Первым, кто написал уравнения новой теории, основываясь на невообразимых идеях, был молодой немецкий гений – Вернер Гейзенберг.
Гейзенберг предположил, что электроны существуют не всегда. А только тогда, когда кто-то или что-то наблюдает за ними – или, лучше сказать, когда они взаимодействуют с чем-то еще. Они материализуются на месте, с вычислимой вероятностью, когда с чем-либо сталкиваются. Квантовые скачки с одной орбиты на другую – единственный способ быть «реальными» в их распоряжении: электрон есть набор скачков от одного взаимодействия до другого. Когда ничто его не тревожит, он не находится ни в каком конкретном месте. Он вообще не в «месте».
Словно Бог не изобразил реальность четко прочерченной линией, а лишь наметил ее еле видным пунктиром.
В квантовой механике ни один объект не имеет определенного положения, за исключением случаев, когда он сталкивается лоб в лоб с чем-то еще. Чтобы описать его посередине между одним взаимодействием и другим, мы используем отвлеченную математическую формулу, которая не существует в реальном пространстве, только в абстрактном математическом. Но есть кое-что и похуже: эти основанные на взаимодействии скачки, которыми каждый объект перемещается из одного места в другое, происходят не предсказуемым образом, а по большому счету случайным. Невозможно предсказать, где электрон появится вновь, можно лишь вычислить вероятность, с которой он возникнет здесь или там. Вопрос вероятности ведет в самое сердце физики, где все, как прежде казалось, регулируется строгими законами, универсальными и неотвратимыми.
Считаете это нелепостью? Так думал и Эйнштейн. С одной стороны, он выдвинул кандидатуру Гейзенберга на соискание Нобелевской премии, признавая, что тот понял о мире нечто принципиально важное, тогда как с другой – не упускал ни единого случая, чтобы поворчать о том, что в утверждениях Гейзенберга не слишком-то много смысла.
Молодые львы копенгагенской группы были растеряны: как это возможно, чтобы Эйнштейн так думал? Их духовный отец, человек, который первым явил отвагу мыслить непомыслимое, теперь отступил и боялся этого нового прыжка в неизвестное, прыжка, им же самим и вызванного. Тот же Эйнштейн, показавший, что время не универсально и пространство искривлено, теперь говорил, что мир не может быть настолько странным.
Бор терпеливо объяснял новые идеи Эйнштейну. Эйнштейн выдвигал возражения. Он придумывал мысленные эксперименты, чтобы показать противоречивость новых идей. «Представьте себе ящик, наполненный светом, из которого вылетает один фотон…»[2] – так начинается один из его знаменитых примеров, мысленный эксперимент над ящиком со светом. В конце концов Бор всегда умудрялся найти ответ, который опровергал возражения Эйнштейна. Их диалог продолжался годами – в виде лекций, писем, статей… В ходе этого обмена мыслями обоим великим ученым приходилось отступать, менять свой подход. Эйнштейн вынужден был согласиться, что никакого противоречия в новых идеях на самом деле нет, а Бор – признать, что все не так просто и прозрачно, как он полагал изначально. Эйнштейн не хотел уступать в том, что для него было ключевым моментом: что есть объективная реальность, не зависящая от того, кто и с чем взаимодействует. Бор не отступился бы от кардинально нового способа, каким квантовая теория осмысляла действительность. В конце концов Эйнштейн признал, что эта теория – гигантский шаг вперед в нашем понимании мира, но остался убежден, что все не может быть настолько странным, как предполагается ею, – что «за» этой теорией должно быть следующее, более разумное объяснение.
Век спустя мы все на том же месте. Уравнения квантовой механики и их следствия применяются ежедневно в самых разных областях – физиками, инженерами, химиками и биологами. Они играют чрезвычайно важную роль во всех современных технологиях. Без квантовой механики не было бы никаких транзисторов. И все же эти уравнения остаются загадочными. Поскольку описывают не то, что происходит с физической системой, а только как физическая система влияет на другую физическую систему.
Что это означает? Что принципиальная сущность системы не поддается описанию вообще? Значит ли это, что нам не хватает лишь кусочка мозаики? Или это значит, как кажется мне, что мы должны смириться: реальность – лишь взаимодействие? Наше знание растет, работая на практике. Оно позволяет нам создавать новое, чего прежде мы даже не могли себе представить. Но это приращение вскрыло и новые вопросы. Новые загадки. Те, кто использует уравнения теории в лабораториях, спокойно продолжают это делать, но в статьях и на конференциях, все более многочисленных в последние годы, физики и философы продолжают поиск. Что такое квантовая теория спустя столетие после своего рождения? Небывалое погружение вглубь природы реальности? Большой просчет, который по случайности работает? Фрагмент неполной мозаики? Или ключ к некоему абсолюту, касающемуся структуры мира, которую мы все еще по-настоящему и не познали?
