от присуждения премии, а в 1933 году назвал Вернера Гейзенберга лауреатом премии за 1932 год, а премию за 1933 год разделил между Шрёдингером и Дираком.

Евгений Беркович

Heisenberg Werner. Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen. Zeitschrift für Physik, 1925, B. 33, 879–893.

Пайс Абрагам. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. Пер. с англ. В.И. и О. И. Мацарских. Под ред. А. А. Логунова. М.: Наука, 1989.

Эйнштейн Альберт. Единая полевая теория тяготения и электричества. Собрание научных трудов в 4 томах. М.: Наука, 1966a. Том II, с. 171–177.

Эйнштейн Альберт. Электрон и общая теория относительности. Собрание научных трудов в 4 томах. М.: Наука, 1966b. Том II, с. 167–170.

Переписка А. Эйнштейна и М. Бессо, 1903–1955. В сборнике: У. И. Франкфурт (сост.). Эйнштейновский сборник 1975–1976, с. 5–42. М.: Наука, 1978.

---

1 Из новой книги Евгения Берковича «Альберт Эйнштейн и „революция вундеркиндов“. Очерки становления квантовой механики и единой теории поля», М.: URSS, 2021.