Кроме сохранения единственного направления связи причины и следствия ограничение скорости гарантирует, что само понятие закона физики имеет смысл. Если бы объекты или силы могли перемещаться бесконечно быстро, мир впал бы в анархию. Яркий пример был обнаружен Полем Пенлеве, человеком, который как министр обороны и премьер-министр Франции в особенно мрачный период Первой мировой войны довольно хорошо был знаком с анархией. В безмятежные дни середины 1890-х гг. Пенлеве был скромным математиком. Один из его проектов состоял в применении закона тяготения Ньютона к плотным кластерам звезд. Пенлеве понял, что звезды, которые снуют одна вокруг другой, как пчелы в улье, могут собраться в такую безумную кучу, что законы физики будут не способны сказать, что произойдет после этого — непреодолимая проблема, известная как сингулярность.
Сингулярность — это любое место или событие, в которых физические величины становятся бесконечными, а законы природы сходят с ума. Центр черной дыры — это еще один пример, хотя по другим причинам. В случае, который описывает Пенлеве, одна из звезд могла бы улететь в открытый космос с бесконечной скоростью. Это уже плохо, но еще хуже то, что могло произойти то же самое, только наоборот. В любой момент новая звезда могла бы примчаться из бесконечно удаленного места подобно космическому захватчику, как позже выразился один философ. Если так, то законы физики не могли бы предсказать наверняка, что произойдет с кластером или вообще с чем-либо. Захватчик из космоса мог бы примчаться через всю Вселенную, украсть носки из вашей корзины для белья и вернуться домой прежде, чем вы что-либо поймете. Это гораздо хуже других примеров случайности в физике, потому что в данном случае невозможно даже присвоить вероятности возможным исходам.
Эта кажущаяся нелепость не ограничивается законами Ньютона. Некоторые типы полей также позволяют импульсам распространяться через них с бесконечной скоростью. Всякий раз, когда скорость становится бесконечной, расстояние в пространстве теряет всякое значение и мир превращается в недетерминистский, в нем правит не закон, а прихоть. Все, что физики пытались создать начиная со времен Древней Греции, рухнуло бы. Налагая ограничение на максимальную скорость, теория относительности восстанавливает закон и порядок, не говоря уже о том, что она охраняет вашу корзину для белья. Как сказал Стив Гиддингс, теоретик-ледолаз: «Все, что нелокально, потенциально может оказаться мусором». Относительность подтверждает старую интуитивную догадку о том, что нелокальность сделала бы Вселенную непостижимой.
Давайте подведем итог того, как обстояли дела накануне квантовой революции. В Античности философы убеждали себя в том, что объекты взаимодействуют, только сталкиваясь друг с другом. Во времена Ньютона они убеждали себя в том, что взаимодействие путем прямого контакта на самом деле не имело никакого смысла и что объекты должны воздействовать друг на друга на расстоянии. Затем с Майкла Фарадея началось еще одно изменение взглядов, которое достигло кульминации при Эйнштейне, и все решили, что объекты должны взаимодействовать локально. Даже Нильс Бор, который не соглашался с Эйнштейном во многом другом, назвал дальнодействие «иррациональным» и «абсолютно непостижимым».
Атомисты различали два аспекта локальности. Принцип локального действия гласит, что воздействия не перепрыгивают из одного места в другое, но проходят через все промежуточные точки. А принцип отделимости гласит, что каждый отдельный объект обладает своей независимой реальностью. У мира есть структура — вещи не сливаются вместе, образуя бесформенную массу. Электромагнитное, гравитационное и другие поля воплощают обе эти идеи, но таким образом, о котором античные атомисты не могли даже помыслить. Объекты могут взаимодействовать не только при соприкосновении, но также и путем непрерывного воздействия: за счет колебаний полей. Каждая точка поля является отдельным объектом сама по себе, существование которого — объективный факт, признаваемый всеми наблюдателями.
Если греческие философы, а позже и философы-механицисты полагали, что локальность самоочевидна, то Эйнштейн считал необходимым ее обосновать. Какой бы важной она ни была, с его точки зрения, он осмотрительно признавал ее предположением, о котором нужно судить по практическому успеху той системы взглядов, частью которой оно является. И эта система взглядов, несомненно, имела успех. То, насколько хорошо полевые теории работали сообща, утвердило локальность в обоих ее аспектах.
Итак, физики действительно думали, что на сей раз они правы. Однако как раз в момент своего триумфа принцип локальности — а с ним и вся классическая концепция пространства — подвергся новым нападкам со стороны возникшей тогда квантовой механики. Идея, которую философы и физики в течение двух с половиной тысячелетий пытались не допустить, — о том, что взаимодействия могут происходить, невзирая на оковы пространства, — все-таки нашла себе лазейку. Поскольку Эйнштейн так глубоко внедрил локальность в науку, ее новые трудности потрясли основы науки сильнее, чем когда-либо, и физики все еще расхлебывают последствия.
