Эренфест смог разобраться с данными Эйкена вообще без нулевой энергии, используя только исходную квантовую теорию Планка — ту, которая, как мы сейчас знаем, верна. Эйнштейн уважал Эренфеста и согласился, что если вам что-то не нужно, то с этим незачем и возиться. Они были также близкими друзьями. Здесь стоит остановиться на минуту и познакомиться с историей Эренфеста, возможно самой трагичной во всей физике. Он был учеником Больцмана в те последние годы, когда великий физик мучился неверием в свои силы. Самоубийство Больцмана произошло всего через два года после того, как Пауль защитил диссертацию. Эренфест начал создавать себе репутацию не только великого физика, но и величайшего преподавателя своего поколения. «Он читает лекции как мастер, — заявлял Арнольд Зоммерфельд, возможно самый влиятельный физик Германии. — Я почти никогда не слышал, чтобы кто-нибудь говорил с таким увлечением и блеском». Но при всем этом блеске Эренфеста терзали более серьезные демоны, чем те, что сломили его наставника. И Эйнштейн это знал. В августе 1932 года он писал в Лейденский университет, где работал Эренфест. Он беспокоился о своем друге. У Эренфеста были проблемы в браке, и он махнул рукой на физику. Эйнштейн видел, что друга одолевает тьма депрессии. Год спустя Эренфест умер.
25 сентября 1933 года он отправился в Институт для больных детей в Амстердаме, чтобы встретиться со своим пятнадцатилетним сыном Василием[142]. Василий страдал синдромом Дауна, и после прихода нацистов к власти его вывезли из Германии. Когда Эренфест встретился с ним в приемной, он достал пистолет и выстрелил ему в голову. Через несколько мгновений он убил и себя.
Именно Эренфест яростно оттолкнул Эйнштейна от идеи нулевой энергии. Вполне возможно, что Эренфест тем самым откинул его назад. Между началом 1920-х и войной что-то произошло, и Эйнштейн снова увлекся этой идеей. Мы не знаем, что случилось. Однако точно понимаем, что они с Эренфестом переписывались, и Эйнштейн предположил, что энергия нулевой точки может объяснить одно весьма любопытное свойство гелия. Если какой-нибудь химический элемент охлаждается, его молекулы теряют свою кинетическую энергию и жидкая фаза постепенно уступает место твердой. Но с гелием этого никогда не происходит — по крайней мере, при атмосферном давлении. Даже если вы охладите его до абсолютного нуля, он не станет твердым. И Эйнштейн был в чем-то прав: причина связана с нулевой энергией. Она наделяет гелий своего рода внутренним давлением, заставляя его расширяться со снижением плотности и предотвращая образование жестких структур.
В начале 1920-х специалисты по молекулярной химии (например, Роберт Малликен из Гарварда[143]) видели все больше доказательств существования нулевой энергии, но после дискредитации второй квантовой теории Планка неясен был ее источник. Ситуация изменилась в 1925 году, когда квантовая механика наконец вступила в эпоху зрелости. Расцвет квантовой механики — это история о двух поездках на природу. Я уже рассказывал, как Шрёдингер ускользнул в Альпы со своей любовницей и придумал уравнение, которое потрясло мир физики. Но шестью месяцами раньше Вернер Гейзенберг также уехал из города на остров Гельголанд в Северном море. В отличие от Шрёдингера, он бежал не от жены, а от цветов и лугов.
В истории Гейзенберга нет бульварной скандальности, но она не менее важна. Поздней весной 1925 года у него случился приступ сенной лихорадки; ученый уехал на остров, чтобы спастись от аллергии, и поселился в пансионе с видом на дюны. Его лицо настолько отекло, что хозяйка пансиона предположила, будто он подрался, и пообещала вылечить его. На острове почти ничто не отвлекало молодого физика от работы, разве что редкие прогулки и купание в море. Он мог спокойно размышлять об атоме водорода, пытаясь понять происхождение его спектральных линий — порций энергии, которые он может поглощать и излучать. Его одержимость этой проблемой вскоре привела к бессоннице, однако в жаркую летнюю ночь наконец произошел прорыв. «Было около трех часов ночи, когда передо мной лежал окончательный результат вычислений, — вспоминал Гейзенберг. — Поначалу я был глубоко потрясен. Я был так взволнован, что не мог думать о сне. Поэтому я вышел из дома и стал ждать восхода солнца на вершине скалы».
Гейзенберг понял, что электроны в атоме не имеют четких орбит, как первоначально предполагал Бор. Когда электроны находились далеко от ядра, это походило на правду. Ближе к ядру все оказывалось более размытым. Вы не могли достоверно сказать, находится ли электрон на той или иной орбите. Шрёдингер уловил эту размытость с помощью интуитивной картины волн, а вот Гейзенберг использовал более абстрактный математический язык матриц. Но это всего лишь два разных описания одного и того же — волшебного мира квантовой механики, где все оказывается игрой случая.
