Было бы трудно, если вообще возможно, догадаться, что вращающиеся колеса и магниты Фарадея со временем приведут к такому глубокому пересмотру наших представлений о пространстве и времени. Тем не менее ретроспективно мы понимаем, что объединение электричества и магнетизма принципиально позволяло предвосхитить рождение мира, где движению суждено раскрыть новую фундаментальную реальность.
Возвращаясь к Фарадею и Максвеллу, заметим, что одним из важнейших открытий, стронувших лавину, было то, что магнит действует на движущийся электрический заряд какой-то странной силой. Вместо того чтобы толкать заряд вперед или назад, магнит прикладывает к нему силу, всегда направленную под прямым углом к направлению его движения. Эту силу, называемую силой Лоренца, – в честь физика Хендрика Лоренца, который тоже подошел вплотную к созданию теории относительности, – можно изобразить так:
Заряд, пролетающий между полюсами магнита, получает толчок вверх.
А теперь представьте, как выглядит эта ситуация в системе отсчета, связанной с частицей. В этой системе частица покоится, а магнит движется относительно нее.
Но мы ведь договорились, что на покоящуюся заряженную частицу действуют только электрические силы. Тогда, поскольку частица в этой системе отсчета покоится, сила, толкающая ее вверх, на этом рисунке должна интерпретироваться как электрическая.
Выходит, то, что для одного – магнетизм, для другого – электричество, а объединяет их движение. Объединение электричества и магнетизма в своей основе отражает тот факт, что равномерное относительное движение открывает наблюдателям разные картины реальности.
Движение – явление, первоначально исследованное Галилеем, – в конечном итоге, через три столетия, дало человеку ключ к новой реальности – той, в которой едины не только электричество и магнетизм, но также пространство и время. Никто в самом начале не мог предвидеть, как будет разворачиваться эта сага.
Однако в этом-то и заключается прелесть величайшей из когда-либо рассказанных историй.
Глава 6
Тени реальности
И когда они шли по дороге и разговаривали, внезапно появилась огненная боевая колесница и огненные кони и разлучили их…
II Цари 2:11
Можно было бы подумать, что в 1908 г., вскоре после шока от открытия неожиданной скрытой связи между пространством и временем, природа уже не могла стать еще более странной. Но космосу нет дела до наших чувств. И свет еще раз дал человеку ключ от двери в кроличью нору, ведущую в мир, по сравнению с которым приключения Алисы покажутся скучными.
Удивительно, но связи, вскрытые Эйнштейном и Минковским, можно понять интуитивно, если исходить из постоянства скорости света, и я попытался это продемонстрировать. Куда менее интуитивно понятным оказалось следующее открытие, суть которого состояла в том, что на очень малых масштабах природа ведет себя так, что человеческая интуиция не в состоянии полностью свыкнуться с таким поведением, потому что мы никогда не сталкиваемся с ним непосредственно. Как однажды сказал Ричард Фейнман, никто не понимает квантовую механику, если под пониманием иметь в виду формирование четкой физической картины, которая интуитивно ощущается как совершенно ясная.
Даже спустя много лет после открытия законов квантовой механики эта дисциплина упорно продолжает приносить сюрпризы. К примеру, в 1952 г. астрофизик Хэнбери Браун построил аппарат для измерения углового размера крупных радиоисточников на небе. Инструмент работал так хорошо, что Браун вместе с коллегой Ричардом Твиссом попытался при помощи той же идеи проанализировать оптический свет отдельных звезд и определить их угловой размер. Многие физики утверждали, что их инструмент, названный амплитудным интерферометром, принципиально не сможет работать. Квантовая механика, утверждали они, исключает такую возможность.
Но прибор работал. Это был не первый случай, когда физики ошибались по поводу квантовой механики, и, надо полагать, не последний…
Близкое знакомство со странным поведением квантовой механики часто означает необходимость принять нечто на первый взгляд невозможное. Как иронично сформулировал сам Браун, когда пытался объяснить теорию своего амплитудного интерферометра, они с Твиссом занимались толкованием «парадоксальной природы света, или, если угодно, объяснением непостижимого – делом, которое неожиданным образом изрядно напоминало проповедь Афанасьевского символа веры». В самом деле, подобно многим странным эффектам в квантовой механике, Святая Троица – Отец, Сын и Дух Святой, воплощенные одновременно в едином существе, – тоже на первый взгляд невозможна. Сходство, однако, на этом заканчивается.
Здравый смысл говорит нам, что свет не может быть волной и частицей в одно и то же время. Однако, несмотря на суждения здравого смысла и на то, нравится нам это или нет, эксперименты утверждают, что дело обстоит именно так. В отличие от символа веры, созданного в V веке, этот факт не является ни вопросом семантики, ни вопросом выбора, ни даже вопросом веры. Нам нет нужды еженедельно декламировать квантово-механические символы веры, чтобы сделать их менее гротескными или более правдоподобными.
Об «интерпретациях квантовой механики» говорят не без серьезной причины. Дело в том, что «классическая» картина реальности, а именно картина мира, описываемая ньютоновскими законами классического движения и знакомая нам по опыту в человеческих масштабах, не способна отразить полную картину происходящего вокруг. Поверхностный мир наших восприятий скрывает ключевые аспекты процессов, лежащих в основе наблюдаемых нами явлений. Так и Платоновы философы не могли открыть биологические процессы, управляющие людьми, наблюдая только тени людей на стене. Никакой уровень анализа, скорее всего, не позволил бы им полностью разобраться в реальности, порождающей эти темные фигуры.
Квантовый мир бросает вызов нашим представлениям о разумном – или даже возможном. Это означает, что на малых пространственных масштабах и на коротких отрезках времени простое классическое поведение макроскопических объектов, к примеру бейсбольных мячей, летящих от подающего игрока к принимающему, попросту не работает. Вместо этого на малых масштабах объекты демонстрируют множество разных вариантов классического, а также запрещенного классической теорией поведения – в одно и то же время.
Квантовая механика, как и почти вся физика со времен Платона, началась с размышлений ученых о свете. Поэтому вполне уместно начать разговор о квантовом безумии тоже со света; в данном случае уместно вернуться к важному эксперименту, о котором первым сообщил один из самых разносторонних британских профессоров, Томас Юнг, около 1800 г., – к знаменитому «эксперименту с двумя щелями».
