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.
В напарники он взял своего бывшего студента Лео Сциларда. Сцилард родился в Будапеште в 1898 году и рано проявил талант к математике и физике. В восемнадцать лет он получил венгерскую национальную премию в области математики. Вскоре после этого он начал изучать физику в берлинском Университете Фридриха Вильгельма, где преподавал Эйнштейн. Так завязалась долгая и плодотворная дружба. В докторской диссертации, написанной в 1922 году, Сцилард первым указал на связь термодинамики с теорией информации, и его работу признали лучшей за год. К середине 1920-х они с Эйнштейном стали близкими друзьями. Оба были талантливыми учеными и имели сходные ценности, включая твердую веру в то, что наука должна служить обществу. Именно поэтому, решив, что более качественные холодильники помогут избежать ненужных смертей, Эйнштейн позвонил Сциларду.
Один из патентов Эйнштейна и Сциларда на холодильник
Начало работы было многообещающим: ученые спроектировали устройство, которое сочетало в себе безопасность, простоту и экономичность, и договорились о финансировании проекта с гамбургской компанией Citogel. Ее название на латыни значит “быстрая заморозка”. Маленькая внутренняя камера (2) располагалась в середине большего по размерам цилиндра (13), куда помещались нуждающиеся в охлаждении продукты, например мороженое. После этого во внутренней камере испарялся метиловый спирт, что приводило к охлаждению цилиндра. Затем перешедший в газообразную форму метиловый спирт по короткой трубке (5) отводился в другой цилиндр, соединенный с обычным водопроводным краном, из которого текла вода. Растворяясь в воде, метиловый спирт выводился наружу. Преимуществом такой конструкции было то, что она не нуждалась в питании, не считая напора водопроводной воды, а пары метилового спирта в небольших количествах не токсичны. Недостаток состоял в том, что хладагент не использовался повторно. Совершив работу по охлаждению, он отправлялся в раковину. Эйнштейн и Сцилард полагали, что, благодаря низкой стоимости метилового спирта, это не отпугнет потенциальных покупателей.
В марте 1928 года компания Citogel представила устройство на весенней ярмарке в Лейпциге, дав ему название Volks-Kuhlschrank, или “народный холодильник”. Стоимость акций компании взлетела на 50 %.
Но народный холодильник не пошел в народ. Во-первых, метиловый спирт оказался дороже, чем прогнозировалось в бизнес-плане, а во-вторых, конструкция требовала стабильного давления в домашних водопроводных кранах. В 1920-х годах в Германии напор воды сильно отличался от здания к зданию и даже от этажа к этажу, в связи с чем люди, которые испытывали устройство, жаловались на его ненадежность. “Изобретение так и не вышло на рынок”, — отметил Сцилард.
Вернувшись к чертежной доске, Эйнштейн и Сцилард предложили самую впечатляющую идею — устройство, которое работало по принципу обычного холодильника, но имело компрессор революционного типа. Как мы помним, этот ключевой компонент нагревает газообразный хладагент и затем накачивает его в конденсатор, чтобы он мог испустить теплоту, которую поглотил в холодной внутренней части холодильника, в окружающую среду. В отличие от классического компрессора, который работал с использованием вращающихся металлических пластин, в устройстве Эйнштейна и Сциларда жидкий металл в герметично запечатанном цилиндре двигался под действием переменного электромагнитного поля, генерируемого электрической катушкой. Это движение питало компрессор. С точки зрения безопасности, преимущество заключалось в том, что все потенциально опасные вещества — хладагент и жидкий металл — постоянно пребывали в трубках и цилиндрах из нержавеющей стали. Не было никаких швов, где из-за повреждения могла возникнуть утечка.
Имея опыт работы в Патентном бюро в Берне, Эйнштейн в этом партнерстве отвечал за охрану интеллектуальной собственности и зарегистрировал в шести странах 45 патентов на холодильники различной конструкции. Работа ученых не осталась без внимания, поскольку в конце 1928 года Allgemeine Elektricitdts-Gesellschaft (немецкая “Всеобщая электрическая компания”, или AEG) предоставила инженерам в берлинской исследовательской лаборатории средства на создание опытного образца компрессора Эйнштейна — Сциларда. Компания также согласилась выплатить Сциларду отчисления по патенту и назначила ему гонорар за консультационные услуги в размере три тысячи долларов в год, что примерно соответствует сорока тысячам долларов сегодня. Сцилард положил деньги на общий счет, открытый совместно с Эйнштейном.
Эйнштейн с огромным интересом следил за созданием опытного образца в AEG. Он регулярно посещал лабораторию компании, и один из трудившихся над проектом инженеров, Альберт Короди, впоследствии вспоминал, как великий ученый более десяти раз приходил к нему в гости, чтобы обсудить ход работ. Как случается со всеми опытными образцами, сначала с компрессором возникли сложности: первые устройства работали слишком громко. Как выразился друг Сциларда Деннис Габор, компрессор “выл, как шакал”. Другой очевидец отметил, что он “завывал, как банши”. Инженер Короди проявил милосердие и сравнил звук его работы с “бегущей водой”. Впоследствии инженеры нашли способ сделать компрессор тише, и 31 июля 1931 года в исследовательском институте AEG в Берлине был запущен полностью функциональный опытный образец. Он работал без сбоев и потерь и был признан успешным.
Почему же в современных холодильниках не используются компрессоры Эйнштейна — Сциларда? Дело в том, что, пока AEG в Берлине вела работу над новым устройством, компания General Motors в своей исследовательской лаборатории в Дейтоне (Огайо) изобрела хладагент фреон. Поскольку фреон был значительно менее токсичен, чем хладагенты прошлого, производителям холодильников было гораздо дешевле перейти на него, чтобы повысить безопасность устройств, чем налаживать