Необычное происхождение квантовой механики
«Квантовая механика была зачата во грехе», — говорит историк и философ Артур Файн из Вашингтонского университета. Если физики в телесериалах, таких как «Теория большого взрыва», показаны забавными чудаками, то отцы-основатели квантовой механики были эпическими фигурами, часто с измученными душами. Некоторые из них боролись с депрессией; один совершил самоубийство. Другой жил с женой и любовницей под одной крышей. Третий присоединился к нацистским штурмовикам. Они не гнушались извращением доводов конкурентов, чтобы добиться своего. Они признавали, что не знали, что делают, в половине случаев. При таком начале стоит ли удивляться, что споры не утихают до сих пор?
Эйнштейн был центральной фигурой в этой сумасшедшей драме. В учебниках его вклад в квантовую механику обычно сводится к единственному открытию, известному как фотоэффект, за который он получил Нобелевскую премию в 1921 г. Но его можно справедливо назвать отцом теории, и в течение десятилетия он фактически был единственным, кто верил в нее. Его цель сначала состояла в том, чтобы понять природу света. Начиная с Демокрита, затем при Аристотеле, Ньютоне и Томасе Юнге теоретики метались между представлением о свете как о волне и как о частице. В начатой в 1905 г. серии статей Эйнштейн уладил этот вопрос: свет является и тем и другим. Это звучит так же странно, как и мясник-вегетарианец. Как может свет быть одновременно распределен по гладкой волне и упакован в локализованные сгустки энергии?
Если отбросить очевидную несовместимость в терминах, двойственный характер света создал определенную проблему: он противоречил принципу локальности. Если бы свет был либо частицей, либо волной, было бы не о чем беспокоиться. Частицы скачут повсюду и взаимодействуют путем прямого контакта или, может быть, благодаря близкодействующим силам; волны распространяются через среду или поле в непрерывном движении. Атомисты выступали за частицы, сторонники теории полей были в восторге от волн, но все сходились в том, что свет локален. Но когда он ведет себя и как волна, и как частица, нелокальность кажется неизбежной. Причина состоит в том, что для сочетания этих двух видов поведения требуется высокая степень координации в пространстве. Эйнштейн и другие теоретики не сразу осознали эту нелокальность. Они считали локальность мира само собой разумеющейся; действительно, на их взгляд, реабилитация локальности была самым большим уроком физики XIX в., воплощенным в теории относительности. Но нелокальность прокралась в их сознание, когда они попытались и не смогли совместить двойственное поведение света с одной из старых теорий.
Например, предположим, что свет — это все-таки волна, но производит впечатление, что он частица, поскольку атомы поглощают энергию волны дискретными порциями. Большинство современников Эйнштейна приняло это описание. Но Эйнштейн очень рано увидел, что это противоречит тому, что физик Джон Крамер из Вашингтонского университета назвал «парадоксом пузыря». Волна распространялась бы от источника, как раздувающийся пузырь. Когда она достигает атома, пузырь лопается: волна разрушается и концентрирует всю свою энергию в одном месте, как морская волна, врывающаяся в узкую бухту. К тому моменту пузырь может быть огромным — разрушение волны внезапно произошло бы в обширной области пространства. Как удаленные друг от друга части пузыря узнали бы, что они должны прекратить распространяться дальше? Здесь должен быть задействован какой-то таинственный нелокальный эффект.
Другой вариант: предположим, что свет — это все-таки частица. Если свет иногда и похож на волну, то только потому, что частицы колеблются в унисон, как зрители, исполняющие «волну» на стадионе. Таково было изначальное интуитивное ощущение Эйнштейна. Но он быстро понял, что это должно противоречить наблюдениям. Частицы света, существующие независимо, могли объяснить коротковолновую часть светового спектра, но не длинноволновую. В случае длинных волн частицы не могут быть независимыми; какое-то внешнее влияние должно было бы заставить их колебаться в унисон.
В качестве третьего варианта Эйнштейн предположил, что у света может быть два отдельных компонента: один компонент может быть частицей, а другой — волной, и каждый из них подчиняется принципу локальности. Частицы переносят излучаемую энергию, в то время как призрачное «направляющее поле», не обладающее собственной энергией, переносит частицы подобно тому, как волна в океане переносит серфингиста. Бор тоже рассматривал одну из версий этой идеи. Однако двухкомпонентная теория света работала не так, как было задумано. Чтобы сохранять полную энергию частиц постоянной, направляющее поле не могло вести каждую частицу по отдельности — если бы оно подтолкнуло одну частицу посильнее, то должно было бы замедлить какую-то другую частицу для сохранения баланса. Таким образом, волна должна действовать всюду сразу, т.е. она обязана быть нелокальной.