 |
|
Квантовая революция
Несмотря на обилие блистательных и пытливых умов, сосредоточившихся на представлении о кванте, и отдельные истины, которые они предположили или открыли, к началу 1920-х никакой общей теории кванта все еще не возникло, и даже намека, что такая теория вообще возможна, не появилось. Бор состряпал кое-какие принципы, которые, окажись правдой, объясняли бы, почему атомы стабильны и почему у них такие спектральные линии, но с чего бы этим принципам быть истинными и как применять их к анализу других систем? Этого не знал никто.
Многие физики-квантовики разочаровались. Макс Борн (1882–1970), будущий Нобелевский лауреат, вскоре предложивший понятие фотона, писал: «Без всякой надежды думаю о квантовой теории, пытаюсь найти рецепт расчета устройства гелия и других атомов; но успехов никаких… Кванты и впрямь безнадежная неразбериха»[366]. А Вольфганг Паули (1900–1958), еще один получатель Нобелевской премии, предложивший, а затем и разработавший математическую теорию характеристики электрона под названием «спин», выразился так: «Физика сейчас очень мутная; для меня-то она во всяком случае чрезмерно трудна, лучше б я был комиком в кино, или кем-нибудь в этом роде, и никогда о физике не слыхал»[367].
Природа подкидывает нам загадки, и кому как не нам их разгадывать. Про физиков можно сказать одно: они глубоко верят, что в этих загадках скрыты фундаментальные истины. Мы убеждены, что природой управляют общие законы и что она – не винегрет не связанных между собой явлений. Первые исследователи-квантовики не знали, какая она будет, квантовая теория, но не сомневались, что такая теория должна возникнуть. Мир, исследуемый ими, упрямо не желал поддаваться объяснениям, но физики допускали, что в нем можно разобраться. Мечты питали их труд. Не скрыться им было от сомнений и отчаяния, как и всем нам, и все же они двигались вперед – трудным путем, который сжирал годы их жизней, а вела их вера, что в конце этого пути им достанется награда – истина. Как и в любом нелегком предприятии, как нам известно, преуспевают лишь те, в ком сильно стремление, а маловеры сходят с дистанции прежде, чем достигнут чего-либо.
Легко понять отчаяние Борна или Паули: квантовая теория – крепкий орешек не только сама по себе, но и созревала она в трудное время. Большинство пионеров кванта трудились в Германии или перемещались между Германией и институтом, на который Бор собрал деньги и который учредил в 1921 году при Университете Копенгагена, и потому им суждено было вести исследования нового научного порядка в поры, когда общественный и политический порядок распался и превратился в хаос. В 1922 году убили министра иностранных дел Германии. В 1923-м курс немецкой марки рухнул до одной триллионной ее довоенной цены, и на покупку килограмма хлеба требовалось пятьсот миллиардов «немецких талеров». И все же новые квантовые физики искали подпитки в понимании атома и вообще глубинных законов природы, действующих в этих мельчайших масштабах.
И подпитка наконец начала поступать – в середине того же десятилетия. Поступала она урывками, и первая статья на эту тему была опубликована в 1925 году – двадцатитрехлетним Вернером Гейзенбергом (19011976).
* * *
Гейзенберг родился в немецком Вюрцбурге, в семье преподавателя классического немецкого языка, и с самого детства было ясно, что он гениален – и азартен[368]. Отец поддерживал в нем дух соперничества, и Гейзенберг частенько дрался со своим старшим братом-погодком. Противостояние вылилось в кровавый мордобой – мальчишки избили друг друга деревянными стульями, после чего объявили перемирие, кое затянулась в основном потому, что каждый пошел своим путем, оставив дом, и братья до конца своих дней не перемолвились ни словом. Позднее Гейзенберг с той же свирепостью бросался в атаку на любые препятствия в своей работе.
Вернер всегда очень лично воспринимал любой сопернический вызов. Никакого особого таланта к лыжам у него не было, но он натренировался и стал отличным лыжником. Научился бегать на длинные дистанции. Освоил виолончель и фортепиано. Но, самое главное, еще в школе он обнаружил, что у него талант к арифметике, и он увлекся математикой и ее приложениями.
Летом 1920 года Гейзенберг решил получить докторскую степень по математике. Чтобы включиться в программу, необходимо было договориться с сотрудником факультета о покровительстве, и, спасибо отцовым связам, Гейзенберг смог добиться собеседования с известным математиком Фердинандом фон Линдеманом в Университете Мюнхена. Собеседование получилось не из категории приятных, таких, знаете, с чаем и тортиком «Шварцвальд» и рассказами о том, как все наслышаны о гении претендента. Напротив, оно оказалось из скверных: Линдеман, которому оставалось два года до пенсии, был глуховат, не слишком заинтересован в студентах-первогодках и все собеседование держал на столе пуделя, а тот лаял так громко, что Гейзенберга и слышно-то не было. Но под конец шансы Гейзенберга, похоже, обнулились совсем, когда он помянул прочитанную им книгу по Эйнштейновой теории относительности, авторства математика Германа [Херманна] Вейля. Услыхав об интересе молодого человека к книжкам по физике, теоретик чисел Линдеман резко свернул собеседование словами: «В таком случае вы совершенно потеряны для математики»1.
Этим замечанием Линдеман, быть может, имел в виду, что интерес к физике указывает на дурной вкус, хотя сам я как физик хотел бы думать: старый математик подразумевал, что осведомленность Гейзенберга о куда более интересном предмете помешает ему проявить необходимое в математике терпение. Так или иначе высокомерие Линдемана и его зашоренность изменили ход истории: прими он Гейзенберга, физика потеряла бы человека, чьи мысли стали сутью квантовой теории[369].
Отвергнутому Линдеманом Гейзенбергу мало что оставалось на выбор, и он решил добыть утешительный приз в докторской степени по физике под руководством Арнольда Зоммерфельда, большого поклонника Боровской модели атома, внесшего в нее немалый вклад. Зоммерфельд, худой, лысеющий мужчина в роскошных усах и без всякого пуделя, изрядно изумился, узнав, что юный Гейзенберг разобрался в книге Вейля. Не чрезмерно, чтобы тут же взять Гейзенберга к себе, но все же достаточно, чтобы принять его под крыло на время. «Быть может, вы что-то знаете, а может, не знаете ничего, – сказал Зоммерфельд. – Вот и поглядим»[370].
Гейзенберг, конечно же, что-то знал. Этого «чего-то» хватило, чтобы он в 1923 году защитил докторскую диссертацию у Зоммерфельда, а в 1924-м получил еще более высокую степень – doctor habilitatus, потрудившись под началом Борна в Гёттингене. Но его путь к бессмертию по-настоящему начался позже, с визита в Копенгаген к Нильсу Бору осенью 1924 года.
Когда прибыл Гейзенберг, Бор руководил бесплодными попытками улучшить свою модель атома, и Гейзенберг присоединился к нему. Я сказал «бесплодными» не потому, что они в итоге пропали втуне, а из-за их целей: Бор хотел избавить свою модель от фотона, Эйнштейнова кванта света. Странное, казалось бы, дело: именно мысль о световом кванте подтолкнула Бора думать о том, что у энергии атома могут быть лишь некоторые дискретные значения. Все же Бор, как и многие физики, в действительность фотона верил без охоты и потому задался вопросом: можно ли разработать версию Боровской модели атома, в которой фотона не будет?[371]Бор считал, что можно. Мы уже знаем, как Бор корпит над теми или иными представлениями и преуспевает, но тут он корпел безуспешно.
В поры моего студенчества мы с друзьями боготворили многих физиков. Эйнштейна – за его непрошибаемую логику и радикальные мысли. Фейнмана и британского физика Поля Дирака (1902–1984) – за изобретение с виду противозаконных математических понятий и получение с их помощью потрясающих результатов. (Математики позднее все же совладают с ними и теоретически.) А Бора – за его чутье. Мы думали о них как о героях, сверхчеловеческих гениях, чье мышление всегда было ясным, а видение – верным. Ничего необычного в этом нет, думаю: все художники, предприниматели и фанаты спорта могут назвать людей, которых считают исполинами.
