Но тогда его не очень беспокоил элемент случайности, вкравшийся в его теорию светового излучения, порождаемого «падением» электронов. Во многих других областях мы вполне довольствуемся статистическим средним: скажем, определяя высоту новобранцев во французской и германской армиях или же цвет листьев в лесу в определенное время года. И это не значит, что мы находимся под гнетом случайности. Мы знаем, что, вглядевшись пристальнее, сумеем вычленить последовательность событий, которые привели к тому, что каждый конкретный рекрут обладает именно таким ростом, а каждый конкретный лист – именно такой окраской. По общепринятому мнению, отступление на позиции статистики и теории вероятностей не носит фундаментального характера: это просто удобное допущение, полезное при работе с большими объемами данных, когда мы не в состоянии детально разобраться в причинно-следственных связях, которыми обусловлено поведение каждого конкретного объекта. По мере того, как мы будем узнавать больше, вероятности сами собой исчезнут из наших результатов.
Эйнштейн придерживался именно таких взглядов – и полагал, что случайность в конце концов удастся изгнать из его теории. Вот почему он поставил слово «случай» в кавычки. Он понимал, что в рамках его расчетов удобно рассуждать о вероятностях различных видов электронных переходов. Но в глубине души он оставался «классическим» физиком и считал, что, найдись у нас время на изучение всех подробностей, мы, без всякого сомнения, увидели бы, что каждый такой переход обусловлен простыми, ясными и четкими причинами. «Главная штука, которую тут над нами сыграл Вечный Загадчик, – говорил Эйнштейн своему другу Бессо, – пока еще совершенно нами не понята».
Эйнштейн верил, что великие загадки Вселенной можно разгадать логическим путем. Однако к середине 1920-х годов стали поступать все новые и новые результаты, которые, казалось бы, нарушали обещанную ясность, что и привело к столкновению Эйнштейна со своими коллегами-физиками, занимавшимися изучением сверхмалых объектов: эта новая область в то время как раз начала бурно развиваться.
По мере развития субатомных исследований в 1920-е годы становилось все очевиднее, что микромир устроен согласно весьма неожиданным законам. Хотя простые атомы (скажем, атом водорода) покорно следовали боровским принципам, в атомах более сложных (углерода, золота, алюминия) электроны, похоже, вели себя совершенно иначе. Арнольд Зоммерфельд и другие физики предпринимали попытки как-то подлатать теорию, чтобы все в атоме действовало традиционным образом. Например, предлагалось принять, что электроны вращаются вокруг ядра не совсем как планеты вокруг Солнца, аккуратными кругами, лежащими в одной плоскости, а по эллипсам – или же следуя сложным трехмерным траекториям. Но это были только жалкие потуги.
В 1924 году Макс Борн, друг Эйнштейна, профессор знаменитого Гёттингенского университета, сообщил своим лучшим дипломникам и преподавателям-ассистентам, что с него довольно полумер: он хочет разработать теорию, которая объяснит все существующие нестыковки и неясности. Борн был почти ровесником Эйнштейна, и было логично ожидать, что он воспротивится этим неожиданным новооткрытым явлениям, столь отличающимся от всего, чему его учили. Но Борн, обладавший мощным интеллектом, все же как ученый по уровню был ниже Эйнштейна. Впрочем, в данном случае это оказалось даже преимуществом: он не так цеплялся за свои былые достижения, как Эйнштейн. Для Эйнштейна невероятно плодотворным оказался именно классический подход. Борн практически ничего не терял, переходя на совершенно иные позиции.
И Борн, и его студенты знали, что Исааку Ньютону удалось понять механику крупномасштабного, видимого мира, в котором мы живем: мира деревьев, лун, планет, могучих паровозов (которых, впрочем, при Ньютоне еще не изобрели). Теперь же Борн настаивал: задача сегодняшних физиков – проделать то же самое для микромира, где происходят эти удивительные крошечные квантовые скачки. И назвать новую науку (если ее удастся создать) следует квантовой механикой.
Годом позже, в 1925-м, самый талантливый из борновских преподавателей-ассистентов, привлекательный, светловолосый и весьма нервный 24-летний юноша по имени Вернер фон Гейзенберг сумел решить поставленную Борном задачу. Он относился к числу поклонников немецкого романтизма и обожал путешествовать по баварским Альпам в компании мускулистых молодых людей, мечтательно любуясь закатами. После нескольких месяцев работы юношу посетило вдохновение. И вот все его догадки сложились в единое целое. Это произошло ночью, на североморском острове Гельголанд. На эти чистые, продуваемые ветром берега он сбежал, прячась от сенной лихорадки, преследовавшей его на материке.
Гейзенберг добился успеха, оставив всякие попытки выяснить, каким именно образом электроны летают в атоме – по эллипсам, или же высоко возносясь над «северным полюсом» ядра, или же как-то еще. Он знал, что Эйнштейн, его кумир, сделал выдающиеся открытия в области теории относительности, просто определяя, что мы можем измерить касательно того или иного события, и не всегда стремясь при этом вообразить себе подробности того, почему процесс идет именно так (вспомним пробуждение в падающем лифте или умение разглядеть, как невинный кусок радия лучится чистой энергией).
