Эйнштейн понял и оказался совершенно прав, что этот факт можно объяснить, если свет состоит из минимальных энергетических порций, причем энергия такой порции соразмерна частоте света, как допустил Планк в отношении света, излучаемого веществом. В этом случае только свет с частотами, превышающими некоторую пороговую частоту, мог содержать кванты достаточно энергичные, чтобы выбивать из атомов электроны.
Планк мог еще принять квантованность испускания света, необходимую для объяснения его закона излучения, но предположение о том, что свет в принципе квантован (то есть разбит на частицеподобные порции) было настолько чуждо общепринятым представлениям о свете как электромагнитной волне, что Планк уперся. Только через шесть лет, на конференции в Бельгии – на ставшем знаменитым Сольвеевском конгрессе, Эйнштейн смог наконец убедить Планка в том, что от классической картины света придется отказаться, а кванты – или, иначе, фотоны – реальны.
Эйнштейн также был первым, кто использовал тот факт, который позже он сам отверг в своем знаменитом афоризме, высмеивающем вероятностную суть квантовой механики и реальности: «Бог не играет в кости со Вселенной». Эйнштейн показал, что если атомы спонтанно (то есть без непосредственной причины) поглощают и испускают конечные порции излучения, когда электроны в них прыгают между дискретными энергетическими уровнями, то из этого можно вывести планковский закон излучения.
Эйнштейн начал квантовую революцию, но по иронии судьбы сам к ней так и не присоединился. Забавно, но при этом он был, возможно, первым, кто использовал вероятностные рассуждения для описания природы вещества – стратегию, которую последующие физики, превратившие квантовую механику в полноценную теорию, помещают на передний план. В результате Эйнштейн одним из первых физиков продемонстрировал, что Бог все же играет в кости со Вселенной.
Продолжая эту аналогию чуть дальше, заметим, что Эйнштейн одним из первых физиков продемонстрировал, что классическое представление о причинности в квантовом царстве начинает сбоить. Многие возражают против моего предположения о том, что Вселенная не нуждалась в причине и просто возникла из ничего. Но ведь именно это происходит со светом, которым вы пользуетесь при чтении этой страницы. Электроны в нагретых атомах испускают фотоны – фотоны, которых не существовало до момента, когда они были испущены; фотоны испускаются спонтанно и без конкретной причины. Почему же мы привыкли, по крайней мере в какой-то степени, к идее о том, что из ничего без причины могут возникать фотоны, но не признаём, что то же самое может случаться с целыми вселенными?
Осознание того, что электромагнитные волны одновременно представляют собой частицы, послужило началом квантовой революции, изменившей все наши взгляды на природу. Быть частицей и волной в одно и то же время в классике невозможно – это должно быть очевидно из рассказанного в данной главе, – но это возможно в квантовом мире. Должно быть очевидно также, что это было только начало.
Глава 7
Вселенная причудливее выдумки
Итак, не оставляйте упования вашего, которому предстоит великое воздаяние.
Евр. 10:35
Народная мудрость гласит, что физики обожают изобретать безумную эзотерику для объяснения окружающего нас мира – либо потому, что нам делать больше нечего, либо потому, что мы испорчены от природы. Однако, как показывает открытие квантового мира, чаще бывает наоборот: это природа тащит нас, ученых, прочь от знакомых безопасных знаний, а мы брыкаемся и вопим изо всех сил.
Тем не менее сказать, что пионерам, начавшим толкать нас вперед, в квантовый мир, недоставало смелости, было бы глубочайшей неправдой. Путешествие, в которое они пускались, было беспрецедентным, и никто не мог указать им дорогу. Мир, в который они входили, бросал вызов здравому смыслу и классической логике, в нем на каждом шагу требовалась готовность к внезапной смене правил игры.
Представьте себе, что вы едете в другую страну, где все жители говорят на незнакомом языке, а законы не основываются на опыте, сколько-нибудь сравнимым с опытом, полученным вами на протяжении жизни. Более того, представьте, что дорожные знаки там спрятаны и к тому же могут меняться от места к месту. Если вам удастся все это представить, вы сможете отчасти понять, куда направлялись бунтари, перевернувшие наши представления о природе в первой половине XX века.
Аналогия между исследованием странных и новых квантовых миров и путешествием по незнакомой местности может показаться натянутой, но именно такие взаимоотношения того и другого нашли себе параллель в жизни не кого иного, как Вернера Гейзенберга, одного из основателей квантовой механики, вспомнившего однажды летний вечер 1925 г. на острове Гельголанд, чудесном оазисе в Северном море, где он вдруг понял, что открыл теорию:
Было… уже три часа ночи, когда передо мной лежал окончательный результат расчетов. Закон сохранения энергии сохранял силу для всех членов… я уже не мог более сомневаться в математической непротиворечивости и согласованности наметившейся тут квантовой механики. В первый момент я до глубины души испугался. У меня было ощущение, что я гляжу сквозь поверхность атомных явлений на лежащее глубоко под нею основание поразительной внутренней красоты, и у меня почти кружилась голова от мысли, что я могу теперь проследить всю полноту математических структур, которые там, в глубине, развернула передо мной природа. Я был так взволнован, что не мог и думать о сне. Поэтому я вышел в уже начинавшихся рассветных сумерках из дома и направился к южной оконечности острова, где одиноко выступавшая в море скала-башня всегда дразнила во мне охоту взобраться на нее. Мне удалось это сделать без особых трудностей, и я дождался на ее вершине восхода солнца
[6].
В свое время Гейзенберг, только-только получив степень доктора философии, перебрался в известный немецкий университет в Гёттингене, чтобы работать с Максом Борном и попытаться предложить непротиворечивую теорию квантовой механики (термин этот впервые был использован в 1924 г. в статье Борна «О квантовой механике»). Однако Гейзенберга свалила сенная лихорадка, и ему пришлось бежать из живописных зеленых мест к морю. Там он отшлифовал свои идеи о квантовом поведении атомов и отослал работу Борну, который рекомендовал ее к публикации.
Возможно, вы знакомы с именем Гейзенберга не в последнюю очередь благодаря знаменитому принципу, названному его именем. Принцип неопределенности Гейзенберга приобрел своеобразную нью-эйджевскую ауру, дающую хлеб множеству шарлатанов, которые внушают людям, будто квантовая механика предлагает надежду на мир, в котором осуществима любая мечта, какой бы необычайной она ни была.
Есть и другие знакомые имена: Бор, Шрёдингер, Дирак, а позже Фейнман и Дайсон. Каждый из этих людей совершил большой скачок в неизвестность. Но они были не одиноки. Физика – коллективная дисциплина. Слишком часто о науке рассказывают так, будто герой истории испытал внезапное озарение ночью и в полном одиночестве. Между тем Гейзенберг несколько лет работал над квантовой механикой вместе со своим научным руководителем, блестящим немецким ученым Арнольдом Зоммерфельдом (его студенты удостоились суммарно четырех Нобелевских премий, а постдоки-ассистенты – трех), а позже – с Борном (который в конце концов, почти тридцать лет спустя, тоже получил признание в виде Нобелевской премии), а также с одним из молодых коллег – Паскуалем Йорданом. В любом крупном открытии, которое мы награждаем именем и какой-нибудь премией, участвует целый легион трудолюбивых, хотя, как правило, менее известных людей, каждый из которых понемногу продвигает вперед линию атаки. Крохотные шажки и медленное продвижение в науке – норма, а не исключение.