Когда я был студентом, нам говорили, до чего могучим было чутье Бора в квантовой физике – словно «прямая линия с Богом». Обсуждение рассвета квантовой теории часто включает великие прозрения Бора, однако редко поминаются его многочисленные заблуждения. Это естественно: выживают лишь дельные соображения, а ошибочные забываются. Увы, у нас при этом складывается ложное впечатление, что наука гораздо прямее и проще – по крайней мере, для некоторых «гениев», – чем она есть на самом деле.
Великий баскетболист Майкл Джордан однажды сказал: «Я за свою карьеру пропустил больше девяти тысяч мячей. Проиграл почти триста игр. Двадцать шесть раз мне доверили решающий бросок, и я его запорол. Я ошибался и проигрывал, ошибался и проигрывал. И потому преуспел»[372]. Он произнес это в рекламе «Найки», поскольку знать, что даже легенды проигрывают, но продолжают свое дело невзирая на неудачи, – штука вдохновляющая. Но в поле первооткрывательства и нововведений столь же ценно знать о заблуждениях Бора или о бесплодных попытках Ньютона в алхимии, чтобы признать: наши интеллектуальные идолы тоже приходили к ложным выводам, и неудачи их столь же громадны, как и те, что случаются с нами.
Бор, похоже, считал свою модель атома слишком радикальной, и это, да, интересно, но неудивительно: в науке, как и в обществе, все строится на определенных общих представлениях и верованиях, и Боровская модель в них не встраивалась. И потому все пионеры науки от Галилея и Ньютона до Бора и Эйнштейна – и далее – одной ногой стояли в прошлом, хотя воображение помогало им творить будущее.
В этом «революционеры» науки ничем не отличаются от впередсмотрящих в других областях. Взять, к примеру, Авраама Линкольна [Эйбрэхэма Линкена][373], освободителя рабов Американского Юга, который все же так и не смог избавиться от архаической веры, что расы никогда не смогут жить вместе в «общественном и политическом равенстве». Сам Линкольн понимал, что взгляды человека на рабство могут противоречить его терпимости к расовому неравенству. Но он отстаивал свое принятие превосходства белых, утверждая, что, «согласуется со справедливостью» такая позиция или нет, дело не в этом, а в том, что белое превосходство есть «всеобщее ощущение»[374], от коего, «благонамеренно оно или нет, нельзя взять и отказаться». Забыть о белом превосходстве, иными словами, даже для самого Линкольна было слишком радикальным шагом.
Если поспрашивать людей, почему они убеждены в том или этом, они обычно не настолько открыты и осознанны, как Линкольн. Мало кто признается, как это, по сути, сделал 16-й американский президент, что верит в то или это, потому что все в это верят. Или «потому что я всегда так считал», или «потому что меня научили в это верить семья и школа». Но, как отмечал Линкольн, это благонамеренная часть доводов. В обществе единые для всех ценности создают культуру, но временами – и несправедливость. В науке, искусстве и других областях, где важны творчество и новаторство, общие верования могут воздвигать барьеры на пути мышления. И поэтому перемены зачастую происходят рывками, и поэтому же Бор увяз в попытках видоизменить свою теорию.
Пусть новой теории Бора и сужден был провал, у нее все-таки имелось одно счастливое свойство: она заставила юного Гейзенберга хорошенько задуматься над следствиями исходной теории Бора. Постепенно его размышления начали двигать его к радикальному новому взгляду на физику: быть может, имеет смысл или даже необходимо отставить представление о физической картинке внутреннего устройства атома – об орбитальном движении электронов, к примеру, которое мы в силах вообразить, но на практике наблюдать не можем.
Теория Бора, как и теории классической физики, основывалась на математических значениях, приписанных свойствам вроде положения на орбите и скорости движения по ней электрона. В мире предметов – снарядов, маятников, планет – Ньютон изучал положение и скорость, которые можно наблюдать и измерять. Но экспериментаторы не могут лабораторно наблюдать, где у нас сейчас электрон или как споро он движется – если движется вообще. Коли классические понятия положения, скорости, пути, орбит и траекторий нельзя подтвердить наблюдением на атомном уровне, рассуждал Гейзенберг, быть может, следует завязать с созданием науки атома – или иных систем, основанных на нем. К чему цепляться за старое? Оно, решил Гейзенберг, – лишь умственный балласт, чистый XVII век.
Можно ли, спрашивал себя Гейзенберг, развить теорию, основанную только на данных об атоме, которые подлежат прямому измерению, например, на частотах и амплитудах излучения, испускаемого атомом?
Резерфорд противился Боровской модели атома, потому что Бор не предложил никакого механизма, как электрон переходит с одного энергетического уровня в атоме на другой; Гейзенберг разобрался с этим замечанием, не измыслив такой механизм, а объявив, что механизма нет, нет никакого пути, когда речь заходит об электронах, или во всяком случае сам вопрос – за пределами физики, потому что физики меряют поглощенный или испущенный свет в таких процессах, но не могут сами эти процессы наблюдать. К возвращению в Гёттинген весной 1925 года лектором в институте Борна Гейзенберг обрел мечту, цель – разработать новый подход к физике, основанный исключительно на измеряемых данных.
Создать радикально новую науку, которая откажется от интуитивного описания действительности, данного Ньютоном, и отречется от его базовых понятий вроде положения в пространстве и скорости, кои мы все можем себе представить и понять, – устремление бесшабашное для кого угодно, не говоря уже о двадцатитрехлетнем Гейзенберге. Но, как Александр Великий, изменивший политическую карту мира в свои двадцать два, молодой Гейзенберг возглавит поход, который перелицевал научную карту мира.
* * *
Теория, созданная Гейзенбергом по вдохновению, займет место Ньютоновых законов движения как фундаментальная теория природы. Макс Борн назовет ее «квантовой механикой»[375], чтобы отличать от законов Ньютона, которые часто называют ньютоновской, или классической, механикой. Но теории физики обретают вес благодаря своей предсказательной силе и точности, а не по общему согласию или вкусам, и потому интересно, как теория, основанная на такой причудливой мысли, как Гейзенбергова, смогла «заместить» столь основательную теорию, достигшую стольких успехов, как Ньютонова.
Вот ответ: хотя понятийный аппарат квантовой механики сильно отличается от ньютоновского, математические прогнозы этих теорий обычно различаются лишь для систем масштабов атома или мельче, где законы Ньютона перестают действовать. И потому, полностью окрепнув, квантовая механика объяснила странное поведение атома, не противореча устойчивым описаниям повседневных явлений, предоставленным теорией Ньютона. Гейзенберг и другие развивавшие квантовую теорию знали, что так все и должно быть, и разработали математическое выражение этой идеи, посредством которого можно было с толком проверять молодую теорию. Бор назвал это «принципом соответствия» в квантовой механике.
Как Гейзенбергу удалось создать крепкую теорию из того, что в те времена было, считай, философскими предпочтениями? Он поставил себе задачу перевести представление о физике, основанной на «наблюдаемом», то есть на измеримых количествах, в математический аппарат, который, как и Ньютонов, можно применять для описания физического мира. Разрабатываемая им теория должна была быть применима к любой физической системе, но он развивал ее в контексте мира атома и с начальной целью объяснить путем общей математической теории причины успеха Боровской частной модели.
Гейзенберг первым делом взялся определять наблюдаемые величины, подходящие для атома.
