В теоретической физике, среди прочего, пьянит вероятность, что какая-нибудь твоя мысль окажет мощное воздействие на то, как все мы думаем или даже как живем. Да, предмет требует многих лет на изучение и понимание, а также на постижение его методов и вопросов. Да, многие задачи, за которые берешься, как выясняется, нерешаемы. И да, большинство возникающих соображений оказываются чепухой, а в большинстве случаев приходится месяцами корпеть даже над малюсеньким шажком в гораздо более масштабном труде. Разумеется, если вы собрались быть физиком-теоретиком, вам пригодится упрямство и настойчивость – и способность упиваться даже маленькими открытиями, математическими мелочами, которые оказываются как по волшебству действенны и раскрывают вам тайны природы, о которых, пока ваша работа не будет опубликована, знаете лишь вы один. Но всегда есть и другая вероятность: вы можете удумать или же наткнуться на мысль столь мощную, что она окажется не маленькой тайной природы, а тем, что изменит взгляд на действительность не только у ваших коллег, но и, возможно, у всего человечества. Именно такого рода мысли возникли у Эйнштейна трижды – за один год работы в патентном бюро.
Из трех предложенных им потрясших мир теорий Эйнштейн более всего известен теорией относительности. Его работа в этой области перевернула наши представления о пространстве и времени и показала, что они близко связаны друг с другом, количественные измерения и того, и другого не абсолютны, а зависят от характеристик движения наблюдателя.
Закавыка, с которой взялся разбираться Эйнштейн, – парадокс, происходящий из Максвелловой теории электромагнетизма, предполагавшей, что все наблюдатели, измеряющие скорость света, придут к одному и тому же результату, независимо от их собственной скорости относительно источника света.
Чтобы понять, почему вышеприведенное утверждение противоречит нашему повседневному опыту, произведем простой мысленный эксперимент в духе Галилея. Вообразите торговца закусками на перроне железнодорожной станции и проносящийся мимо поезд. Если пассажир этого поезда бросит вперед мяч (или любой материальный предмет), он покажется торговцу летящим быстрее, чем брошенный торговцем – с той же силой. Это оттого, что, с точки зрения торговца, мяч в поезде движется со скоростью, которую ему придал пассажир поезда, плюс скорость самого поезда. А вот свет, зажженный вспышкой на поезде, согласно теории Максвелла, быстрее перемещаться не будет. И пассажиру, и торговцу на перроне покажется, что свет распространяется с одной и той же скоростью. Физику, желающему все свести к какому-нибудь закону, требуется объяснение этого явления.
Какой закон отличает свет от материи? Физики годами ломали голову над этим вопросом, и популярнее прочих был подход, рассматривавший к тому времени неведомую субстанцию, через которую распространяется свет. Но у Эйнштейна были иные соображения. Объяснение не прячется в некоем неизвестном свойстве распространения света, понял он, а в понимании скорости. Поскольку скорость есть расстояние, деленное на время, рассуждал Эйнштейн, утверждая, что скорость света неизменна, теория Максвелла сообщает нам, что при измерении расстояния и времени нельзя достичь единства мнений. Нет ни универсальных часов, ни универсальной линейки, как доказал Эйнштейн, – любые такие измерения зависят от движения наблюдателя, то есть необходимо, чтобы все наблюдатели измеряли одну и ту же скорость света. Каждый из нас наблюдает и измеряет нечто, соответствующее нашему личному взгляду, не более, а не действительность, насчет которой достигнуто всеобщее согласие. Вот что такое, по сути, Эйнштейнова специальная теория относительности.
Теория относительности потребовала не замены Ньютоновой теории, а, скорее, ее видоизменения: Ньютоновы законы движения необходимо было подправить и с удобством обустроить в новой модели Эйнштейновых времени и пространства, согласно которой результаты измерений зависят от скорости измеряющего. Для предметов и наблюдателей, движущихся сравнительно медленно относительно друг друга, теория Эйнштейна, по сути, эквивалентна Ньютоновой. И лишь когда рассматриваемые скорости приближаются к скорости света, эффекты относительности делаются заметными.
Поскольку необычные эффекты относительности проявляются лишь в чрезвычайных условиях, на нашу повседневную жизнь они влияют гораздо меньше, чем квантовая теория, объясняющая саму стабильность атомов, из которых мы состоим. Но никто в те времена не знал, до чего далеко идущими у квантовой теории окажутся следствия, а между тем теория относительности произвела на сообщество физиков эффект землетрясения: в Ньютоновом мировосприятии, формировавшем науку на протяжении двухсот с лишним лет, наметилась первая трещина.
