Этот результат имел одно очень важное следствие. Если я стану покачивать электрический заряд вверх-вниз, то вследствие движения заряда возникнет периодически изменяющееся магнитное поле. Это изменение магнитного поля, в свою очередь, вызовет изменяющееся электрическое поле, которое, в свою очередь, снова породит изменяющееся магнитное поле, и так далее. Электромагнитные возмущения, или волны, будет распространяться от колеблющегося заряда во все стороны. Это замечательный результат. Ещё более замечательной оказалась возможность вычислить скорость, с которой должно распространяться это возмущение, основываясь исключительно на результатах измерений сил, действующих между неподвижными зарядами и между магнитами. Полученная Максвеллом скорость распространения электромагнитной волны удивительным образом совпала с уже известной на тот момент скоростью света. Это позволило предположить, что свет является не чем иным, как электромагнитной волной, скорость которой определяется значением двух констант, одна из которых характеризует силу взаимодействия между электрическими зарядами, а вторая — силу взаимодействия между магнитами.
Переоценить роль этого открытия невозможно. Свет является главным действующим лицом во всех действиях физической драмы XX века, и сейчас я собираюсь рассказать об одном из этих действий. Эйнштейн был, разумеется, знаком с результатами Максвелла и понимал, что они приводят к парадоксу, который ставит под сомнение справедливость принципа относительности Галилея.
Галилей утверждал, что законы физики не должны зависеть от того, покоится или движется физическая лаборатория, в которой они изучаются. Например, два физика, один в лаборатории на борту корабля, плывущего с постоянной скоростью, а другой в университетской лаборатории на берегу, измеряя силу, действующую между двумя неподвижными относительно их лабораторий электрическими зарядами, расположенными в одном метре друг от друга, должны получить один и тот же результат. Аналогично, измеряя силу, действующую между двумя магнитами, помещёнными в метре друг от друга, они тоже должны получить одинаковые результаты.
С другой стороны, Максвелл говорит нам, что, если мы станем покачивать заряд вверх-вниз, мы будем производить электромагнитные волны, которые будут удаляться от нас со скоростью, определяемой законами электромагнетизма. Таким образом, наблюдатель, трясущий заряды на корабле, увидит электромагнитные волны, удаляющиеся от него с этой скоростью. Аналогично наблюдатель, трясущий заряды на берегу, тоже увидит электромагнитные волны, удаляющиеся от него с такой же скоростью. Для того чтобы выполнялся принцип относительности Галилея, скорость электромагнитных волн, генерируемых наблюдателем на корабле, должна складываться со скоростью корабля. То есть скорости электромагнитных волн, генерируемых наблюдателем на корабле и наблюдателем на берегу, должны различаться.
Вот тут, как понял Эйнштейн, и возникает парадокс. Допустим, мы движемся рядом с электромагнитной волной почти с той же скоростью, что и сама волна, и проводим измерения электрического и магнитного поля этой волны. Мы обнаружим, что электрическое поле медленно меняется, но даже эти медленные изменения порождают изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, опять порождает электрическое… Максвелл утверждает, что эти возмущения полей должны двигаться со скоростью, определяемой константами электрического и магнитного взаимодействий, которые, в силу принципа относительности Галилея, должны быть относительно движущегося наблюдателя теми же самыми, что и для неподвижного, а значит, скорость электромагнитной волны относительно нас должна быть по-прежнему равна скорости света, что противоречит первоначальной посылке о том, что мы движемся почти с той же скоростью, что и сама волна.
Эйнштейн, таким образом, столкнулся со следующей очевидной проблемой. Либо надо отказаться от принципа относительности, утверждающего, что законы физики не зависят от того, изучаете вы их в состоянии покоя или в состоянии равномерного движения, либо отказаться от красивой теории Максвелла. В результате Эйнштейн совершил поистине революционный шаг, позволивший сохранить и принцип относительности, и теорию Максвелла. Справедливо считая, что и принцип относительности, и теория Максвелла слишком разумны, чтобы оказаться неверными, он принял смелое решение пересмотреть понятия пространства и времени.
Его решение оказалось на удивление простым. Единственным способом удовлетворить принципу Галилея и теории Максвелла было постулировать, что скорость электромагнитных волн всегда равна одной и той же величине, независимо от того, как движется наблюдатель, который эту скорость измеряет.