Поскольку в атомном мире мы измеряем частоту света, испускаемого атомом, а также амплитуду – или интенсивность – спектральных линий, именно эти свойства Гейзенберг и выбрал. Затем он применил методы традиционной математической физики, чтобы вывести связь между классическими ньютоновскими наблюдаемыми величинами – положением в пространстве и скоростью – и спектральными данными. Он задался целью заместить с помощью этой выявленной взаимосвязи все величины, наблюдаемые в Ньютоновой физике, квантовым эквивалентом. Как выяснится, этот шаг требовал и творческого подхода, и смелости, потому что Гейзенбергу нужно было превратить положение в пространстве и импульс в математические сущности, оказавшиеся и новыми, и диковинными.
Новый тип переменных потребовался потому, что положение тела в пространстве, допустим, определяется указанием одной отдельной точки, спектральные данные же требуют другого описания. Каждое из многочисленных свойств света, испускаемого атомом, – цвет, яркость – описывается не одним числом, а целым набором чисел. Данные образуют матричную систему, потому что существует спектральная линия, соответствующая переходу из одного исходного состояния атома в любое конечное, и получается значение энергии для каждой пары Боровских энергетических уровней. Если это все кажется сложным, не переживайте – это на самом деле сложно. Когда Гейзенберг придумал эту систему, он сам назвал ее «очень странной»[376]. Но вот суть того, что он сделал: он удалил из теории электронные орбиты, которые можно себе вообразить, и заменил их чисто математическими абстракциями.
Работавшие с теориями атома до Гейзенберга стремились, как и Резерфорд, обнаружить механизм процессов внутри атома. Они мыслили недоступное наблюдению содержимое атома как существующее в действительности и пытались вывести природу наблюдаемых спектральных линий, основываясь на догадках о поведении содержимого атома – например, движущихся по орбите электронов. Их рассуждения всегда предполагали, что составляющие атома имеют те же ключевые характеристики, что и предметы, к которым мы привыкли в повседневности. И лишь Гейзенберг мыслил иначе, и ему хватило пороху смело объявить, что орбиты электронов – за пределами наблюдения, а значит – не реальны, и им нет места в теории атома. Таков был подход Гейзенберга не только к атому, но и к любой физической системе.
Настаивая на таком ходе рассуждений, Гейзенберг отказался от Ньютоновой картины мира как организации материальных объектов, у которых есть отдельное существование и определяемые свойства вроде скорости и положения в пространстве. Его теория, когда была доведена до совершенства, потребовала от нас принятия мира, основанного на иной понятийной схеме, – мира, в котором путь предмета и даже его прошлое и будущее не определены точно.
В теории Гейзенберга положение частицы представляется бесконечная матрица чисел, а не знакомые нам пространственные координаты
Учитывая, что в наше время многим людям непросто приспособиться к новшествам – к эсэмэс-общению и соцсетям, например, – можно лишь вообразить, какой открытости ума потребовала теория, утверждавшая, что электроны и ядра атомов, из которых мы с вами состоим, не имеют явно выраженного существования. Но подход Гейзенберга требовал именно этого. То была не просто какая-то новая физика, а совершенно новое представление о действительности. Оно привело Макса Борна к вопросу об извечном разделении между физикой и философией. «Я теперь убежден, – писал он, – что теоретическая физика есть подлинная философия»[377].
По мере того, как эти воззрения постепенно укладывались у Гейзенберга в голове и дополнялись математическими моделями, он все более воодушевлялся. Но в процессе у него случился приступ аллергии – настолько сильный, что ему пришлось уехать из Гёттингена и уединиться на скалистом острове в Северном море, где почти не было никакой растительности. Лицо у него, судя по всему, страшно распухло. И все же он продолжал работать, день и ночь, и завершил исследования, вошедшие в его первую статью о представлениях, которые перевернут всю физику вверх дном.
Вернувшись домой, Гейзенберг опубликовал свои открытия и выдал по экземпляру статьи своим друзьям Паули и Борну. Эта работа очерчивала общую методологию и применяла ее к паре простых задач, но Гейзенберг пока не мог приложить свои представления к расчету чего-нибудь практически интересного. Это было огрубление – зверски сложное и чрезвычайно загадочное при том. Борну разбираться с этим текстом было примерно так же, как нам общаться с людьми, каких иногда встречаешь на вечеринках: они без передышки толкуют о чем-то совершенно невнятном. Большинство людей на чтение материалов такой сложности выделяют пару минут, после чего бросают и пропускают стаканчик вина. Но Борн проявил упорство. И в конце оказался под таким сильным впечатлением от работы Гейзенберга, что тут же написал Эйнштейну[378]и сообщил ему, что соображения юного ученого – «несомненно верны и глубоки».
Как и Бора с Гейзенбергом, Борна вдохновляла Эйнштейнова относительность[379], и он отмечал, что сосредоточенность Гейзенберга на подлежащих измерению характеристиках подобна Эйнштейнову пристальному вниманию к результатоориентированным сторонам искажения времени – при разработке теории относительности.
Впрочем, Эйнштейну теория Гейзенберга не понравилась, и именно в этой точке эволюции квантовой теории Эйнштейн и квант двинулись каждый своей дорогой: Эйнштейн не смог заставить себя принять теорию, отказывающуюся от существования определяемой объективной действительности, в которой предметы имеют определяемые свойства – положение в пространстве и скорость, к примеру. Свойства атома могут быть объяснены промежуточной теорией, не основанной на орбитальном движении, – это Эйнштейн переварить мог. Но фундаментальную теорию, объявляющую, что таких орбит не существует, – под таким подписываться он был не готов. И потому позднее отмечал: «Я склонен верить, что физики не удовлетворятся… непрямым описанием Действительности»[380].
Гейзенберг и сам не до конца понимал, что создал. Впоследствии он вспоминал, как головокружительно это было – он работал до трех пополуночи как-то раз, уже стоя на пороге открытия, и так разволновался, что не мог уснуть. И все же, трудясь над рукописью первой статьи, в которой выдвигал свои соображения, писал отцу: «Работа моя сейчас идет не слишком хорошо. Получается немногое, и я не знаю, родится ли из всего этого другая [статья]»[381].
Борн тем временем ломал голову над диковинной математикой Гейзенберга. И в один прекрасный день его осенило: такую схему, как у Гейзенберга, он уже где-то видел. Математики, вспомнил он, называют это матрицами.
Матричная алгебра в те поры была предметом загадочным и темным, и Гейзенберг, судя по всему, ее переизобрел. Борн попросил Паули помочь перевести работу Гейзенберга на математический язык матриц (и расширить этот язык так, чтобы, по Гейзенбергу, в нем нашлось отражение бесконечному числу рядов и столбцов). Будущий нобелевский лауреат Паули возмутился[382]. Он обвинил Борна в попытке разрушить красивые «физические представления» его друга, введя в них «бестолковую математику» и «скучный путаный формализм».
На самом же деле язык матриц окажется в итоге большим упрощением изложенного Гейзенбергом. Борн нашел другого помощника в матричной алгебре – своего студента Паскуаля Йордана, и за несколько месяцев, к ноябрю 1925-го, Гейзенберг, Борн и Йордан собрали статью по квантовой теории Гейзенберга, ставшую вехой в истории науки. Вскоре после этого Паули усвоил их работу и приложил новую теорию к выводу характеристик спектральных линий водорода, а также показал, как на них влияют электрические и магнитные поля, что прежде было невозможно. Таково было первое практическое применение новорожденной теории, которая того и гляди готова была сместить Ньютонову механику.
* * *
Более двух тысяч лет прошло с рождения понятия «атом», более двухсот – со времен разработки Ньютоном классической механики, более двадцати – с тех пор, как Планк и Эйнштейн предложили понятие кванта. Теория Гейзенберга в некотором смысле стала кульминацией всего этого пути научного мышления.
