цепции – даже, как мы увидим, в концепцию многослойной архитектуры и стратегию подхода к проблеме разрыва между психикой и мозгом.
Как ни странно, к середине XIX века химики уже приняли и взяли на вооружение атомную теорию, согласно которой все вещества состоят из атомов, а физики по-прежнему спорили о ней. Среди прочих ломал над этим голову и австрийский физик Людвиг Больцман. Его главной заслугой считается создание кинетической теории, где газ определяется как совокупность множества атомов или молекул, которые находятся в состоянии хаотического, неупорядоченного движения – постоянно перемещаются, сталкиваясь друг с другом и стенками сосуда. Больцман преобразовал идеи Гассенди XVII века в точную науку – сейчас этот раздел называется статистической механикой. С учетом типов и положения молекул кинетическая теория объясняла наблюдаемые макроскопические свойства газов – давление, температуру, объем, вязкость и теплопроводность.
Одним словом, Больцман сделал открытие огромной важности, что позволило впоследствии определить неупорядоченность системы (энтропию) как совокупный результат движения молекул. Он утверждал, что при таком неконтролируемом хаотическом движении атомов второй закон имеет смысл не в прямолинейном детерминистском толковании, в только в статистическом. Иначе говоря, перемещения той или иной частицы предвидеть невозможно. От сближения с той курткой моя система в целом стала менее упорядоченной. Как говорил Майкл Корлеоне, «ничего личного, только бизнес».
Больцман спровоцировал бурные дискуссии в сообществе физиков, по-прежнему полагавших, что во вселенной все предопределено и подчинено законам Ньютона. Они были твердо убеждены в нестатистической природе вселенной, где отлично работают простые прогнозы. В итоге теория Больцмана не раз подвергалась жесткой критике. К большому сожалению, это ввергло его в состояние фрустрации и в депрессию, и в 1906 году, поехав с семьей отдохнуть в окрестностях Триеста, он свел счеты с жизнью – незадолго до того, как его теория получила полное и безоговорочное признание.
Законы статистики по сей день приводят физиков в замешательство. Начать с того, что ньютоновские законы симметричны относительно времени, а стало быть, обратимы. Конечно, в детерминистском мире, описанном Ньютоном, то, что продвинулось вперед, точно так же может вернуться назад. Статистические законы, очевидно, работают иначе. Как событие может быть обратимым, если оно происходит не обязательно, а лишь с некоторой вероятностью? Не может, и на первый взгляд эти две точки зрения на реальность противоречат друг другу. Чтобы урегулировать расхождения, требовалось новое мышление. Атомная физика давалась ученым с трудом, но, проникнувшись ее идеями, они стали развивать эту область науки и активнее изучать открывшийся им новый мир. В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон, не откладывая дело в долгий ящик, открыл и описал первую элементарную частицу – электрон. Великий физик Томсон был еще и великолепным учителем. Мало того что он сам за свои выдающиеся заслуги удостоился рыцарского звания и Нобелевской премии – лауреатами Нобелевской премии за собственные достижения в науке стали также восемь его учеников, среди которых был не только его сын, но и великий Нильс Бор, который в конце концов выдвинул теорию дополнительности. Но я опережаю события. Прийти в согласие с новым миром удалось лишь после определенных дискуссий.
Мысли об энтропии и втором законе термодинамики не оставляли Макса Планка, немецкого физика-теоретика. Поначалу он верил в абсолютную достоверность, а не в расплывчатую статистическую версию второго закона, которую отстаивал Больцман. Рьяный сторонник ньютоновской механики, Планк тем не менее осознавал сложности, связанные с энтропией, поскольку идея возрастающей энтропии таила в себе весьма неприятный факт необратимости. Собственно, Планк не возражал против необратимости, но хотел, опираясь на классические законы, вывести строгое обоснование закона энтропии, которое оправдывало бы необратимость. Как и большинство физиков, он всячески стремился выстроить цельную физическую теорию, объясняющую все. А ломать устоявшиеся концепции очень нелегко.
Возможность представилась в 1894 году, когда Планку поручили важное задание – оптимизировать лампочки так, чтобы получить максимальный световой поток при минимальных энергозатратах. Для этого ему пришлось заняться отдельной проблемой – излучением черного тела. Мы можем наблюдать это явление у походного костра. Если подержать в огне металлический шампур, его кончик покраснеет. Раскалившись еще сильнее, металл поменяет цвет с красного на желтый, потом побелеет, а затем станет голубым. По мере прогревания внутренних слоев его поверхность начинает испускать электромагнитное излучение в виде света – так называемое тепловое излучение. Чем горячее металл (чем выше его внутренняя энергия), тем короче длина волны (и выше частота излучения), поэтому и меняется его цвет. Вскоре физики сформулировали концепцию «абсолютного» излучателя и поглотителя – некоего идеализированного тела, которое, будучи холодным, полностью поглощает весь попадающий на него свет и потому кажется черным.