На первый взгляд это требование звучит не парадоксально, но задумайтесь на мгновение, что из него следует. Если я смотрю, как ребёнок в проносящемся мимо меня поезде бросает погремушку в сидящую напротив него мать, то скорость погремушки, которую я измеряю, допустим, 10 км/ч, будет складываться со скоростью поезда, скажем 100 км/ч, и составит 110 км/ч. В то же время мать, сидящая напротив ребёнка, увидит летящую в неё погремушку со скоростью 10 км/ч. Однако если вместо того, чтобы бросить погремушку, ребёнок посветит в глаз матери лазерной указкой, результат будет совсем иным. Специальная теория относительности требует, чтобы скорость светового луча, которую я измеряю, составляла в точности 299 792 458 м/с, и точно такую же скорость имел бы этот же световой луч с точки зрения матери ребёнка.
Единственный способ добиться этого состоит в том, чтобы каким-то образом «настроить» наши измерения расстояния и времени, чтобы оба результата измерения давали одну и ту же скорость распространения светового луча. Скорость определяется путём измерения промежутка времени, за который исследуемое тело проходит некоторое фиксированное расстояние. Если бы для пассажира поезда расстояние «сжималось» или его часы шли медленнее, чем мои, то мы могли бы добиться требуемого результата измерения. Теория относительности утверждает, что именно это и происходит! Кроме того, она утверждает, что эти явления относительны, а именно, с точки зрения пассажира поезда, расстояние «сжимается» у меня, и мои часы отстают от его часов!
Эти утверждения звучали настолько абсурдно, что никто поначалу не принял их всерьёз. Утверждение Эйнштейна, что скорость света одинакова для всех наблюдателей, потребовало подробного анализа всех вытекающих из него следствий и тщательного разбора всех сопутствующих парадоксов. Одним из таких следствий является, например, уже давно подтверждённое экспериментально замедление хода движущихся часов. Другим следствием оказывается невозможность для любого физического тела двигаться быстрее света. Эти следствия логически вытекают из постулата об инвариантности скорости света. Эйнштейн, несомненно, заслуживает благодарности за ту отвагу и мужество, которые он проявил, решившись принять независимость скорости света от системы отсчёта наблюдателя в качестве постулата, и за ту огромную работу которую он проделал, выводя все следствия этого постулата. Но главная его заслуга состоит в том, что он не отбросил существующие законы физики, а нашёл оригинальный способ уложить картину мира в их рамки — настолько оригинальный, что на первый взгляд этот способ кажется безумным.
В следующей главе я расскажу вам об одном из взглядов на теорию Эйнштейна, который представляется мне наименее безумным. Сейчас же я хочу ещё раз обратить внимание тех, кто заявляет: «Теория относительности — бред, поэтому я предлагаю собственную теорию!», на то, что Эйнштейн никогда не отвергал существующие физические законы. Напротив, он показал, что эти законы содержат нечто такое, о чём раньше никто не задумывался.
Специальная теория относительности и квантовая механика изменили нашу интуитивную картину реальности более глубоко, чем любые другие теории XX века. Эти две теории потрясли основы того, что мы обычно считаем здравым смыслом, они изменили наши представления о пространстве, времени и материи. Оставшаяся часть XX столетия была в значительной степени посвящена изучению последствий этих изменений. Для доказательства того, что теория согласуется со всеми существующими физическими принципами, зачастую требуется не меньше изобретательности и настойчивости, чем для разработки самой теории, как это, например, было в случае попытки «поженить» теорию относительности и квантовую механику о которой я уже упоминал, рассказывая о совещании на Шелтер-Айленде, когда зашла речь о рождении пар частиц и античастиц из ничего.
Хотя я уже несколько раз упоминал квантовую механику, я до сих пор не рассказывал о принципах, положенных в её основу. Дорога к созданию квантовой механики оказалась гораздо менее прямой, чем дорога к созданию теории относительности, из-за того что предмет её изучения — явления, происходящие на атомном и субатомном уровне, — не был предметом нашего повседневного опыта. Тем не менее исходной точкой квантовой механики тоже является одно утверждение, которое, на первый взгляд, кажется безумным. Если я брошу мяч и моя собака поймает его в воздухе после того, как мяч пролетит десяток метров, я могу проследить весь полёт мяча и убедиться, что его траектория полностью соответствует предсказаниям галилеевской механики. Однако по мере перехода ко всё более малым расстояниям и временам полёта мяча определённость его траектории постепенно исчезает. Законы квантовой механики утверждают, что, если объект переместился из пункта A в пункт B, мы не можем с уверенностью утверждать, что он определённо находился в какой-либо точке между начальным и конечным пунктами!
На первый взгляд кажется, что мы можем легко опровергнуть это утверждение. Я могу направить луч света на объект и проследить весь путь этого луча. То же самое вроде бы относится и к электронам: поместив детектор на пути электронного пучка, летящего из A и B, мы всегда можем обнаружить электроны в любой точке прямой, соединяющей начальный и конечный пункты их путешествия.