Вернер Гейзенберг (слева) и Нильс Бор
Загвоздка состояла в следующем: теория Гейзенберга в полноте представленности – это тридцать страниц объяснений энергетических уровней атома, а теория Бора то же самое растолковывала в нескольких строках. На это мой всегда практичный отец-портной сказал бы: «Ой-вэй, и ради этого надо было учиться столько лет?» И все же теория Гейзенберга превосходила Боровскую, поскольку приводила к результатам, основываясь на глубинных принципах, а не на частных допущениях, как у Бора. За это, как вам может показаться, теорию вроде как должны были немедленно принять. Но большинство физиков в исследованиях по теории кванта впрямую не участвовали и, похоже, мыслили, как мой папа. С их точки зрения тридцать страниц вместо трех строк – спорный прогресс. Они, включая и Резерфорда, совершенно этого не скрывавшего, не пришли в восторг и не заинтересовались – и отнеслись к Гейзенбергу так, как вы бы восприняли автомеханика, который докладывает, что поломку можно было бы исправить новым термостатом, но вообще лучше заменить весь автомобиль.
Малая группа знатоков квантовой теории, однако, откликнулась иначе. Гейзенбергова статья сразила их наповал – почти всех без исключения. Эта, прямо скажем, сложная теория предлагала глубокое объяснение, почему оказалась верной промежуточная теория Бора применительно к водороду, а также предлагала полное объяснение наблюдаемым данным.
В особенности для Бора эта работа стала апогеем поиска, который он же и помог начать. Он знал, что его модель – частная, что ей суждено рано или поздно получить объяснение некоей общей теорией, и он не сомневался, что это она и есть. «Благодаря работе Гейзенберга, – писал он, – как по мановению, воплотилось будущее, которое… так долго было сутью наших желаний»[383].
Некоторое время физика пребывала в странном состоянии – как на стадионе Чемпионата мира, когда победный гол уже забили, но заметила это лишь горстка фанатов. Как ни странно, в конце концов из квантовой теории, представлявшей интерес лишь для специалистов, нечто, признанное фундаментальной теорией в основании всей физики, получилось благодаря появлению двух статей, в январе и феврале 1926 года, и обе они описывали другую общую теорию кванта, которая применяла совершенно иные понятия и методы и предлагала вроде бы иной взгляд на действительность.
Новая теория-конкурент описывала электроны в атоме как волну – понятие, которое физики уже привыкли представлять себе, пусть и не применительно к электрону. Удивительно, что, несмотря на различия, эта теория, как и Гейзенбергова, объясняла Боровскую модель атома. Со времен греков ученые вынуждены были обходиться вообще без всяких теорий, описывающих атом. А теперь вроде как возникло аж две. Они казались несовместимыми друг с другом: одна рассматривала природу состоящей из волн материи и энергии, вторая настаивала, что нет смысла воспринимать природу как состоящую из чего бы то ни было, и предлагала рассматривать лишь математические взаимоотношения между данными.
Новая квантовая теория – работа австрийского физика Эрвина Шрёдингера (1887–1961), и она отличалась от Гейзенберговой в той же мере, в какой эти двое людей различались между собой, и по стилю, и путями, которыми они пришли к своим открытиям. Гейзенберг доделывал свой труд, сидя на каменистом острове с распухшим носом, а Шрёдингер возился со своим на рождественских каникулах, которые проводил со своей любовницей в альпийском курортном городе Ароза. Он «делал великую работу»[384], как сказал один друг-математик, «во время запоздалого эротического всплеска в своей жизни». Под «запоздалым» тот математик имел в виду преклонный возраст Шрёдингера – тридцать восемь лет.
Быть может, тот математик в отношении преклонности лет Шрёдингера и был прав. Мы не раз и не два наталкивались на юных физиков, открытых к новым воззрениям, и на тех, что постарше, стремящихся к традиционным методам, словно чем старше человек делается, тем труднее ему принимать перемены непостоянного мира. Работа Шрёдингера, как оказалось, – на самом деле еще один пример той же тенденции: как ни странно, мотивация Шрёдингера к созданию его теории, по его же признанию, состояла в разработке квантовой теории, которая, в противовес Гейзенберговой, походила бы на привычную физику, то есть Шрёдингер стремился сохранить привычное, а не отбросить его.
В отличие от куда более молодого Гейзенберга Шрёдингер и впрямь представлял себе движение электронов в атоме. И хотя его диковинные «волны материи» не наделяли электрон впрямую ньютоновскими свойствами, как орбиты Бора, его новая квантовая «волновая теория», которую поначалу никто не понимал, как толковать, оставляла надежду избежать вульгарного взгляда на действительность, предложенного теорией Гейзенберга.
Эту альтернативу физики оценили по достоинству. До Шрёдингера квантовая механика обретала поклонников очень медленно. Неведомая математика Гейзенберга, в том числе и бесконечное множество матричных уравнений, казалась чудовищно сложной, и физикам не хотелось расставаться с переменными, которые они в состоянии вообразить себе, в пользу символьных матриц. Теория Шрёдингера же была проста в применении и основывалась на уравнении, похожем на те, что физики уже учили в вузах в контексте волн в жидкостях и звуковых волн. Эта методология была для классических физиков хлебом насущным и делала переход к квантовой физике сравнительно легким. Важно и другое: предоставив способ визуализации атома, пусть и не применяя ньютоновские понятия вроде орбиты, Шрёдингер сделал квантовую теорию более удобоваримой – и антитезисом того, к чему стремился Гейзенберг.
Теория Шрёдингера полюбилась даже Эйнштейну – поначалу. Он и сам размышлял над волнами материи и в прошлом работал с австрийским ученым. «Замысел вашей работы происходит из подлинной гениальности!»1 – писал он Шрёдингеру в апреле 1926 года. Через десять дней Эйнштейн написал ему еще раз: «Я убежден, что вы своими выкладками по квантовой теории произвели решительный рывок вперед, и в точности так же я убежден, что метод Гейзенберга-Борна – заблуждение»[385]. Он восторженно отозвался о работе Шрёдингера и в начале мая.
Однако в том же мае 1926-го Шрёдингер сбросил еще одну бомбу: опубликовал статью, в которой показал, к своему же смятению, что его теория и теория Гейзенберга математически равносильны – обе верны. Обе теории, хоть и применяли разные понятийные аппараты, разные представления о том, что происходит «под капотом» природы (Гейзенберг-то вообще отказался даже заглядывать под этот капот), как выяснилось, отличались лишь в языке изложения: сообщаемое обеими теориями о том, что мы наблюдаем, было одинаково.
Усложняя все еще больше (или же для пущей интересности) двумя десятилетиями позже Ричард Фейнман разработает третью формулировку квантовой теории, довольно отличную математически и понятийно и от Гейзенберговой, и от Шрёдингеровой, однако математически равносильной теориям более ранним, с применением тех же физических принципов и с теми же прогнозируемыми результатами.
Уоллес Стивенз писал: «Трехсмысленно было мне, / Словно дереву, / В коем есть три дрозда»[386], но применительно к физике такая ситуация странна. Если в физике вообще есть «истина», может ли быть более одной «правильной» теории? Да, даже в физике может существовать множество способов смотреть на вещи. Это особенно верно для современной физики, в которой то, на что мы «смотрим», вроде атомов, электронов или частиц Хиггса, не может быть буквально «увидено», и физики поэтому извлекают умозрительные картины скорее из математики, нежели из осязаемой действительности.
В физике один человек может сформулировать теорию в одних понятиях, а другой, описывая то же явление, – в других. Над войной правых с левыми в политике эти занятия в физике возвышает вот что: для признания истинности воззрения оно должно пройти испытание экспериментом, а это означает, что альтернативные теории должны приводить к одним и тем же выводам, а в политической философии такое случается редко.
Что возвращает нас к вопросу, открывают ли новые теории или же изобретают. Не вдаваясь в философские рассуждения о том, существует ли внешняя объективная действительность, можно сказать, что процесс создания квантовой теории был открытием – в том смысле, что физики наткнулись на многие ее принципы, исследуя природу, однако квантовая теория была изобретена – потому что ученые разработали и создали несколько разных понятийных систем, но все они выполняют одну и ту же задачу. В точности, как материя может вести себя и как волна, и как частица, так же, судя по всему, и теория, описывающая это явление, имеет два, казалось бы, противоречащих друг другу вида.
