вязкости и характера движения молекул сахара, растворенного в воде, позволил определить размер этих молекул. (Согласно оценкам Эйнштейна, диаметр молекулы сахара оказался порядка одной миллионной доли миллиметра.)
Этот расчет позволил Эйнштейну оценить значение константы, известной как число Авогадро. Атомная масса водорода равна 1, у гелия атомная масса 4, у лития – 7. Если взять 1 грамм водорода, 4 грамма гелия и 7 граммов лития, в них будет содержаться одинаковое число атомов. Ровно столько же, сколько и в 16 граммах кислорода или 122 граммах сурьмы. Вот это число атомов и называется числом Авогадро. У Эйнштейна получалось, что оно равно 210000000000000000000000, или 2,1 × 1023. Даже представить себе трудно, насколько велико это число. Современное уточненное значение числа Авогадро примерно втрое превосходит результат Эйнштейна[112]. В мельчайшей капельке воды содержатся миллиарды миллиардов атомов.
Именно апрельскую статью Эйнштейн отправил в Цюрихский университет как свою докторскую диссертацию. Это была уже третья попытка получить докторскую степень. Если статья о квантах света была самой революционной из написанных за тот год чудес, то эта статья – наиболее традиционной. Но она подошла для докторской диссертации, поскольку доказывала, что Эйнштейн – респектабельный физик, уважающий классиков и знающий, как работать в традиционных рамках. Тем летом после небольших исправлений диссертация была утверждена – и Альберт наконец стал доктором Эйнштейном[113].
Не прошло и девяти дней после завершения второй статьи, как Эйнштейн изучил еще одно явление, происходящее в скрытом от наших глаз мире малых величин. Он объяснил, что из себя представляет так называемое броуновское движение. Броуновским оно названо по имени шотландского ботаника Роберта Броуна, открывшего его в 1828 году. Рассматривая в микроскоп взвешенную в воде пыльцу, Броун заметил, что ее частички беспорядочно движутся, как бы исполняя странный танец. Сначала он предположил, что такое движение характерно для мужских половых клеток и является результатом протекающих в них жизненных процессов. Чтобы проверить это, он поставил опыт с частичками пыльцы, которые были мертвы более ста лет, и обнаружил, что ведут они себя точно так же. Затем Броун перешел к неживой материи и исследовал движение частиц дыма, толченого стекла, мелкой гранитной крошки и даже материала, соскобленного с Большого сфинкса. И всякий раз он видел, как частицы безостановочно мечутся и беспрерывно сталкиваются словно бы по собственной воле. Долгие годы предпринимались многочисленные попытки объяснить это явление, но ни одна из них не увенчалась успехом.
Кинетическая теория, возникшая в начале семидесятых годов XIX века, объясняла свойства жидкостей исходя из случайного движения молекул. Согласно этой теории молекулы в жидкости распределены неравномерно: они мечутся с разными скоростями, собираясь то в одном, то в другом месте. На основании этого Эйнштейн предположил, что движение молекул жидкости влияет на находящиеся в ней частицы.
Даже частицы самой мелкой пыли известняка, из которого сделан Большой сфинкс, можно считать гигантскими в сравнении с молекулами воды: они примерно в десять тысяч раз больше. Одна молекула воды имеет не больше шансов сдвинуть такую частицу, чем горошина – подвинуть Эмпайр-стейт-билдинг. Но в воде частички известняка сталкиваются с миллионами молекул воды в секунду. Как показал Эйнштейн, такие случайные столкновения вызывают дрожание, которое и видно под микроскопом. В какой‐то момент с одной стороны частицы соударений может оказаться больше, чем с другой; в следующий момент сторона, принимающая на себя самый сильный удар, меняется. Это приводит к случайному блужданию, при котором частицы, качаясь как пьяные, перемещаются с места на место.
Используя развитый в своей диссертации статистический подход, Эйнштейн вычислил, что в результате такого зигзагообразного движения взвешенная в воде стандартная частица смещается на 0,006 миллиметра в минуту. И указал, что его оценку можно проверить. Многое зависело от того, подтвердит ли эксперимент этот результат.
В то время далеко не все признавали атомы и молекулы как нечто реальное. Многие физики и химики считали доказанным, что атомы и молекулы могут быть полезны при теоретических расчетах. Но существуют ли они реально, или это только удобный вычислительный прием наподобие квантов Планка? Эйнштейн высчитал смещение, а его метод расчета был напрямую связан с наукой об атомах. Если результат Эйнштейна подтвердится, значит, атомы и молекулы существуют, а если нет – следовательно, и их нет.
На сей раз недостатка в откликах на статью не было: на нее обратили внимание, письма приходили как от теоретиков, так и от экспериментаторов. Попытка проверить предсказание Эйнштейна была предпринята уже через несколько месяцев после выхода его статьи, а четырьмя годами позже Жан Перрен подтвердил результат Эйнштейна с высокой точностью. Атомным скептикам пришлось сдать свои позиции: молекулы и атомы были окончательно и во всех смыслах признаны реальными. Позднее Перрен получил Нобелевскую премию за работу, подтвердившую теорию Эйнштейна.
Когда поток статей несколько иссяк, Эйнштейн выкроил время, чтобы написать своему другу Конраду Габихту, переехавшему из Берна в Шаффхаузен в конце 1903 года. Какое‐то время они друг другу не писали, и Эйнштейн шутливо заметил, что кощунственно прерывать их торжественное молчание письмом, содержащим столь “малозначительный треп”[114].
“Ну и чем же занимаешься ты, замороженный кит, человек, закоптивший, высушивший и законсервировавший свою душу? Или как там еще я могу тебя обозвать? – писал Эйнштейн. – Почему ты до сих пор не прислал мне свою диссертацию? Разве ты не знаешь, что я один из полутора субъектов, которые прочтут ее с удовольствием и интересом, низкий ты человек? В ответ я обещаю прислать тебе четыре свои статьи”[115]. Затем Эйнштейн продолжает: “Первая, принципиально новая, относится к излучению и энергетическим свойствам света. Ты и сам это увидишь, если пришлешь мне свою работу первым”. Вторая статья, объясняет он, касается “определения истинных размеров атомов”, а третья относится к случайному блужданию молекул в жидкости.
Последняя статья еще не была дописана, но Эйнштейн был уверен, что она вызовет особый интерес. “В четвертой статье, существующей пока только в черновом варианте, используется модифицированная теория пространства и времени в применении к электродинамике движущихся тел”.
Габихт не знал, что его друг готовится разорвать еще одну завесу и заставить мир взглянуть на себя по‐новому.
22
Представьте себе, что вы заперты в кают-компании корабля, расположенной под палубой. Кают-компания какая‐то странная: летают бабочки, на столе большая миска с водой, где плавают рыбки, к потолку подвешена бутылка, из которой в стоящий под ней сосуд капает вода. Корабль покоится, он еще пришвартован. Итак, вы видите, что в миске плавают рыбки, бабочки с равными скоростями носятся под
