Каковы же были прежние теории, с которыми Эйнштейн, как и многие другие физики, успел свыкнуться (хотя другие ученые в это время уже вовсю работали над тем, чтобы коренным образом все переменить)? В эйнштейновской молодости (и даже когда ему уже было за 30 и он так многого достиг благодаря своим идеям, позволившим ему вывести гениальное уравнение G = T) мыслители полагали: при рассмотрении любых объектов, больших или малых, можно отыскать четкие законы, объясняющие характер их движения. Но в начале XX века появлялось все больше свидетельств в пользу того, что это не так, хотя многие ученые собратья Эйнштейна поначалу лишь с большой неохотой признавали и соглашались с подобными предположениями.
Вот один пример. В 1908 году, работая в Манчестере, самонадеянный молодой исследователь – новозеландец по имени Эрнест Резерфорд – обнаружил нечто странное и непонятное. Он стрелял крошечными частицами по тончайшим слоям вещества (состоящим, разумеется, из атомов), и хотя большинство таких снарядов спокойно пролетало слой насквозь (или отклонялось от курса на несколько градусов), нашлось некоторое количество частиц, которые отскакивали назад.
«Пожалуй, это стало самым невероятным событием в моей жизни, – писал Резерфорд. – Почти таким же невероятным, как при стрельбе 15-дюймовыми ядрами по листу бумаги получить удар в лоб от отскочившего ядра».
Открытие Резерфорда бросало вызов сложившимся представлениям о том, как должны вести себя субатомные частицы. Но такой рикошет все-таки не положил конец воззрению, согласно которому все в мире можно понять с предельной точностью и определенностью. После всего нескольких недель смущения Резерфорд пришел к выводу, что полученные им результаты означают следующее: внутри атома нет какого-то «случайного хаоса», на самом деле там просто имеется нечто очень твердое. Он понял, что эту твердую частицу в центре атома можно представить себе как своего рода миниатюрное солнце. А вокруг него летают миниатюрные планеты – электроны, чья масса гораздо меньше, чем масса этого «солнца». Те частицы, которыми он обстреливал атомы, по большей части попадали в пустое пространство между крошечными «планетами», но иногда тот или иной снаряд попадал в прочное «солнце» в центре (он назвал этот объект ядром атома), и тогда такие частицы отскакивали назад.
Это было утешительное и привычное объяснение: микромир устроен и действует просто как миниатюрная копия макромира, и мы, люди, живем на планете, находящейся в большой Солнечной системе, а внутри нас имеется множество куда более мелких «солнечных систем», представляющих собой атомы, из которых мы состоим и в которых электроны вращаются вокруг центра – ядра. Ничто в этой гипотезе не нарушало устоявшегося представления о прогрессе науки: проводя все более углубленный анализ и применяя все более мощные инструменты, ученые продолжают с абсолютной точностью наблюдать явления природы, независимо от того, заберутся ли они в глубь материи или отправятся в далекий космос.
А потом, в 1912–1913 годах, датский ученый Нильс Бор выяснил еще более тонкие подробности насчет атомных миниатюрных «солнечных систем». Резерфорд походил на типичного крепкого новозеландского фермера. Бор очень отличался от него внешне. У него была огромная голова и необычайно большие зубы. Когда они с братом еще пребывали в младенческом возрасте, какой-то прохожий (по семейной легенде) вслух посочувствовал его матери, которую судьба наделила столь уродливыми детьми. Однако впоследствии Бор прекрасно играл в футбол. На защите его диссертации сотрудники факультета Копенгагенского университета не без смущения осознали, что многие из присутствующих – это попросту другие футболисты, явившиеся поддержать своего выдающегося товарища по команде. Брат Нильса, еще более одаренный спортсмен, стал звездой национальной олимпийской сборной. По некоторым сведениям, когда Нильс получил Нобелевскую премию, в одной спортивной газете появился заголовок: «Брату футбольной знаменитости присуждена премия по физике».
Нильс Бор на отдыхе в Норвегии, (1933 г.)
Бор очень плохо говорил – обычно он что-то медленно мямлил. Но он был добрейшим человеком, с глубоким творческим умом и всегда наслаждался общением с друзьями, разделявшими его способность смотреть на жизнь с неожиданной стороны. В ту пору, когда Нильс Бор начал заниматься орбитами электронов, он учился вместе с Эрнестом Резерфордом и жил в манчестерском пансионе. Студенты, обитавшие там, заподозрили, что их хозяйка использует недоеденное в воскресенье жаркое, пуская его в блюда, подаваемые несколько дней или даже недель спустя, что делает эти блюда совершенно несъедобными. Один из студентов, венгр Дьёрдь де Хевеши, после некоторых раздумий решил сбрызнуть остатки их воскресной трапезы радиоактивным маркером из лаборатории Резерфорда. Пару дней спустя они тайком притащили в пансион прибор, действующий по принципу счетчика Гейгера, и убедились, что их подозрения справедливы. Бор и де Хевеши стали друзьями на всю жизнь (кстати, спустя годы де Хевеши удостоился Нобелевской премии как раз за работу с радиоактивными маркерами).