Когда Шрёдингер опубликовал свою статью, доказывавшую равносильность его и Гейзенберговой теорий, никто все равно тогда не понял подлинного толкования предложенной Шрёдингером формулировки. И все же его доказательство явило, что в будущей работе станет ясно: его подход поднимал те же философские вопросы, какие уже были очевидны в Гейзенберговой версии теории. И после этой статьи Шрёдингера Эйнштейн более никогда ничего одобрительного про квантовую теорию не напишет.
На квантовую теорию вскоре ополчился и сам Шрёдингер. Он заявил, что не стал бы публиковать свои статьи, знай он, «к каким последствиям это может привести»[387]. Он разработал свою с виду безобидную теорию, желая предложить альтернативу неудобоваримым взглядам Гейзенберга, но равносильность двух теорий означала, что сам он не сознавал возмутительных следствий своей же работы. В итоге он лишь подлил масла в огонь и подтолкнул рождение новых квантовых представлений, которые не склонен был принять.
В необычайно эмоциональном примечании к своей статье о равносильности Шрёдингер написал, что он «чувствует обескураженность, если не сказать отвращение»[388]к методам Гейзенберга, «кои представляются мне очень трудными и лишенными возможности визуализации». Отвращение, как выяснилось, было взаимным. Прочитав статью, в которой Шрёдингер представлял свою теорию, Гейзенберг написал Паули: «Чем больше я думаю над физической частью статьи Шрёдингера, тем отвратительнее она мне кажется… написанное Шрёдингером о возможности визуализации его теории – чепуха»[389].
Соперничество оказалось односторонним: метод Шрёдингера быстро стал излюбленным подходом большинства физиков – для решения большинства задач. Ряды ученых, взявшихся за квантовую теорию, быстро расширились, а применявших метод Гейзенберга – поредели.
Даже Борн, содействовавший Гейзенбергу в разработке его теории, предпочел метод Шрёдингера, а друг Гейзенберга Паули восхищался, до чего проще выводить спектр водорода с помощью уравнений Шрёдингера. Гейзенбергу это все страшно не нравилось. Бор меж тем сосредоточился на понимании соотносимости двух теорий. В конце концов британский физик Поль Дирак предложил исчерпывающее объяснение глубокой связи между ними и даже изобрел собственную гибридную математическую трактовку – как раз ее все и предпочитают ныне, – которая позволяет ловко перемещаться от теории к теории, в зависимости от конкретной задачи. К 1960 году накопилось более 100 000 статей[390], посвященных применению квантовой теории.
* * *
Вопреки любым прорывам в квантовой теории подход Гейзенберга навсегда останется в ее сердце: ученого вдохновляло желание исключить классическую картину, в которой у частиц есть траектории или пространственные орбиты, и в 1927 году он наконец издал статью, гарантировавшую ему победу в этой войне. Он раз и навсегда доказал, что, какую математическую трактовку ни применяй, дело упирается в научный принцип – мы его знаем как принцип неопределенности: представлять себе движение по-ньютоновски – без толку. Хотя взгляды Ньютона на действительность могут показаться эффективными на макроскопическом уровне, в масштабах атомов и молекул, из которых макроскопические объекты состоят, Вселенной управляют совершенно иные законы.
Принцип неопределенности регулирует, что мы можем знать в любой заданный момент времени о любой паре наблюдаемых величин – положении в пространстве и скорости[391]. Это не ограничение в методиках измерения и не предельность человеческой находчивости – это ограничение, наложенное самой природой. Квантовая теория утверждает, что предмет не имеет точных свойств – положения в пространстве и скорости, и, более того, при попытке их измерить чем с большей точностью измеряется одна величина, тем меньше точности в измерении второй.
В повседневной жизни мы, конечно же, можем – вроде бы – измерить положение в пространстве и скорость сколь угодно точно. С виду – противоречие принципу неопределенности, однако, если проделать математические расчеты по квантовой теории, обнаружится, что массы привычных предметов до того громадны, что принцип неопределенности неприменим к явлениям повседневности. Вот почему Ньютонова физика так славно применялась столько лет: границы Ньютонова завета проступили, только когда физики взялись за явления в масштабах атома.
К примеру, представим, что электроны имеют массу футбольного мяча. Тогда, если зафиксировать положение электрона с точностью до одного миллиметра в любую сторону, все равно можно измерить его скорость с точностью даже большей, чем плюс-минус одна миллиардно-миллиардно-миллиардная километра в час. Этого всяко достаточно для любых нужд, к каким мы могли бы применить эти расчеты на практике. А вот настоящий электрон, поскольку он гораздо легче футбольного мяча, – совсем другое дело. Если измерить положение настоящего электрона с точностью, соответствующей примерно размерам атома, принцип неопределенности утверждает: в этом случае скорость электрона не может быть определена точнее, чем плюс-минус тысячи километров в час, – такова разница между неподвижным электроном и движущимся со скоростью реактивного самолета. Вот где Гейзенбергу воздаяние: те самые ненаблюдаемые орбиты в атоме, описывающие точную траекторию движения электрона, как ни крути, запрещены самой природой.
Чем больше накапливалось знаний о квантовых явлениях, тем яснее становилось, что в квантовом мире нет определенностей, а есть лишь вероятности – никаких «да, будет так», а лишь «разумеется, что угодно из перечисленного может случиться». В Ньютоновом мировоззрении состояние Вселенной в любой момент времени в будущем или прошлом оттиснуто во Вселенной в настоящем, и, применяя законы Ньютона, кто угодно с должным уровнем развития ума сможет этот оттиск разобрать. Будь у нас вдосталь физических подробностей о внутреннем устройстве Земли, мы могли бы предсказывать землетрясения; знай мы все физические нюансы, касающиеся погоды, могли бы, в принципе, с определенностью сказать, пойдет ли завтра дождь – или через сто лет после завтра.
Этот ньютоновский «детерминизм» – суть Ньютоновой науки: представление о том, что одно событие есть причина следующего и далее, и что все можно предсказать, применив математику. Это часть озарения Ньютона, определенность головокружительного свойства, какая вдохновляла всех, от экономистов до социологов, «заказать себе того же, что подали физике»[392]. Но квантовая теория говорит нам, что в ее сути – на фундаментальном уровне атомов и частиц, из которых состоит всё, – мир не однозначен, что текущее положение Вселенной не определяет ее будущих (или прошлых) событий, а лишь вероятность одного из многих альтернативных вариантов будущего (или случившегося прошлого). Мироустройство, говорит нам квантовая теория, подобно гигантской игре в «бинго». Именно в ответ на эти соображения Эйнштейн сделал в письме Борну свое знаменитое заявление, что «[квантовая] теория много чего сообщает, но вряд ли приближает нас к тайне Старца. Я в любом случае убежден, что Он не играет в кости»[393].
Интересно, что Эйнштейн в этом заявлении обращается к понятию Бога – Старца. В традиционную личность Бога, как, скажем, в Библии, Эйнштейн не верил. Для Эйнштейна «Бог» – не игрок, вовлеченный в интимные стороны наших жизней, а скорее представление о красоте и логической простоте законов мироздания. И потому, сказав, что Старец не играет в кости, он имел в виду, что роль случайности в великом устройстве природы он, Эйнштейн, принять не может.
Мой отец не был ни физиком, ни игроком в кости, и, живя в свое время в Польше, понятия не имел, какие великие события происходят в физике – всего в нескольких сотнях миль от него. Но когда я объяснил ему принцип неопределенности квантовой теории, ему она досадила гораздо меньше, чем Эйнштейну. С точки зрения моего отца, поход за постижением Вселенной заключается главным образом не в наблюдениях в телескопы или микроскопы, а, скорее, в сути человеческого. И потому, как он для себя понял из своей же жизни Аристотелево разделение естественных и насильственных перемен, так же и его прошлое упростило ему переваривание и случайности, заложенной в квантовой теории. Он рассказал мне, как стоял как-то раз в длинной цепочке на городской рыночной площади, куда нацисты согнали тысячи евреев. Когда началась облава, он спрятался в нужнике, вместе с беглым главарем подпольщиков, которого ему было велено защищать. Но ни тот, ни другой не смогли выдержать вонь и в конце концов вылезли наружу. Беглец удрал, и никто его больше никогда не видел. А моего отца загнали в конец собранной шеренги.