Работа Гейзенберга оказалась настоящим шедевром. Как Ньютон изобрел математический анализ для описания механики макромира, который мы видим каждый день, так и Гейзенберг изобрел новую математику для описания микромира, который мы не можем видеть. Работать с ней было не так просто, как с теорией Шрёдингера, но она сумела передать абстрактную красоту квантового мира с меньшим количеством компонентов[144].
В том же 1933 году, когда Гейзенбергу вручили Нобелевскую премию, к власти в Германии пришли нацисты. Они нацелились на находившихся на государственной службе людей, которые были неарийцами или политически неблагонадежными. Многие ученые стали жертвами этой кампании или подали в отставку в знак протеста. Но Гейзенберг предпочел промолчать. Он думал, что Гитлер — это ненадолго, поэтому лучше просто не высовываться. Однако скоро мишенью стал и он. Нацисты считали, что в абстрактном математическом подходе к науке, который развивался в начале XX века, еврейское влияние слишком велико. Когда Гейзенберга выдвинули на должность профессора в Мюнхене, он оказался под прицелом Йоханнеса Штарка — лауреата Нобелевской премии по физике и ярого нациста. Старк поставил свою подпись под статьей, в которой Гейзенберг объявлялся «белым евреем» и «Осецким в физике» (Карл Осецкий — немецкий журналист и пацифист, оказавшийся в нацистском концентрационном лагере). Здесь вмешалась мать Гейзенберга, которая была знакома с матерью Генриха Гиммлера. Гиммлер объявил о компромиссе: ученого избавят от дальнейших личных нападок, но работу в Мюнхене отдадут другому кандидату.
Гейзенберг остался в Лейпциге. У него не было недостатка в предложениях поработать в других местах, в частности в США, но он чувствовал, что обязан оставаться в родной стране независимо от ее политики. Во время войны он играл ведущую роль в немецкой программе ядерных исследований. Некоторые считают, что Гейзенберг преднамеренно дискредитировал наиболее зловещие аспекты программы, хотя в этом вопросе полной ясности нет. Во время визита в Данию в 1941 году он огорчил Нильса Бора, затронув тему исследований ядерного оружия. Позже Гейзенберг утверждал, что Бор неправильно его понял[145]. Год спустя Гейзенберг встретился с Альбертом Шпеером, нацистским министром вооружений, и посоветовал больше не проводить никаких исследований в области ядерного оружия[146]. Однако он продолжал экспериментировать с ядерной энергией и, несомненно, стремился повысить научную репутацию Германии.
Когда я писал эту главу, я отдыхал с семьей в Германии, на ферме в Шварцвальде. Из-за изменения планов нам потребовалось переночевать еще один раз, и я забронировал номер в старинном замке на опушке леса с видом на живописный городок Хайгерлох. По совпадению этот отель сыграл определенную роль в истории квантовой физики. В пещерах под замком, вдали от бомб, падавших на Берлин, Гейзенберг и его коллеги построили ядерный реактор. Это была последняя отчаянная попытка выиграть гонку за атомную энергию, когда война уже подходила к концу. Пещера теперь стала музеем, в котором представлена полноразмерная модель реактора: кубы урана, подвешенные на цепях в чане с тяжелой водой (содержащей дейтерий вместо водорода). Нейтроны, замедленные атомами дейтерия, использовались для расщепления ядер урана; при делении ядер появлялись новые нейтроны, расщеплявшие новые ядра. Цель состояла в том, чтобы вызвать самоподдерживающуюся цепную реакцию, которая высвободит огромное количество атомной энергии. Гейзенберг и его группа были близки к успеху: если бы урана в активной зоне было всего на 50 процентов больше, реактор бы заработал. К тому времени, когда войска союзников обнаружили пещеру, Гейзенберг уехал из Хайгерлоха на велосипеде в баварскую деревушку к своей семье. Урановые слитки нашли закопанными в поле рядом с замком.
Вскоре союзники отыскали Гейзенберга в его баварском доме, хотя эта территория все еще находилась под контролем Германии, и вывезли в поместье Фарм-Холл в Англии вместе с другими немецкими учеными. Британская разведка тайно записывала разговоры, которые происходили в Фарм-Холле; эти записи обнародованы в 1992 году. Хотя реактор Гейзенберга был близок к рабочему состоянию, зафиксировано, как он говорил другим ученым, что никогда всерьез не размышлял над бомбой. «Я был абсолютно убежден, что можно создать урановый источник энергии, — сказал он, — но я никогда не думал, что мы сделаем бомбу, и в глубине души я был очень рад, что это не бомба, а источник энергии. Я должен признать это».
Именно Гейзенберг первым понял источник нулевой энергии, который возникает из его блестящей трактовки квантовой механики. Он показал, что квантовый осциллятор — небольшое квантовое колебание — никогда не может быть совсем без энергии. Физика фундаментальных частиц — на самом деле физика этих крошечных колебаний. Всякий раз, когда у вас есть настоящие частицы, эти колебания находятся в возбужденном состоянии. Когда вы в вакууме, колебания ослабевают настолько, насколько позволяет принцип неопределенности, и, как показал Гейзенберг, энергия не исчезае