Вернер фон Гейзенберг (1926 г.), год спустя после своего ключевого открытия, сделанного на ветреном острове Гельголанд
Теперь же, для своих собственных целей, Гейзенберг составлял списки всего, что физики могли бы наблюдать, изучая, как электроны при различных условиях порождают свет. Ученые бомбардировали светом атомы (в состав которых входили исследуемые электроны) или каким-то иным образом «тревожили» их. Результаты наблюдений оказывались различны. Гейзенберг намеревался просто записать то, что «входит» в атомы и «выходит» из них, а затем связать то и другое простейшими математическими операциями.
Вот одна простая аналогия. Представьте, что вы отмечаете, в каких костюмах большая труппа актеров спешит за кулисы в антракте (скажем, во время какой-нибудь масштабной оперетты, которые были тогда очень популярны в Берлине), а потом выясняете, как это соотносится с тем, в какой одежде они окажутся, выходя на сцену в начале следующего действия. Понятно, что здесь должны обнаружиться какие-то четкие закономерности. Посмотрев спектакль несколько вечеров подряд, можно заключить, что женщины, одетые принцессами, обычно предстают в следующем акте пейзанками (если сюжет переносится из дворца в деревню). Такой анализ, конечно, имеет свои ограничения, но в рамках подхода, выработанного Гейзенбергом, этого оказывалось достаточно. Незачем предпринимать утомительные попытки разобраться в отдельных переодеваниях, торопливо происходящих за сценой: мы измеряем лишь то, что способны наблюдать, глядя на то, в каких нарядах актеры появляются из-за кулис, и не задумываясь о том, какие причины побудили этих лицедеев переодеться.
Метод, разработанный Гейзенбергом, не так уж отличался от описания электронных переходов и их вероятностей, которым занимался Эйнштейн при работе над прототипом лазера в 1916 году. На входе – один набор фотонов, на выходе – другой. Не трудно провести их измерение и наловчиться с неплохой точностью предсказывать, как один набор приводит к появлению другого. Можно проделать это с опереттой, а можно – с электронами. Что-то подобное как раз и предпринял Гейзенберг в своих гельголандских расчетах 1925 года. Он рассуждал так: сведем в единую таблицу ряд событий, которые могут происходить внутри атома, и на ее основе проведем обсчет спектральных линий, которые мы при этом наблюдаем. Он не собирался строить предположения о том, что «на самом деле» творится внутри атомов и «на выходе» порождает наблюдаемые нами явления. А вдруг происходящее внутри атомов вообще непознаваемо, или же это слишком сложные процессы, которые мы пока не способны понять. Неважно. Сейчас он не собирается об этом думать.
Так Гейзенберг добился того, чего не сумели достичь его старшие коллеги-физики, тоже занимавшиеся этой проблемой. Великое открытие, какие случаются раз в жизни, лежало перед ним на столе в виде разрозненных заметок. («Было почти три часа ночи… но я перевозбудился и никак не мог заснуть», – позже вспоминал он.) Взволнованный Гейзенберг пешком отправился на южную оконечность острова Гельголанд, вскарабкался на скалу, глядящую на просторы Северного моря, и (подобно Эйнштейну и его друзьям на одной вершине близ Берна 20 лет назад) стал смотреть, как поднимается над горизонтом солнце – торжественно и неуклонно. Строгая, четкая и точная причинность столетиями правила миром. Теперь же Гейзенберг, намеренно ограничившись лишь «внешними» измерениями (он полагал, что Эйнштейн поступал точно так же), заявил: наша задача вовсе не состоит в том, чтобы строить догадки о происходящем «внутри». Эта идея Гейзенберга произвела настоящий переворот в науке. Считается, что именно с нее началось развитие новой, квантовой механики.
Вернувшись в континентальную Германию, он всем рассказал о своем открытии. Он говорил: пока вы не думаете о подробностях происходящего внутри атома, можно делать удивительно точные прогнозы насчет света, испускаемого этим атомом. С XVII века, со времен великого Исаака Ньютона, вся наука строилась на предположении, что каждый наблюдаемый нами процесс можно (по крайней мере, в принципе) прояснить во всех подробностях. И вот теперь Гейзенберг утверждал: нет, это не обязательно так.
Макс Борн, некогда возглавлявший факультет, где учился Гейзенберг, во многом принял этот новый подход, поскольку результаты, полученные его бывшим студентом, отличались впечатляющей точностью. А вот Эйнштейн – нет. Однако он находился в дружеских отношениях со всем семейством Борнов, и ему следовало вести себя деликатно. В намеренно двусмысленных и обтекаемых выражениях он написал жене своего друга Макса: «От идей Гейзенберга – Борна у всех захватило дух. Они произвели на нас глубокое впечатление».