Дело двигалось медленно, и отец видел, как всех суют в грузовики. Близилась его очередь, но тут начальник-эсэсовец отсек последних четверых, среди которых был и мой отец. Им нужно было три тысячи евреев, сказал эсэсовец, а в шеренге было, судя по всему, 3004. Куда бы там их ни отправляли, поедут без этих четверых. Позднее отец выяснил, что везли те три тысячи на местное кладбище, где им велели вырыть огромную братскую могилу, после чего расстреляли и в ней же похоронили. Мой отец в смертельной лотерее, где немецкая точность взяла верх над нацистской жестокостью, вытянул билет номер 3004. По мнению отца, то был пример случайности, какую его ум не в силах был постичь. Случайность же квантовой теории, напротив, – проще простого.
Как и наши жизни, теория может опираться на твердый фундамент, а может возводиться на песке. Эйнштейнова безграничная надежда на физический мир состояла в том, что квантовая теория окажется возведенной на песке, слабом фундаменте, который со временем приведет к обрушению постройки. С появлением принципа неопределенности Эйнштейн предположил, что не фундаментальный закон природы, а ограничение квантовой механики – показатель того, что теория эта зиждется не на твердой почве.
Тела действительно имеют определяемые значения положения в пространстве и скорости, считал он, но квантовая теория просто не умеет с ними обращаться. Квантовая механика, говорил Эйнштейн, хоть и бесспорно успешна, наверняка есть неполное воплощение более глубокой теории, которая вернет нам объективную действительность. И хотя мало кто разделял эту веру, многие годы такую возможность никто не отметал, и Эйнштейн сошел в могилу, думая, что в один прекрасный день ему воздастся по вере. За последние десятилетия, однако, при помощи сложных экспериментов, основанных на хитроумнейших трудах ирландского физика-теоретика Джона Белла (1928–1990), эта вероятность все-таки была исключена. Квантовая неопределенность с нами накрепко.
«Вердикт Эйнштейна, – признавался Борн, – оказался тяжелым ударом»[394]. Борн вместе с Гейзенбергом внесли важный вклад в вероятностное толкование квантовой теории и надеялись на более положительный отзыв. Борн обожал Эйнштейна и переживал потерю так, словно его покинул почитаемый вожак. Другие чувствовали что-то похожее – их даже трогало до слез, когда приходилось отказываться от представлений Эйнштейна. И вскоре Эйнштейн остался в оппозиции к квантовой теории практически один – по его словам, петь свою «одинокую песенку»[395]и смотреться «со стороны довольно странно». В 1949 году, примерно через двадцать лет после первого письма, отвергшего работу Борна и всего за шесть лет до смерти, он вновь написал Борну: «Ко мне в целом относятся как к окаменелости, слепой и глухой от старости. Мне эта роль не слишком противна, поскольку очень хорошо подходит мне по темпераменту»[396].
* * *
Квантовая теория была создана благодаря такой концентрации мозговой мощи в Центральной Европе, какая превзошла или по крайней мере не уступала величию интеллектуальных созвездий, которые мы повидали в нашем странствии сквозь века. Новаторство начинается с правильного физического и общественного окружения, и потому малость вклада тех, кто обитал вдали, неудивительна: благодаря техническим новшествам, сделавшим доступным море новых явлений в масштабах атома, физикам-теоретикам повезло участвовать в научном сообществе в нужное время и в нужных местах и обмениваться находками и наблюдениями, касавшимися аспектов Вселенной, которые явлены были человеку впервые в истории. В Европе то было волшебное время, интеллектуальные небеса озаряли вспышки воображения, одна за другой, пока не проступили границы нового царства природы.
Квантовая механика родилась упорством и гением многих ученых, трудившихся в пределах узкой географии, они обменивались мыслями и спорили, однако едины были в своей страсти и преданности общей цели. И союзы, и противостояния тех великих умов, впрочем, вскоре затмит хаос и дикость, что захватывали их континент. Звезды квантовой физики рассеет, как игральные карты при неловкой тасовке.
Начало конца случилось в январе 1933 года, когда фельдмаршал Пауль фон Гинденбург [Хинденбург], президент Германии, назначил Адольфа Гитлера [Хитлера] канцлером. На следующую же ночь в великий университетский город Гёттинген, где Гейзенберг, Борн и Йордан трудились над Гейзенберговой механикой, вошли облаченные в нацистскую форму люди, размахивая факелами и знаменами со свастикой, распевая патриотические песни и насмехаясь над евреями. За несколько месяцев нацисты провели церемонии сжигания книг по всей стране и принялись выгонять ученых-неарийцев из университетов. Внезапно многим почтенным немецким интеллектуалам пришлось либо уехать с родины, либо, как мой отец-портной из Польши, лишенный такой возможности, остаться и смотреть, как нарастает нацистская угроза. По некоторым оценкам, за пять лет Германию покинуло около двух тысяч ученых – из-за национального происхождения или по политическим убеждениям.
О восхождении к власти Гитлера Гейзенберг, как известно, с немалой радостью говорил: «Теперь-то по крайней мере будет у нас порядок, конец смуте, сильная рука правит Германией, к вящей пользе всей Европе»[397]. Еще с отрочества Гейзенбергу не нравилось, в каком направлении развивается немецкое общество. Он даже участвовал в националистической молодежной организации, которая практиковала пешие походы в леса с дискуссиями у костра о нравственном упадке Германии и утрате общей цели и традиций. Как ученый он стремился держаться от политики подальше, однако, судя по всему, видел в Гитлере сильного правителя, который сможет восстановить величие Германии времен до Первой мировой войны.
Однако новая физика, которой верховодил Гейзенберг и уж точно помог создать, Гитлера неизбежно бесила. В XIX веке немецкая физика установила свое господство и завоевала почтение преимущественно сбором и анализом данных. Разумеется, возникали и математические гипотезы, но физики на них не сосредоточивались. В первые десятилетия века ХХ-го, однако, теоретическая физика расцвела как дисциплина, и, как мы уже убедились, достигла поразительных успехов. Нацисты же отмахнулись от такой физики как от слишком заумной и математически мудреной. Как и «дегенеративное» искусство, которое они так ненавидели, эта физика виделась им отвратительно сюрреалистичной и абстрактной. Но что еще хуже – ею занимались ученые еврейского происхождения (Эйнштейн, Борн, Бор, Паули).
Нацисты обозвали эти новые теории – относительности и квантовую – «еврейской физикой». А это означало, что они не просто ложные – они тоже «дегенеративные», и нацисты запретили преподавать их в университетах. Даже Гейзенбергу досталось: он же работал на «еврейскую физику» – и с физиками-евреями. Эти нападки Гейзенберга разозлили: он, невзирая на многочисленные предложения престижных зарубежных постов, остался в Германии, был предан правительству и делал все, о чем бы Третий Рейх ни попросил.
Гейзенберг пытался раз и навсегда устранить неурядицы, обратившись напрямую к Генриху Гиммлеру [Хайнриху Химмлеру], главе СС и человеку, которому поручат организацию системы концлагерей. Матери Гиммлера и Гейзенберга были знакомы много лет, и Гейзенберг воспользовался этой связью, чтобы отправить письмо Гиммлеру. Тот откликнулся массированной восьмимесячной проверкой работы ученого, после которой Гейзенбергу еще много лет снились кошмары, однако увенчалась она объявлением Гиммлера, что, дескать, Гейзенберг – «приличный человек, и терять его или затыкать ему рот нам не с руки, он сравнительно молод и может учить новое поколение»[398]. За это Гейзенберг согласился отречься от создателей еврейской физики и не произносить их имена прилюдно.