Теория Ньютона основывалась на том, что объективная действительность у нас одна. Пространство и время образуют неизменную структуру – сцену, на которой разворачиваются события мира. Наблюдатели пусть наблюдают откуда угодно, двигаясь или нет, видеть они будут одну и ту же пьесу, подобно Богу, что глядит на нас извне. Относительность противоречила этой установке. Утверждая, что нет никакой единой пьесы, – то есть, применительно к нашей повседневной жизни, действительность, переживаемая нами, у каждого своя личная и зависит от того, где мы находимся и как движемся, – Эйнштейн взялся рушить Ньютонов мир так же, как Галилей взялся за снос Аристотелева.
Работы Эйнштейна оказали важное влияние на культуру физики: они придали смелости не одному поколению новых мыслителей и упростили им решение дерзать и возражать старым представлениям. К примеру, книга по теории относительности, которую Эйнштейн написал для школьников, вдохновила Вернера Гейзенберга [Хайзенберга], с которым мы скоро познакомимся, податься в физику, а подход Эйнштейна к относительности наделил Нильса Бора, с которым мы тоже вскоре встретимся, храбростью вообразить, что атом может подчиняться законам, радикально отличным от тех, что правят нашей повседневной жизнью.
Как ни странно, из всех великих физиков, принявших и понявших Эйнштейнову теорию относительности, менее всех впечатлился сам Эйнштейн. По его мнению, он призывал не отринуть Ньютонов взгляд на мир, а лишь слегка его подправить, и поправки эти очень мало сказывались на почти любых экспериментальных наблюдениях того времени, однако, что важно, исправляли недочет в логическом устройстве теории. Более того, математические изменения, необходимые для того, чтобы Ньютонова теория не противоречила теории относительности, внести было довольно просто. И потому, тогда как Эйнштейн позднее сочтет квантовую теорию концом Ньютоновой физики, по словам физика и биографа Абрахама Пайса, он «считал теорию относительности никакой не революцией»[348]. По Эйнштейну, работа по теории относительности – наименее значимая из его трудов 1905 года. Куда фундаментальнее, с его точки зрения, были две другие его статьи – об атоме и о кванте.
Работа Эйнштейна, посвященная кванту, анализировала явление броуновского движения, открытое старым другом Дарвина Робертом Броуном в 1827 году. «Движение», о котором идет речь, – загадочные, случайные блуждания крошечных частиц вроде зернышек пыльцы в воде. Эйнштейн считал это движение результатом высокочастотной бомбардировки плавающей частицы субмикроскопическими молекулами. Хотя отдельные столкновения недостаточны, чтобы спихнуть частицу с места, Эйнштейн доказал, что статистически количество и частота, с которой дергается наблюдаемая частица, могут быть объяснены тем, что очень редко, по чистой случайности, гораздо больше молекул ударяют частицу с какой-нибудь одной стороны и таким образом сообщают ей нужный для движения импульс.
Эта работа мгновенно стала сенсацией – и до того яркой, что даже заклятый враг понятия атома Оствальд после чтения работы Эйнштейна признал, что атомы существуют. Великий поборник представления об атоме Больцман, с другой стороны, по необъяснимым причинам не узнал ни о работе Эйнштейна, ни о перемене настроений, которая возникла в результате. Отчасти от отчаяния из-за отклика на его собственные работы он на следующий же год совершил самоубийство. Это тем более печально, потому что, благодаря статье Эйнштейна по броуновскому движению и той, что он написал в 1906 году, физики наконец согласились с подлинностью предметов, которые не могут ни потрогать, ни увидеть, – именно это без особого успеха проповедовал сам Больцман аж с 1860-х годов.
За три десятилетия ученые, применив новые уравнения, описывающие атом, подошли к возможности объяснять глубинные законы химии и, наконец, растолковать и доказать представления Дальтона и Менделеева. Взялись они и за работу над воплощением мечты Ньютона о постижении свойств материалов на основании анализа сил, что действуют между частицами, составляющими их, то есть атомами. К 1950-м годам ученые продвинутся еще дальше и применят знание атома к более глубокому пониманию биологии. А во второй половине ХХ века теория атома проложит путь технологической, компьютерной и информационной революциям. Начавшись с анализа движения частицы пыльцы, новое знание превратится в инструмент, который преобразит современный мир.
Законы, на которых зиждутся все перечисленные практические начинания, и уравнения, описывающие свойства атома, не могли бы, тем не менее, возникнуть из классической физики Ньютона – и даже из поправленной «релятивистской» формы его не могли бы. Описание атома требовало новых законов природы – квантовых, и именно квант стал предметом второй революционной статьи Эйнштейна в 1905 году.
В той статье под названием «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света»[349] Эйнштейн взял представления Планка и вывел из них глубокие физические принципы. Эйнштейн осознавал, что, как и теория относительности, квантовая теория – вызов Ньютону. Но тогда квантовая теория еще никак не намекала ни на масштаб этого вызова, ни на ошеломляющие философские последствия, которые возникнут при дальнейшем ее развитии, и потому Эйнштейн не понимал, во что он вдохнул жизнь.