Страница 9 из 18
Однако уравнения Эйнштейна, описывающие искажение пространства-времени в присутствии вещества, те самые уравнения, которые так триумфально подтвердили наблюдения солнечного затмения, обладали одной обескураживающей чертой, объяснить которую не мог сам Эйнштейн. Из уравнений следовало, что пространство-время, в котором укоренена материальная вселенная, не может быть статическим. Оно либо сжимается, либо расширяется. Эйнштейн оказался в безвыходном положении и был вынужден добавить к своим уравнениям дополнительное слагаемое – только для того, чтобы удержать пространство-время на месте. Даже в начале 1920-х годов Эйнштейн, как и все его современники, придерживался ньютоновой идеи статической вселенной. Но не прошло и десяти лет, как наблюдения, которые проделал Эдвин Хаббл при помощи нового мощного телескопа, установленного на вершине горы в Калифорнии, показали, что Вселенная расширяется.
Звезды в небе не разлетаются друг от друга. Они принадлежат к одной огромной системе – галактике Млечный Путь, – в которой содержится около ста миллиардов звезд, и она словно остров в космосе. В 1920-е годы астрономы при помощи новых телескопов обнаружили, что за пределами Млечного Пути есть множество других галактик, и во многих миллиарды звезд вроде нашего Солнца. И разбегаются друг от друга не отдельные звезды, а галактики – их уносит вместе с расширением пространства, в котором они находятся.
Этот прогноз ОТО поразил научное сообщество даже сильнее, чем искривление света, заметное во время затмения. Подобным следствиям из собственных уравнений поначалу отказывался верить даже Эйнштейн, но впоследствии наблюдения показали, что так и есть. Самые основы научного мировоззрения пошатнулись. Оказывается, Вселенная не статична, она развивается; впоследствии Эйнштейн признавался, что попытки подправить уравнения, чтобы удержать вселенную на месте, были «величайшей ошибкой в его жизни»[9] – уже к концу 1920-х годов и наблюдения, и теория указывали на то, что Вселенная расширяется. А если галактики разбегаются, значит, когда-то давно они были ближе друг к другу. Насколько ближе? Что происходило в те времена, когда галактики соприкасались? А еще раньше?
Мысль о рождении Вселенной в виде сверхплотного сверхгорячего огненного шара – теория так называемого Большого Взрыва – в наши дни служит краеугольным камнем науки, однако на ее разработку ушло время – более полувека. Пока астрономы искали подтверждения расширения Вселенной и тем самым преобразовывали научную картину Вселенной в целом, их коллеги – физики – разрабатывали квантовую теорию, преображая наше понимание очень малых величин. Внимание исследователей в течение ближайших десятилетий было сосредоточено в основном на разработке квантовой теории, а теория относительности и космология (наука о Вселенной) превратились в экзотическое побочное научное направление, которым занимались лишь несколько узких специалистов-математиков. До объединения большого и малого даже в конце 1920-х оставалось еще очень далеко.
Когда XIX век уступил место XX веку, физики были вынуждены пересмотреть свои представления о природе света. Поначалу скромная поправка к их мировоззрению росла и набирала силу, будто снежная лавина, вызванная одним-единственным снежком, покатившимся вниз по склону, и превратилась в настоящую революцию, охватившую физику в целом – в квантовую революцию.
Первым шагом было осознание, что электромагнитную энергию не всегда можно понимать просто как волну, проходящую сквозь пространство. Например, луч света в некоторых обстоятельствах ведет себя скорее как поток крошечных частиц (теперь их называют фотонами). Среди первооткрывателей «корпускулярно-волнового дуализма» был и Эйнштейн, который в 1905 году показал, что явление, когда электромагнитное излучение вышибает электроны из атомов в металлической пластине (фотоэффект), прекрасно объясняется существованием фотонов, а не волнами электромагнитной энергии. (Кстати, Нобелевскую премию Эйнштейн получил именно за эту работу, а не за две теории относительности.)
Корпускулярно-волновой дуализм изменил все наши представления о природе света. Мы привыкли считать, что импульс – это величина, зависящая от массы частицы и ее скорости (точнее, векторной скорости). Если два тела движутся с одинаковой скоростью, у того, которое тяжелее, импульс больше, и ему труднее остановиться. У фотона нет массы, и, казалось бы, не должно быть и импульса. Однако вспомним, что Эйнштейн открыл, что масса и энергия эквивалентны, а энергия у света определенно есть, более того, луч света – это луч чистой энергии. Поэтому импульс у фотонов есть, и он связан с их энергией, хотя у них нет массы и они не могут менять скорость. Если у фотона меняется импульс, это значит, что у него изменилось количество переносимой энергии, а не скорость, а изменение энергии фотона означает изменение длины его волны.
Когда Эйнштейн все это сопоставил, у него получилось, что, если умножить импульс фотона на длину связанной с ним волны, результат всегда один и тот же. Эту величину теперь называют постоянной Планка в честь Макса Планка, еще одного первооткрывателя квантовой теории. Постоянная Планка, которую принято обозначать латинской буквой h, вскоре оказалась одной из самых фундаментальных величин в физике наряду со скоростью света c. В частности, она входит в уравнения, выведенные в первые десятилетия века для описания того, как электроны удерживаются на орбитах вокруг атомов. Непонятный дуализм природы света очень донимал ученых, однако настоящий переполох начался в 1920-е годы, когда французский ученый Луи де Бройль предложил применять корпускулярно-волновое уравнение в обратную сторону. Вместо того чтобы взять длину волны (света) и на ее основании рассчитать импульс соответствующей частицы (фотона), можно взять импульс частицы (например, электрона) и на его основании вычислить длину соответствующей волны!
Воодушевленные этой мыслью экспериментаторы тут же провели опыты, показавшие, что при правильных условиях электроны и правда ведут себя как волны. В квантовом мире (в мире очень малых величин – на уровне атома и меньше) частицы и волны – попросту две стороны всего сущего. Волны могут вести себя как частицы, частицы – как волны. В английском языке даже появился новый термин «wavicle» – «волночастица». Дуалистическое понимание волн как частиц и частиц как волн оказалось ключом к квантовому миру и привело к созданию приемлемой теории, объясняющей поведение атомов, частиц и света. Но в самой сердцевине этой теории заложена глубочайшая тайна.
Поскольку у всех квантовых сущностей есть волновой аспект, их местоположение в пространстве нельзя определить точно. Ведь волны по самой своей природе растянуты в пространстве. Поэтому мы не можем судить, где именно находится электрон; как выяснилось, неопределенность – неотъемлемая черта квантового мира. Немецкий физик Вернер Гейзенберг в 1920-е годы установил, что все наблюдаемые величины на квантовом масштабе подвержены случайным вариациям и величина этих вариаций определяется постоянной Планка. Это и есть знаменитый «принцип неопределенности» Гейзенберга. Он означает, что все качества объекта вроде электрона невозможно определить точно: мы можем лишь приписывать им вероятности, очень точно выводимые из уравнений квантовой механики, например, вероятность, с которой электрон окажется в том или ином месте в то или иное время.
Более того, неопределенная, вероятностная природа квантового мира означает, что, если с двумя идентичными волнами-частицами обойтись идентичным образом (например, столкнуть их с волной-частицей другого типа), они не обязательно отреагируют идентично. То есть результаты экспериментов на квантовом уровне тоже неопределенны, и их нужно описывать только в терминах вероятностей. Электроны и атомы – вовсе не крошечные бильярдные шарики, отскакивающие друг от друга в соответствии с законами Ньютона.
На масштабе нашей повседневной реальности все это никак не проявляется, и тела вроде бильярдных шаров действительно отскакивают друг от друга предсказуемо, детерминистически, в соответствии с ньютоновой механикой. Дело в том, что постоянная Планка очень мала: в стандартных единицах, принятых у физиков, она составляет всего 6 × 10–34 (то есть 33 нуля и 6 после запятой) джоуль-секунд. А джоуль – весьма осязаемая единица энергии в повседневной жизни: шестидесятиваттная лампочка излучает 60 джоулей энергии каждую секунду. Привычные нам тела – бильярдные шары или мы сами – не подчиняются постоянной Планка, поскольку из-за ее малого размера волна, связанная с телом, так мала, что ей можно пренебречь. Но связанная квантовая волна есть и у вас, и у бильярдного шара, хотя она становится настолько большой, что влияет на взаимодействие тел, лишь для очень маленьких тел вроде электронов с очень маленьким импульсом.
9
«Величайшей ошибкой» в своей жизни Эйнштейн называл письмо президенту США Ф.-Д. Рузвельту с советом приступить к разработке ядерного оружия. Легенду о том, что Эйнштейн называл так дополнительное слагаемое, добавленное для модели статичной Вселенной (космологическую постоянную), придумал и распространил физик Георгий Гамов. – Прим. перев.