Другой пионер кванта, Резерфорд, был в те поры в Кембридже. Там он помог основать и возглавил организацию, содействовавшую ученым-изгнанникам. Он умер в 1937 году, в шестьдесят шесть, из-за того, что отложил врачебное вмешательство по поводу грыжи. Дирак, ставший Лукасовским профессором в Кембридже (этот пост занимали Ньютон и Бэббидж, а позднее он отойдет к Хокингу), трудился некоторое время над темами, связанными с британским проектом разработки атомной бомбы, затем был приглашен работать в Манхэттенский проект, но отказался – по этическим соображениям. Последние годы он провел в Университете Флориды в Талахасси, где умер в 1984 году, в восемьдесят два. Паули, служивший профессором в Цюрихе в те времена, как и Резерфорд, возглавлял международный проект в пользу ученых-беженцев, но, когда началась война, ему отказали в швейцарском гражданстве, и он уехал в Штаты, где и жил, когда ему присудили Нобелевскую премию, сразу после войны.
В поздние годы он сильно увлекся мистицизмом и психологией, в особенности сновидениями, и был отцом-основателем Юнговского института в Цюрихе. Он умер в цюрихской больнице в 1958 году, в пятьдесят восемь, от язвы поджелудочной железы.
Шрёдингер, как и Паули, был австрияком, но, когда Гитлер пришел к власти, жил в Берлине. В отношении Гитлера, как и во многом остальном, Шрёдингер оказался противоположностью Гейзенбергу: он был выраженным антинацистом и вскоре, покинув Германию, занял пост в Оксфорде. Вскоре он вместе с Дираком получил Нобелевскую премию. Гейзенберг, пытавшийся как-то держать на плаву немецкую физику, осудил отъезд Шрёдингера: «Он же ни еврей, ни почему-либо еще в опасности»[399].
Как впоследствии оказалось, Шрёдингер в Оксфорде не задержался. Загвоздка состояла в том, что он жил одновременно и с женой, и с любовницей, которую считал, скорее, второй женой. Как писал его биограф Уолтер Мур, в Оксфорде «жены считались неуместной нагрузкой… В Оксфорде и одна жена – прискорбно, а две – вообще отвратительно»[400].
Шрёдингер в конце концов осел в Дублине. Умер от туберкулеза в 1961 году, в свои семьдесят три. Он подцепил эту хворь в 1918-м, когда сражался в Первой мировой, и проблемы с дыхательной системой у него были с тех пор всегда; поэтому он так любил швейцарский курорт Ароза, где и разработал свою версию квантовой теории.
К приходу Гитлера к власти Эйнштейн и Борн жили в Германии, и своевременная эмиграция была вопросом выживания – из-за еврейского происхождения обоих ученых. Эйнштейн, тогда – берлинский профессор, в день назначения Гитлера как раз навещал Калтех в Соединенных Штатах. Он решил не возвращаться в Германию, и с тех пор ноги его там больше не было. Нацисты конфисковали его личную собственность, сожгли его работы по теории относительности и назначили награду за его голову в пять тысяч долларов. Но Эйнштейна не застали врасплох: когда они выезжали в Калифорнию, он сказал жене, чтоб хорошенько вгляделась в их дом. «Ты его больше никогда не увидишь»[401], – сказал он. Она подумала, что он паясничает.
Эйнштейн сделался американским гражданином в 1940-м, но сохранил и свое швейцарское гражданство. Он умер в 1955 году и был доставлен в крематорий, где в молчании собрались двадцать его ближайших друзей. После краткого поминовения тело предали огню, а прах развеяли в тайном месте, однако патологоанатом Принстонской больницы извлек его мозг, и его с перерывами изучали не одно десятилетие. То, что от него осталось, хранится[402]в Государственном музее здравоохранения и медицины Американской армии в Силвер-Спринг, Мэриленд.
Борн, которому запретили преподавать, беспокоился, что его детей постоянно травят в школе, и тоже быстро взялся организовывать свой отъезд из Германии. Гейзенберг изо всех сил пытался добиться выведения Борна из-под запрета преподавать, наложенного на неарийцев, но Борн уехал, получив приглашение из Кембриджа, в июле 1933-го, а позднее перебрался в Эдинбург. Нобелевской премией его в 1932 году обделили – она досталась Гейзенбергу, за работу, которую они делали вместе, однако в 1954-м он свою «нобелевку» получил. Умер Борн в 1970-м. На его надгробии начертана эпитафия: «pq – qp = р/2», одно из наиболее известных уравнений квантовой теории, математическое утверждение, которое станет основой принципа неопределенности Гейзенберга, а также еще одного, который Борн с Дираком открыли независимо друг от друга[403].
Бор, живя в Дании, где он руководил научным учреждением, которое ныне называется Институтом Нильса Бора, некоторое время был чуть лучше огражден от действий Гитлера и помогал еврейским беженцам находить вакансии в Соединенных Штатах, Британии и Швеции. Но в 1940 году Гитлер вторгся в Данию, и осенью 1943 года шведский посол в Копенгагене шепнул Бору, что его ожидает неминуемый арест – в соответствии с планом депортации датских евреев. Как выяснилось позже, его собирались арестовать месяцем раньше, однако нацисты решили, что будет меньше шума, если подождать пика массовых арестов. Эта отсрочка спасла Бора, и он сбежал с женой в Швецию. На следующий день Бор встретился с королем Густавом V и убедил его публично предложить убежище беженцам-евреям.
Пионеры квантовой теории на Пятой Сольвеевской международной конференции «Электроны и фотоны», Брюссель, 1927 год. Верхний ряд: Шрёдингер (шестой слева), Паули (восьмой), Гейзенберг (девятый). Средний ряд: Дирак (пятый), Борн (восьмой), Бор (девятый). Передний ряд: Планк (второй), Эйнштейн (пятый)
Самому Бору, однако, угрожало похищение. Швеция кишела немецкими агентами, и, хотя Бора поселили в тайном месте, нацисты знали, что он в Стокгольме. Вскоре Уинстон Черчилль [Чёрчилл] дал Бору знать, что британцы готовы его эвакуировать, и ему постелили матрас в бомбовом отсеке «де Хевилленд Москито», невооруженного и быстрого истребителя-бомбардировщика, летавшего на больших высотах, где можно было избежать встречи с немецкими боевыми самолетами. По дороге Бор от недостатка кислорода потерял сознание, но все же дожил до приземления, по-прежнему в той же одежде, какая была на нем, когда он покинул Данию. Его семья приехала следом. Из Англии Бор отбыл в Штаты, где стал консультантом Манхэттенского проекта. После войны он вернулся в Копенгаген, где и умер в 1962 году, в семьдесят семь лет.
Из великих квантовых теоретиков в Германии остались лишь Планк, Гейзенберг и Йордан. Последний, как и великий физик-экспериментатор Гейгер, был нацистом-энтузиастом. Он стал одним из трех миллионов штурмовиков немецкой армии и гордо носил сапоги и повязку со свастикой[404]. Он пытался заинтересовать нацистскую партию в различных системах передового оружия, но вот поди ж ты: из-за его связей с «еврейской физикой» на него не обращали внимания. После войны он занялся политикой и даже получил кресло в Бундестаге – немецком парламенте. Он умер в 1980 году, в семьдесят семь лет, – единственный пионер квантовой теории, не получивший Нобелевской премии.