Когда Эйнштейн умер, его главный соперник Бор нашел для него слова трогательного восхищения. Когда через несколько лет умер и Бор, кто-то сделал фотографию доски в его кабинете. На ней рисунок. Ящик со светом из мысленного эксперимента Эйнштейна. До самого конца – стремление спорить с самим собой, чтобы понять больше. И до последнего – сомнение.
Этюд третийАрхитектура космоса
В первой половине XX века Эйнштейн описал закулисье пространства и времени, тогда как Нильс Бор и его молодые последователи запечатлели в уравнениях странную квантовую природу вещества. Во второй половине столетия физики возвели надстройки над этим фундаментом, применяя две новые теории к крайне разнящимся областям природы: от макрокосмической структуры Вселенной до микрокосма элементарных частиц. Мы поговорим о первой из них сейчас, а о второй – в следующей главе.
Эта глава в основном состоит из простых рисунков. Поскольку прежде каких-либо экспериментов, измерений, математических выкладок и строгих выводов наука – это в первую очередь наблюдения. Наука начинается с наблюдения. Научная мысль подпитывается способностью «видеть» вещи иначе, чем их видели раньше. Я хочу набросать здесь краткую простую карту путешествия между различными представлениями о Вселенной.
Этот рисунок показывает, как космос мыслился тысячелетиями: внизу Земля, вверху небо. Первая великая научная революция, произведенная Анаксимандром двадцать шесть веков назад, когда он пытался выяснить, как возможно, чтобы Солнце, Луна и звезды вращались вокруг нас, заменила предыдущую схему космоса на эту:
Теперь небо повсюду вокруг Земли, не только над ней, и Земля – огромная глыба, парящая в пространстве, не падая. Вскоре кто-то (возможно, Парменид, а может, Пифагор) понял, что сфера – самая разумная форма для этой парящей Земли, для которой все направления одинаковы. А Аристотель привел убедительные научные доводы, подтверждавшие сферическую природу как Земли, так и небес вокруг нее, где небесные тела движутся своими путями. Вот получившаяся схема космоса:
И такой космос, каким описал его Аристотель в своем трактате «О небе», – картина мира, которая оставалась характерной для средиземноморских цивилизаций вплоть до конца Средних веков. Такое представление о мире давали в школе Данте и Шекспиру.
Следующий прорыв осуществил Коперник, совершив, как это стали называть, великую научную революцию. Его мир не так уж сильно отличался от аристотелевского:
Однако на самом деле существенное различие есть. Подхватив идею, уже обдумывавшуюся в античности, Коперник понял и показал, что наша Земля не в центре хоровода планет и что вместо нее там Солнце. Наша планета становится одной среди прочих, обращающихся с высокой скоростью вокруг своей оси и вокруг Солнца.
Приращение нашего знания продолжалось, и благодаря улучшенным приборам вскоре стало понятно, что сама Солнечная система – лишь одна среди огромного числа других и что Солнце – не более чем звезда, как и все другие. Мельчайшая частичка в грандиозном облаке из ста миллиардов звезд – нашей Галактике:
Однако в 1930-х годах точные астрономические измерения туманностей, небольших белесоватых облаков между звездами, показали, что наша Галактика сама – пылинка в громадном облаке галактик, простирающемся настолько далеко, насколько хватает взгляда, даже с использованием мощнейших телескопов. Мир теперь стал единообразным и безграничным простором.
Иллюстрация ниже – не рисунок. Это снимок, сделанный телескопом «Хаббл» на орбите, показывающий более глубокое изображение неба, чем удавалось увидеть когда-либо ранее с помощью самых зорких из наших телескопов: для невооруженного глаза все будет выглядеть ничтожным кусочком кромешно черного неба. При наблюдении через телескоп «Хаббл» безмерно удаленные точки размываются. Каждая черная точка на изображении – галактика, состоящая из сотни миллиардов солнц, похожих на наше. В последние несколько лет удалось увидеть, что вокруг большинства из этих солнц вращаются планеты. Таким образом, во Вселенной существуют тысячи миллиардов миллиардов миллиардов планет вроде Земли. И в каком бы направлении мы ни посмотрели, мы увидим это:
Однако это бесконечное единообразие, в свою очередь, – не то, чем кажется. Как я объяснял в первой главе, пространство не плоское, а искривленное. Мы вынуждены представлять себе текстуру Вселенной, с ее всплесками галактик, покачивающейся в волнах, сходных с морскими, – иногда настолько сильно искривленную, что возникают провалы – черные дыры. Поэтому давайте вернемся к рисункам, чтобы изобразить эту вселенную, изборожденную огромными волнами:
И наконец, сегодня мы знаем, что этот бескрайний гибкий космос, испещренный галактиками и развивавшийся пятнадцать миллиардов лет, возник из невообразимо горячего и плотного облачка. Чтобы изобразить это, нам теперь нужно нарисовать не Вселенную, а всю ее историю. Вот она, схематически: