Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью

Эйнштейн начал собственную революцию в физике за двадцать лет до описываемых событий. Ему было тогда столько же лет, сколько теперь было Гейзенбергу, – и он тоже находился в изоляции, хоть и не связанной с аллергией. В 1905 году, работая клерком в швейцарском патентном бюро, Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности, разрешив таким образом давний спор о природе света. До Эйнштейна считалось, что свет является волной, распространяющейся в некоторой пока не обнаруженной среде с характерным для XIX века названием «светоносный эфир». Но в 1887 году физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли потерпели неудачу при попытке зарегистрировать движение Земли сквозь эфир. Чтобы объяснить результат этого эксперимента, физики стали одну за другой выдвигать все более сложные и искусственные идеи. Один из них предположил, что эфир сжимает объекты, когда они движутся сквозь него. Другой показал, что этого недостаточно – эфир должен также замедлять все физические процессы в движущихся сквозь него телах! Попытки приписать эфиру столь странные свойства лишь для того, чтобы сохранить эту иллюзорную среду, становились все более искусственными и запутанными.

Эйнштейн разрубил этот узел одним великолепным ударом. Его идея была из тех, которые только по прошествии времени кажутся очевидными. Он предположил, что эфир так трудно описать и представить просто потому, что его вовсе не существует. Свет есть волна распространяющегося электромагнитного поля, которая движется всегда с одной и той же скоростью. Для движения этой волны никакая среда не нужна. Из такого простого предположения Эйнштейн вывел всю теорию движения – специальную теорию относительности. Она объяснила отрицательный результат опыта Майкельсона – Морли и позволила вывести из своих основных принципов казавшиеся странными эффекты – сокращение длины и замедление хода времени, которые другие теории принимали только как предположение.

Из специальной теории относительности вытекали необычные следствия. Одним из них было то, что скорость света оказывалась абсолютным пределом скорости: никакой объект или сигнал не мог двигаться быстрее, чем свет движется в вакууме. Из математики специальной теории относительности получалось, что для того, чтобы достичь скорости света, любому объекту требуется бесконечное количество энергии. А если объект каким-то образом сумеет двигаться быстрее света, то он теоретически отправится в прошлое и в принципе сможет не дать себе начать движение – парадоксальный результат. Скорость света и так довольно велика – около 300 000 км/c, но Эйнштейн к тому же показал, что никакое тело не может двигаться, никакой сигнал распространяться и никакое взаимодействие передаваться со скоростью, превышающей скорость света.

В том же году Эйнштейн напечатал продолжение своей работы: он развил теорию относительности, модифицировав ньютоновские законы движения. Попутно он вывел свое знаменитое уравнение, демонстрирующее, что масса есть форма энергии: E = mc². И это были лишь две из статей, опубликованных Эйнштейном на протяжении 1905 года, «года чудес». Он напечатал еще две выдающиеся работы: о поведении атомов и о взаимодействии света и вещества – за вторую из них он впоследствии получил Нобелевскую премию.

В своих работах по теории относительности Эйнштейн отчасти следовал идеям австрийского физика и философа Эрнста Маха. Мах считал, что наука должна основываться на описательных законах, которые не содержат никаких утверждений об истинной природе мира, – такие утверждения он отвергал как бесполезные для науки и практики. Для Маха одним из наиболее злостных нарушителей этого принципа был величайший физик Исаак Ньютон. Основополагающий труд Ньютона, «Начала», открывался предположением, что пространство и время – абсолютные самостоятельные сущности, реально существующие в мире. Это «чудовищное понятие абсолютного пространства» было, по мнению Маха, «чистым мыслеобразом[34], который нельзя уловить опытным путем». Мах полагал, что правильно построенная наука о механике будет обходиться без онтологических утверждений о том, какие именно вещи реально существуют, а вместо этого станет просто формулировать описательные математические законы, точно предсказывающие наблюдаемые движения всех тел. Хорошими теориями, по Маху, являются те, что устанавливают связи между наблюдениями, а не те, в которых постулируется существование принципиально ненаблюдаемых объектов.

С точки зрения Маха, образцовой моделью современной физической теории была термодинамика. Ее законы выведены в начале 1800-х Карно, Джоулем и другими. Термодинамика ограничивалась количественным описанием тепловых процессов, наблюдаемых в паровых машинах в любой точке мира. Она позволяла предсказывать ход тепловых процессов, не постулируя никаких сторонних ненаблюдаемых идей о природе теплоты. Термодинамика не основывалась на каких-либо неясных, непроверяемых утверждениях о том, что существует или не существует в мире, – она просто описывала этот мир.