Занимаясь изучением строения атомов, Бор сделал открытия, которые не укладывались в рамки традиционной «рациональной» физики. Выяснилось, что электроны все-таки не могут вести себя как «планеты миниатюрной солнечной системы», которые воображал Резерфорд. Если электрон начнет вращаться вокруг ядра, он вскоре свалится на него, и в конечном счете все атомы схлопнутся. Но поскольку мы, и наша планета, и основная часть Вселенной состоим из атомов, которые отнюдь не схлопнулись (ведь наши тела пока не съежились в кучку сверхплотных частиц праха), должно происходить что-то еще – что-то такое, что удерживает носящиеся вокруг ядра электроны в состоянии относительной стабильности.
Но и эту странную особенность орбит электронов можно было, подобно открытому Резерфордом ядру, объяснить в более или менее привычных и традиционных понятиях. Бор предположил, что электроны вращаются по фиксированному набору возможных орбит и не в состоянии произвольным образом «соскальзывать» ближе к центру – ядру. В своих перемещениях такого рода они ограничены крошечными «скачками» от одной конкретной орбиты к другой. Это как если бы Нептун мог внезапно очутиться несущимся вокруг Солнца где-нибудь рядом с Землей (или, скажем, рядом с Марсом или другой планетой), однако никогда не мог бы оказаться в других участках Солнечной системы. Подобные перемещения (как и концепцию Резерфорда) поначалу многим было нелегко понять, но когда ученые все-таки приняли эту идею, оказалось, что картину происходящих явлений можно описать в мельчайших деталях: «внутреннего предела» детализации не возникнет. Перемещения электронов назвали квантовыми скачками: термин подчеркивает, что они происходят дискретно (то есть что электроны могут перемещаться лишь на некоторые фиксированные расстояния).
Да, это создавало натяжки в (уже классическом) представлении, которое некогда предложил Эйнштейн, однако все же не нарушало его. Собственно, Эйнштейна можно считать главным игроком во многих из этих первых научных достижений по части сверхмалых объектов, игроком настолько важным, что даже Нобелевскую премию ему присудили не за его «крупномасштабные» исследования (не за специальную и общую теории относительности), а за работу 1905 года, где он показал, каким образом свет может одновременно являться и потоком частиц, и волной (эту идею назовут корпускулярно-волновым дуализмом). Представив свет как поток частиц (их назвали фотонами), легко объяснить, почему свет выбивает электроны из металлов (то есть фотоэффект). Широким кругам общественности эта идея казалась просто еще одним свидетельством его гениальности, но для Эйнштейна она стала вполне ожидаемой и естественной: Вселенная устроена упорядоченно, и человеческому рассудку вполне по силам выявить ее упорядоченность.
Десятилетие спустя после первой работы о фотонах, на волне вдохновения после открытия в Берлине соотношения G = T, Эйнштейн продолжил свои ранние разработки, касающиеся субатомных частиц. Летом 1916 года, отдыхая после изнурительных исследований, приведших к открытию его гениального соотношения, он подробнее описал, каким образом электроны, которые обычно не могут слететь вниз с «более высоких» орбит вокруг ядра, иногда могут прийти в возбужденное состояние, если их облучить дополнительной порцией света. Когда же они теряют энергию, то падают на более низкую орбиту, излучая при этом свет, подобно Люциферу, низринувшемуся с небес. Это может привести к своего рода цепной реакции, только в данном случае порождающей не гибельный атомный взрыв, а просто чистый и полезный свет.
Эйнштейн не мог сконструировать аппарат, где длительное время шел бы такой процесс: в Берлине времен Первой мировой плохо было с оборудованием. Но за такой процесс усиления света посредством стимуляции излучения (Light-Amplifi cation through the Stimulated Emission of Radiation, отсюда позже возникло сокращение «лазер») в конце концов ухватились его собратья-ученые. В своей краткой и как будто даже легкомысленной статье на сей счет Эйнштейн, по сути, изложил главные принципы динамики лазера – устройства, лежащего в основе современной волоконно-оптической связи, без которой не смог бы работать Интернет. А поскольку он не знал, когда происходят такие перескоки электронов, он небрежно заметил в своей статье, что следует, по-видимому, учитывать вероятность таких беспричинных скачков.
Оставался важнейший вопрос: будут ли эти идеи (насчет фотонов, электронов, ядра и других субатомных объектов) по-прежнему вписываться в ту определенность, которую наука со времен Галилея и Ньютона обнаруживала в мире? Эйнштейн полагал, что они должны в нее вписываться. Однако его убеждениям в том, что Вселенной правят четкие и логичные принципы, все больше противоречили новейшие исследования. Так, ему не нравилось, что он (по крайней мере, в своих исходных выкладках) не мог точно определить, какие именно электроны первыми окажутся выбитыми со своих орбит. «Слабость этой теории, – писал он в сообщении о своих изысканиях, – коренится… в том факте… что она оставляет на волю «случая» продолжительность и направление этих элементарных актов».