Так какой же смысл в первоначальном утверждении, если его так легко опровергнуть? Смысл в том, что природа хитрее нас. Разумеется, мы можем обнаружить электрон между пунктами A и B, но мы не можем сделать это безнаказанно! Если, к примеру мы направляем пучок электронов на флуоресцирующий экран, то, достигая экрана, электроны будут вызывать на нём вспышки света. Затем мы можем поставить на пути электронов непроницаемую ширму с двумя узкими щелями, чтобы электроны могли проходить либо через одну, либо через другую щель. Для того чтобы определить, через какую из щелей проходит электрон, мы можем поставить возле каждой щели детектор. Вот тут-то и начинается самое интересное. Если мы не фиксируем, через какую из щелей проходят электроны, на экране возникает картина из светлых и тёмных полос, такая же, как и при прохождении через две щели луча света. Другими словами, результат получается такой, как если бы каждый электрон проходил одновременно через обе щели! Если же задействовать детекторы возле щелей, то картина на экране радикально меняется — полосы исчезают. Производя измерения, мы изменяем результат опыта! Таким образом, мы можем либо определить, через какую из щелей проходит электрон, но тогда его путь из А в В на самом деле распадается на два независимых пути: от А до одной из щелей и от этой щели до В, либо мы фиксируем электроны только в точках А и В, но тогда не имеем никакой информации, через какую щель они прошли, а электроны ведут себя так, будто прошли сразу через обе.
Поведение, подобное этому, возникает из-за того, что законы квантовой механики на фундаментальном уровне вносят неопределённость в любой процесс измерения физических величин. Например, существует принципиальное ограничение, накладываемое квантовой механикой на нашу способность одновременного точного измерения положения и скорости частицы. Чем более точно мы измеряем координату, тем менее точно нам известна скорость, и наоборот. Это происходит из-за того, что любое измерение вносит возмущение в измеряемую величину. В обычных человеческих масштабах это возмущение настолько мало, что остаётся незамеченным. Но в микромире им уже нельзя пренебрегать. Квантовая механика получила своё название из-за того, что она основана на положении, согласно которому энергия любой системы не может изменяться на произвольную сколь угодно малую величину, вместо этого она передаётся фиксированными порциями — пакетами, или
Соотношение неопределённостей лежит в основе квантовомеханического поведения. Впервые оно было выведено немецким физиком Вернером Гейзенбергом, одним из отцов-основателей квантовой механики. Гейзенберг, как и другие молодые учёные 1920-х и 1930-х годов, принял активное участие в создании новой теории. Некоторые мои коллеги настаивают на том, что своим вкладом в физику XX столетия Гейзенберг уступает только Эйнштейну. К сожалению, репутация Гейзенберга была несколько подмочена его работой на нацистскую Германию, хотя до конца неизвестно, поддерживал он нацистский режим или же, наоборот, тайно вредил ему. Но, в отличие от ряда своих коллег, он не выступал против него открыто. В любом случае, его работы в области квантовой механики, в частности открытие принципа неопределённостей, навсегда изменили наше представление о физическом мире. Помимо физики, научные открытия XX века сильнейшим образом повлияли и на философию.
Ньютоновская механика подразумевает полный детерминизм. Законы механики предполагают, что мы способны, в принципе, с любой точностью предсказать поведение любой системы на любой наперёд заданный промежуток времени, в том числе и такой сложной, как человеческий мозг, если будем знать исходные координаты и скорости всех составляющих эту систему частиц. Квантово-механическое соотношение неопределённостей радикальным образом изменило эту радужную перспективу. Если мы зададимся целью получить точную информацию о координатах всех частиц системы, мы рискуем полностью потерять информацию об их скоростях. А не зная начальных скоростей, мы не в состоянии спрогнозировать поведение всей системы во времени. Отчасти это хорошая новость, поскольку она оставляет в физике место для таких явлений, как свобода воли.
В то время как рождение квантовой механики произвело в среде нефизиков, и особенно философов, большое брожение умов, стоит отметить, что все философские следствия квантовой механики оказали очень мало влияния на физику. Всё, что необходимо физикам, — это принимать правила игры. А правила таковы, что в природе существует соотношение неопределённостей. Есть много способов описать происхождение этого соотношения, но, как всегда, полностью самосогласованным является только математический способ. Наиболее красивую математическую формулировку, которая к тому же допускает визуализацию, предложил не кто иной, как Ричард Фейнман.
Величайшим вкладом Фейнмана в физику стала формулировка квантовой механики в терминах так называемых