Неизбежность странного мира

О колебаниях и волнах ученые могут рассказывать без конца. Они создали красивый и совершенный математический аппарат для описания волнообразных движений и создали такую же стройную и красивую волновую теорию света. Но о физической природе световых колебаний эта описательная теория не знала и не говорила ничего достоверного. Да это и не слишком беспокоило ее создателей — для математических описаний, как для пейзажной живописи, не очень важно, что скрывается под видимым покровом отображаемого. Волновую теорию в самом деле можно было бы сравнить с великолепной картиной, воссоздающей зрелище моря: все на удивленье похоже — и вольная линия прибоя, и белые барашки, и синева, и ощущение бездонности, и веянье скрытой мощи, одно только не занимало художника — что такое вода? С него достаточно было сознания, что она существует, что она есть нечто.

Волны света? Хорошо. А что при этом волнуется, что колеблется? Гениальный голландец Гюйгенс, зачинатель волновой теории (к слову сказать, младший современник Рембрандта), отвечал коротко и общо: колеблется эфир.

Это было воспоминанием о старой-старой идее древних натурфилософов. Они полагали, что в мире, кроме огня, земли, воды и воздуха, существует «пятая стихия» — тончайшая материя, которая пронизывает все и заполняет собою мировое пространство, лишая его непонятной пустоты. Древние придумали и слово «эфир» — «летучий», чтобы образно запечатлеть его неуловимость.

Мало идей доставляло физикам столько забот и огорчений, сколько доставила эта идея мирового эфира! До сих пор, разговаривая о радиопередачах, мы произносим таинственную фразу: «голос в эфире». Но она пригодна только для стихов — физического смысла в ней не больше, чем в старой надежде — «поможет бог!». Примириться со всепроникающим эфиром физикам было не легче, чем с пустотой. Пожалуй, даже труднее.

Пустота хоть не обязана была обладать никакими свойствами, кроме одного — быть ничем. Оставалось, конечно, безнадежно непонятным, каким это образом разделенные пространством тела могут действовать друг на друга через пустоту — без всяких посредников. Когда спрашивали об этом учеников Ньютона, они отвечали: «Не знаем». И повторяли известную фразу учителя: «Я гипотез не строю».

Эту фразу даже сегодня иногда с удовольствием повторяют ученые. В ней есть утешение для исследователя: вот он нашел математическую зависимость одной величины от другой, нарисовал кривую, написал формулу; остается понять и объяснить, почему явление протекает именно так, а не этак; остается открыть физическую сущность формулы или уравнения… Но эта физическая сущность, черт бы ее побрал, не дается в руки! Тогда-то легко сослаться на великий авторитет Ньютона: «Я гипотез не строю».

Ньютон открыл зависимость сил тяготения от массы тел и расстояния между ними, но почему тела вообще притягиваются друг к другу, что при этом физически происходит, его знаменитый закон не объяснял. А получалось нечто непостижимое: Солнце и Земля взаимно притягиваются, хотя не связаны никакими нитями и ниточками, хотя между ними только пустота! В пору было бога привлечь к ответственности, чтобы как-нибудь объяснить таинство тяготения.

Бог стал бы в таком случае «физической гипотезой». Да на беду никуда не годной — ничего не объясняющей и не доказуемой. И вот старый-старый эфир был призван уничтожить гнетущую сознание физиков противоестественную пустоту между физическими телами. Еще раньше, чем Гюйгенс приспособил его как среду для распространения света, Декарт ввел во вселенную эту пятую стихию, чтобы избавить науку от мистического «действия на расстоянии». Вихри эфира стали связывать все тела.

Словно предвидя, что эфир доставит физикам не меньше неприятностей, чем пустота, Ньютон уклончиво и признавал его и отвергал.

А все неприятности проистекали оттого, что этот эфир должен был обладать определенными свойствами. Иначе его незачем было бы и придумывать!

Вы замечаете — едва зашла речь о фотоне как об элементарной частице, возглавляющей нынешний список «первооснов», как нас тотчас увело в непроходимую чащу вечных, столетиями решаемых «проклятых вопросов» науки о природе. Но право же, это произошло не из-за нашей неосторожности. Просто в мире элементарных частиц шагу нельзя ступить, чтобы не влезть в эти дебри. В этом не беда, а привлекательность и соблазн рассказа про драматические поиски «первооснов материи».

После того как свет стал по воле ученых колебаниями в эфирном океане вселенной, почти два века, от Гюйгенса до Максвелла, оставалось совершенно неизвестным, что именно колеблется, заставляя колебаться эфир. Около ста лет назад Максвелл показал, что во всем виновато электричество.

Вокруг движущихся зарядов возникает поле электромагнитных сил. Оно распространяется в пространстве как раз со световою скоростью! — в этом совпадении Максвелл увидел не случайность, а указание на природу света. Когда заряды колеблются, в окружающем их силовом поле разбегаются волны. Было решено: это возмущения в эфирной среде.

Электрические заряды приняли на себя роль камня на удочке в океане светоносного эфира.

Чем быстрее колеблются заряды, тем чаще отчаливают от источника одна за другой электромагнитные волны. Наглядно ясно: чем чаще колебания, тем короче волны. Сегодня, в согласии со старой идеей Максвелла, мы могли бы сказать и говорим, что в рентгеновских лучах волны так коротки, будто являют собой эфирную рябь. А радиоволны, напротив, столь длинны, что колеблемый ими эфир должен бы походить на океанскую гладь в затишье.

Все это приятные образы. Даже красивые. Но они ничего не говорили и не говорят о физической сущности самого эфира. Что он такое? Каково его строение? Всепроникающий, может быть, он подобен газу? Но тогда он, конечно, способен сжиматься и расширяться? Так отчего же свет распространяется в нем с одинаковой скоростью всюду, если плотность его не всюду и не всегда одинакова? А несжимаемый, он был бы твердым телом, но ведь сквозь него должны беспрепятственно двигаться другие тела. Как же быть? Весомый он или невесомый? Если весомый… Все каверзы начинаются сначала.

Десятки вопросов, один мучительнее другого, возникали перед физиками. И они без конца строили теории эфира, все более хитроумные и все менее понятные. Предтеча Эйнштейна по теории относительности, замечательный физик Лоренц досадовал в 1902 году, что эти теории не приносят никакого удовлетворения.

К тому времени эфир стал представляться физикам бестелесным призраком, да еще абсолютно покоящимся. Другого выхода не оставалось: модель такого неподвижного эфира предложил в XIX веке именно Лоренц — она казалась «самой удачной». Но этому призраку нанес непоправимый удар один замечательно тонкий, тысячекратно описанный опыт, прославивший физика Альберта Майкельсона.

Если свет распространяется в неподвижном эфире, а Земля летит сквозь эфир, то два световых луча — один, пущенный по направлению полета Земли, а другой — в противоположном направлении, — должны двигаться относительно Земли с разными скоростями.

Первый из этих лучей Земля догоняет, уменьшая этим его относительную скорость. От второго — убегает. И потому относительная скорость этого луча увеличивается. Навстречу Земле должен как бы дуть эфирный ветер, тормозящий свет. Так мотоциклист, даже в недвижном зное степного полдня чувствует, как бьет ему в лицо поток горячего воздуха: своим движением он сам создает этот ветер… И вот оказалось, что разницы в скоростях двух световых лучей нет! Оказалось, что в отличие от мотоциклиста Земля «не чувствует» никакого эфирного ветра, который должен был бы «бить ей в лицо», если бы она и впрямь летела через неподвижный эфир.

Идея неподвижного эфира стала в противоречие с прямым опытом, а это — худшее из всего, что может случиться с физической идеей.

Правда, приверженцы старого призрака могли возразить: «Погодите, погодите, мы поставим еще более тонкие опыты, и тогда…»

— Вы и тогда ничего уже не докажете! — сказал в начале нашего века Альберт Эйнштейн.