Такой идеализированный объект называется черным телом, а исходящее от него излучение – излучением черного тела. Классические законы физики не позволяли точно оценить количество и частоту излучения, испускаемого таким черным телом. Для низких частот (красного света) законы Ньютона работали удовлетворительно, но для волн с более высокими частотами никакие прогнозы не оправдывались. После множества неудачных попыток применить классическую физику Планк скрепя сердце обратился к статистической трактовке энтропии. Когда он ввел понятие «элементов энергии» и установил, что энергия – это «дискретная величина, состоящая из целого числа конечных равных частей»[12], ему удалось составить уравнение, которое хорошо описывало излучение черного тела.
Ни сам Планк, ни кто-либо еще тогда не понимал, что в основе его закона излучения лежит совершенно новая концепция, принципиально иной взгляд на природу. Это была первая попытка заглянуть в квантовый мир. Кроме того, открытие Планка показало, что не существует ни единого фундаментального свода законов, ни единой модели вселенной. Можно сказать, он вбил последний гвоздь в крышку гроба ньютоновской теории о детерминированности всего на свете.
Любопытно, что сам Планк не вполне был доволен точностью своего закона излучения, а идея о квантах энергии, как он выразился, была «чисто формальной гипотезой, на самом деле я не придавал этому большого значения»[13]. Но идеологически новой, попутно возникшей мыслью, которой он сам до конца не осознал, хотя и использовал ее как математический прием, было то, что микро- и макроскопические системы ведут себя по-разному. Вот это да! Планк невольно выбил кирпич из основания своей любимой мечты – найти универсальное объяснение всему. Мало того, что квантовая теория изменила представления людей о вселенной – стало очевидно также, что существуют два слоя реальности, каждый со своей терминологией и жизнеустройством. Как и в любой сложной системе, каждый слой имеет свой протокол – на атомном уровне действуют статистические законы, а более крупные системы функционируют так, как описывал Ньютон. Не располагая теорией многослойной архитектуры, эпистемологи зашли в тупик. Поднялась паника – как все это понимать? Универсальное объяснение всему на свете не годилось. По-видимому, должны быть два объяснения поведения материи – это и есть дополнительность.
Физиков осенило, когда они поняли, что свет может вести себя и как поток частиц, и как волны. Это двойственная природа, когда одно дополняет другое. Споры на эту тему длились десятилетиями, но в конце концов факт был установлен. Недавно исследователи запечатлели невероятную картину: в одно и то же время одна небольшая группа фотонов вела себя как волны, а другая – как частицы[14]. Несмотря на то, что сейчас идея дополнительности уже прочно укоренилась в физике, при попытках объяснить проблему разрыва между психикой и мозгом ее рассматривают редко. А следовало бы почаще, и для начала я предлагаю вспомнить, как именно физики пришли к осознанию самого этого, казалось бы, загадочного факта. Укрепившись в физике, идея дополнительности могла бы оказаться базисной и в решении биологических проблем – особенно в объяснении разрыва между психикой и мозгом.
Получив диплом преподавателя физики и математики, двадцатидвухлетний Эйнштейн в 1901 году стал гражданином Швейцарии и принялся искать работу. Ни в одном образовательном учреждении вакансии не нашлось. В конце концов он сумел получить место «технического эксперта третьего класса» в бернском патентном бюро; кроме того он подрабатывал частными уроками. Вместе с несколькими товарищами Эйнштейн учредил клуб «Академия Олимпия», члены которого собирались в свободное время, чтобы обменяться мыслями.
В 1905-м, звездном для него году, в 26 лет, Эйнштейн выдвинул четыре великие идеи и тем самым вывел физику на совершенно иной уровень. Он создал квантовую теорию света, согласно которой энергия светового луча расфасована – иначе и не скажешь – в крохотные упаковки (позже их назвали фотонами) и может меняться только очень малыми дискретными порциями. В общем, «порция энергии» оказалась не просто математическим фокусом, придуманным Планком и использованным в удобной формуле. Тогда еще не утихли дебаты о том, является ли свет волной или потоком частиц. Волновая природа света, если ее принять, отлично объясняла разного рода наблюдаемые явления, такие как преломление лучей, дифракция, интерференция и поляризация. Но при таком подходе не находилось объяснения фотоэффекту, когда поверхность металла под воздействием светового луча испускает электроны (в данном случае так называемые фотоэлектроны).
Поначалу физики не придавали этому большого значения. Исходя из волновой теории света, они полагали, что чем больше интенсивность света (то есть чем больше амплитуда волны), тем выше энергия электронов, покидающих металл. Однако, как выяснилось, все совсем наоборот. Энергия испускаемых электронов не зависит от интенсивности света – при одной и той же частоте волны яркий и тусклый свет с равной энергией вышибает электроны с металлической поверхности. Энергия, с которой электроны покидали металл, возрастала с увеличением частоты световой волны – и это было неожиданно. Если свет – волна, то выходила бессмыслица. С равным успехом можно было бы утверждать, что мощный океанский прибой и легкая, ласковая волна подбросят надувной мяч на пляже с одинаковой силой. Эйнштейн догадался, что объяснить наблюдаемый эффект можно только в том случае, если свет представляет собой поток частиц, взаимодействующих с электронами на поверхности металла. В его модели свет состоял из отдельных квантов (фотонов, как их назвали впоследствии), которые вступали во взаимодействие с электронами металла. Каждый фотон обладал собственной энергией. С ростом интенсивност