Планк никаких симпатий к нацистам не питал, но и не сопротивлялся им, даже втихаря. Как и Гейзенберг[405], он стремился в первую очередь хоть как-то сохранить немецкую науку, при этом подчиняясь всем нацистским законам и указам. Он даже встречался с Гитлером в мае 1933-го и пытался отговорить его от изгнания евреев из немецких академических кругов, но, разумеется, ничего не добился. Годы спустя младший сын Планка, с которым они были близки, попытался реформировать нацистскую партию более смелым манером – он имел отношение к заговору против Гитлера – того планировали убить 20 июля 1944 года. Гестаповцы арестовали его вместе с товарищами, пытали и казнили. Для Планка это стало последним ударом его полной трагедий жизни. Из пятерых детей трое других умерли в юности – старший сын погиб на фронте в Первую мировую, а двое дочерей скончались еще в детстве. Но говорят, что именно казнь сына окончательно затушила в Планке жажду жизни. Он умер два года спустя, в восемьдесят девять лет.
Гейзенберг, несмотря на свой начальный энтузиазм, постепенно охладел к нацистам. Тем не менее, покуда существовал Третий Рейх, за ним сохранялись высокие ученые посты, а сам он выполнял свои обязанности без жалоб. Когда евреев выгнали из университетов, он постарался изо всех сил сохранить немецкую физику, привлекая лучшие замены из возможных. Он не вступил в нацистскую партию, но оставался в своей должности и с режимом не ссорился.
Когда в 1939 году стартовал немецкий проект по разработке атомной бомбы[406], Гейзенберг ввязался в него охотно и погрузился в работу с громадной энергией. Он вскоре завершил расчеты, показывавшие, что цепная реакция ядерного распада возможна, и что чистый уран-235, редкий изотоп, – отличная взрывчатка. Такова одна из многих-многих шуток истории: успехи Германии в начале войны привели к их конечному поражению – режим не привлек к работе над бомбой достаточно ресурсов, поскольку война и так шла споро, а когда ветер переменился, уже было поздно, и нацистов победили прежде, чем они успели соорудить себе бомбу.
После войны Гейзенберга вместе с девятью другими ведущими немецкими учеными ненадолго взяли под стражу союзники. После освобождения он вернулся к работе над фундаментальными вопросами физики, над восстановлением немецкой науки и своей репутации среди ученых за пределами родной страны. Гейзенберг умер у себя дома в Мюнхене 1 февраля 1976 года, так никогда и не вернув себе прежнего положения.
Неоднозначный отклик послевоенного физического сообщества на Гейзенберга, вероятно, отражен и в моем собственном поведении. Еще студентом, в 1973 году, я имел возможность посетить лекцию о развитии квантовой теории, которую он читал в Гарварде, но не смог себя заставить. Годы спустя, получив грант Фонда Александра фон Гумбольдта от института, где Гейзенберг директорствовал, я частенько приходил под дверь его кабинета и размышлял о духе, участвовавшем в создании квантовой механики.
* * *
Хотя квантовая теория, разработанная великими первоисследователями кванта, не меняет нашего описания грубой физики макромира, она революционизировала наш образ жизни и изменила человеческое общество столь же мощно, как и промышленная революция. Законы квантовой теории лежат в основе всех информационных и коммуникационных технологий, перелицевавших современное общество, – компьютеров, интернета, спутников, сотовых телефонов и всей электроники. Но не менее важно, чем ее практические применения, то, что квантовая теория сообщает нам о природе и о науке.
Победа ньютоновского мировоззрения обещала нам, что, при верно проделанных математических расчетах, человечество сможет предсказывать и объяснять природные явления, и ученые во всех областях интеллектуальной деятельности желали «ньютонизировать» свои дисциплины. Физики-квантовики первой половины ХХ века пресекли эти стремления и явили истину по сути своей и придающую сил, и глубоко смиряющую. Сил она придает, потому что квантовая теория показывает: мы можем постигать незримый мир, не подвластный нашему прямому наблюдению, и манипулировать им. Смиряет же эта истина тем, что на протяжении тысячелетий развитие науки и философии подсказывало: наша способность понимать беспредельна, но теперь природа, заговорив языком великий открытий в квантовой физике, сообщает нам, что нашим познаниям и власти есть предел. Более того, квант напоминает нам, что может существовать другой незримый мир, что Вселенная – место чрезвычайно таинственное, и сразу за горизонтом могут скрываться многие необъяснимые явления, требующие новых революций мышления и теории.
На этих страницах мы преодолели миллионы лет, начав с первых людей, сильно отличных от нас с вами и физически, и умственно. В этом четырехмиллионолетнем странствии мы вступили в наше время всего лишь мгновение ока назад, но успели при этом познать законы, управляющие природой, – однако в этих законах сокрыто гораздо больше, чем мы переживаем в повседневности: «И в небе, и в земле сокрыто больше, – как говорил Гамлет Горацио, – чем снится вашей мудрости»[407].
В обозримом будущем наше знание продолжит прирастать, а с поправкой на экспоненциальный рост числа людей, занятых в науке, резонно предположить, что следующий век принесет нам открытия столь же великие, какие подарило последнее тысячелетие. Но если читаете эту книгу, вы знаете, что дело, скорее, в вопросах, задаваемых людьми о том, что нас окружает, нежели в технике, – мы, люди, видим в природе красоту и ищем смыслы. Нам нужно не просто знать, как устроена Вселенная, – нам важно постичь, каково наше место в ней. Мы хотим понять контекст своей жизни, своего конечного существования и ощутить связь с другими людьми, с их радостями и печалями, и с безбрежным мирозданием, в котором наши радости и печали играют совсем крошечную роль.
Понять и принять свое место во Вселенной может быть непросто, но такова с самого начала одна из целей тех, кто изучает природу, – от древних греков, считавших науку, наряду с метафизикой, этикой и эстетикой, ветвью философии, до первопроходцев науки Бойля и Ньютона, изучавших природу с целью понять суть Бога. Для меня связь между прозрениями о мирах физическом и человеческом ярче всего проявилась, когда я был в Ванкувере на съемках телесериала «Макгайвер». Я написал сценарий к снимавшейся тогда серии и приехал объяснять бутафорам и декораторам, как выглядит лаборатория физики низких температур. Вдруг посреди этих обыденных технических бесед я впервые прозрел: я понял, что мы, люди, совсем не выше природы, а просто приходим и уходим, как цветочки – или как вьюрки Дарвина.
Все началось с телефонного звонка, который перевели из конторы производства фильма на съемочную площадку. Вызывали меня. В те дни, до того, как у всякого двенадцатилетки возник мобильный телефон, принимать звонки на площадке было делом необычайным, и я обычно мог ответить на сообщения лишь через много часов после их поступления – мне их передавали на бумажках, исписанных вручную. Сообщения типа: «Леонарду: <неразборчиво> хочет, чтобы вы <неразборчиво>. Говорит, срочно! Перезвоните ему на <неразборчиво>». На этот раз все было иначе. Помощник продюсера принес мне телефон.
На другом конце был врач из больницы Университета Чикаго. Он сообщил мне, что мой отец пережил инсульт и находится в коме – отсроченный результат операции, проведенной за несколько месяцев до этого: отцу чинили аорту. К ночи я уже был в больнице и смотрел на своего отца – тот лежал на спине, глаза закрыты, вид умиротворенный. Я присел рядом и погладил его по волосам. Он был теплый на ощупь, живой, словно уснул, словно того и гляди проснется, улыбнется мне, протянет мне руку и спросит, не съем ли я с ним ржаного хлеба с маринованной селедкой на завтрак.
Я заговорил с ним. Сказал, что люблю его, – так же, как много лет спустя буду говорить это своим спящим детям. Но врач подчеркнул, что мой отец не спит. Он не услышит меня, сказал врач. Он сообщил, что, судя по показателям работы отцова мозга, можно считать, что он мертв. Теплое тело моего отца было словно та физическая лаборатория в «Макгайвере» – фасад, снаружи в прекрасной форме, но вообще же лишь оболочка, не способная на осмысленное существование. Врач сказал, что кровяное давление у отца будет постепенно снижаться, дыхание – замедляться, пока он не умрет.
В тот миг я возненавидел науку. Я хотел, чтобы она во всем заблу