E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения мира - Дэвид Боданис

Появлявшиеся время от времени, чтобы посмеяться над ними, визитеры из Версаля обнаруживали в замке прекрасную женщину, которая по собственной воле сидела в четырех стенах, до позднего вечера работая за письменным столом, — два десятка свечей окружали ее, озаряя стопки бумаг с вычислениями и переводами, в огромном зале было тесно от научного оборудования. Время от времени, сюда заходил и Вольтер — не просто ради того, чтобы ознакомиться с последними дворцовыми сплетнями, хотя, будучи Вольтером, оставаться к ним совсем равнодушным он не мог, — но также чтобы сравнить латинские тексты Ньютона с некоторыми из новейших голландских комментариев к ним.

Несколько раз дю Шатле вплотную подходила к ошеломляющим открытиям будущего. Она поставила собственную версию опытов Лавуазье с ржавчиной, и если бы количество чешуек, которые удалось собрать дю Шатле, было чуть более полным, она могла бы открыть закон сохранения массы еще до рождения Лавуазье.

«Сирейская группа» поддерживала переписку с другими учеными нового склада, снабжая их результатами экспериментов, чертежами и расчетами. Здесь неделями, а то и месяцами гостили такие ученые, как Кениг и Бернулли. Вольтера радовало, что благодаря их усилиям, новейшая, ньютоновского склада наука получает все большее распространение. Однако когда он и дю Шатле затевали насмешливые, пародийные перепалки, Вольтер вовсе не попадал в положении знающего жизнь, широко начитанного человека, который сам решает, в каком случае его молодая любовница выйдет победительницей. Дю Шатле была настоящей исследовательницей физического мира, и именно она в какой-то момент решила, что ключевой вопрос, коим теперь надлежит заняться, выглядит так: что есть энергия?

Она знала — в большинстве своем люди считают, что с энергией и так уже все ясно. Тот же Вольтер в его посвященных популяризации Ньютона сочинениях описывал представлявшиеся всем несомненными истины: главное, что необходимо знать для анализа того, как сталкиваются материальные объекты, это простые произведения их масс на их же скорости, то есть mv1. Если шар весом в 5 фунтов движется со скоростью 10 м/час, он будет обладать 50 единицами энергии.

Однако дю Шатле знала и о том, что некогда были довольно широко распространены воззрения, соперничавшие с ньютоновскими и сформулированные Готфридом Лейбницем, выдающимся немецким дипломатом и естествоиспытателем. Лейбниц считал, что главным показателем энергии является mv2. Если шар весом в 5 фунтов движется со скоростью 10 м/час, он будет обладать 5х102, или 500 единицами энергии.

Кто из них был прав? Все это могло выглядеть простым спором об определениях, однако за ним крылось нечто гораздо более глубокое. Мы привыкли к тому, что наука отделена от религии, но в семнадцатом и восемнадцатом веках дело обстояло иначе.

Ньютон считал, что, выдвигая на первый план mv1, можно доказать необходимость существования Бога. Если происходит лобовое столкновение двух пивных фургонов, слышится громовый удар и, возможно, скрежет, с которым вдавливаются друг в друга их бамперы, однако затем наступает тишина. Перед самым столкновением в мире присутствовало изрядное количество mv1 - его создавали две быстро двигавшихся, сильно нагруженных повозки. Допустим, к примеру, что одна на полной скорости катила строго на восток, а другая строго на запад. Однако после того, как они столкнулись и обратились к груды дерева и металла, обе v1 исчезли. Та, что «двигалась на восток», в точности отменила ту, что «двигалась на запад».

На взгляд Ньютона, это означало, что энергия, которой обладали повозки, просто исчезла. Образовалась дыра, ведущая за пределы нашей наблюдаемой вселенной. А поскольку подобные столкновения происходят сплошь и рядом, огромным механическим часам, в которых мы проживаем, требуется постоянная подзаводка. Однако давайте оглядимся вокруг. Мы же не видим, что с ходом годов способность к движению сохраняет все меньшее число физических тел. Вот вам и доказательство. вселенная продолжает «работать» и это, по мнению Ньютона, является знаком того, что ободряющая десница Господня простирается через нее, дабы питать и поддерживать нас, снабжать нас всеми движущими силами, которые мы без нее потеряли бы.

Вольтеру этого было достаточно. Ньютон высказался, а кто может спорить с Ньютоном? К тому же, картина, им созданная, выглядит так величественно и подкреплена столь пугающе сложной геометрией и математическим анализом, что самое разумное для нас — просто кивать и принимать ее. А между тем, дю Шатле проводила долгие часы в своей увешанной картинами Ватто комнате, а затем и за уставленным свечами письменным столом, разбираясь, собственного интереса ради, в возражениях Лейбница.

Лейбниц не только приводил разного рода отвлеченные геометрические доводы, он еще и указывал на прореху, которую подход Ньютона оставляет в мире. Дипломаты порою склонны к сарказму. Лейбниц писал: «Согласно учению [Ньютона], всемогущему Богу угодно время от времени заводить свои часы — иначе они встанут. Похоже, Он оказался недостаточно предусмотрительным для того, чтобы создать вечное движение».

Однако, если использовать для энергии формулу mv2, этой проблемы можно избежать. Допустим, что для повозки, едущей строго на запад, mv2 дает 100 единиц энергии, а энергия второй, движущейся навстречу и ей, и скорому столкновению, тоже составляет 100 единиц. По мнению Ньютона, при столкновении их энергии уничтожают одна другую, а вот по мнению Лейбница, их энергии складываются. Когда повозки сталкиваются, вся их энергия так и продолжает существовать, отправляя металлические обломки повозок скакать по земле, повышая температуру их колес и создавая далеко разлетающийся шум и грохот.

С точки зрения Лейбница, ничто не пропадает и не теряется. Мир продолжает идти своим путем, никаких дыр или шлюзовых ворот, в которые утекает причинная обусловленность либо энергия, — так что только Бог и способен вернуть их назад, — не существует. Мы предоставлены самим себе. Необходимость в Боге могла существовать в самом начале, однако теперь она отсутствует.

Дю Шатле находила эти рассуждения не лишенными привлекательности, но также и понимала, почему за десятилетия, прошедшие с тех пор, как Лейбниц обнародовал их, они особого признания не получили. Воззрения Лейбница были слишком расплывчатыми, они отвечали собственным его предпочтениям, но не получили достаточных объективных подтверждений. Кроме того, как с великим удовольствием показал Вольтер в написанном им романе «Кандид», они были странно пассивными, наводившими на мысль, что какие бы то ни было фундаментальные изменения в нашем земном существовании попросту невозможны.

Дю Шатле славилась взрывной быстротой своих бесед, но лишь потому, что в Версале она была окружена дураками, а в Сирее только так и можно было вставить слово, разговаривая с Вольтером. Когда же дело доходило до осуществляемых ею работ, она оказывалась куда более методичной и неторопливой. Ознакомившись с исходной аргументацией Лейбница, а затем со стандартной их критикой, она — и разного рода специалисты, призванные ею на помощь, — не остановилась на этом, но приступила к широким поискам каких-либо практических свидетельств, которые помогли бы им сделать окончательный выбор. По мнению Вольтера, она просто «зря тратила» время, однако для дю Шатле это стало одним из важнейших моментов ее жизни: исследовательский механизм, созданный ею в Сирее, наконец заработал в полную силу.

Решающее доказательство дю Шатле и ее коллеги отыскали в недавней работе Виллема Гравезанда, голландского ученого, который ставил опыты, бросая с определенной высоты грузы на мягкий глиняный пол. Если формула Е=mv1 справедлива, груз, летящий вдвое быстрее, чем прежде, должен уйти в глину и на глубину вдвое большую. А повышая скорость втрое, получишь втрое большую глубину. Однако Гравезанд обнаружил, что этого не происходит. Маленький медный шар, летящий в два раза быстрее прежнего, уходил в глину на глубину, в четыре раза большую. Если же он летел быстрее в три раза, то глубина его погружения в глину оказывалась большей в девять раз.

Что, собственно, и предсказывалось формулой Е=mv2. Два в квадрате это четыре. Три в квадрате — девять.

Результаты Гравезанд получил серьезные, однако он не был теоретиком в мере, достаточной для того, чтобы свести их воедино. Лейбниц был теоретиком превосходным, но ему не хватало детальных опытных данных — его выбор mv2 был скорее догадкой. Вот эту брешь и заполнила работа дю Шатле. Она углубила теорию Лейбница, включив в нее результаты голландского ученого. Наконец-то появилось серьезное подтверждение справедливости определения энергии с помощью mv2.

Статьи ее наделали немало шума. Дю Шатле всегда была автором, умевшим ясно излагать свои мысли, ей помогало также и то, что Сирей считался одним из по-настоящему независимых исследовательских центров Европы. Большинство англоязычных ученых автоматически принимало сторону Ньютона, а германоязычные с не меньшим догматизмом выступали за Лейбница. Франция же стояла между ними, неизменно владея правом решающего голоса, вот голос дю Шатле и оказался главным в решении давнего спора.