Адам Беккер - Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью

Однако, возможно, наиболее убедительным и откровенным свидетельством истинной позиции Эйнштейна по отношению к идеям Маха являются две другие его прославленные статьи, опубликованные в том же 1905 году. В одной из них Эйнштейн объяснил броуновское движение – случайные движения микроскопических пылинок в жидкости. Это явление почти за восемьдесят лет до статьи Эйнштейна заметил ботаник Роберт Броун (а еще на сорок лет раньше – и первооткрыватель фотосинтеза Ян Ингенхауз), но никто не мог его удовлетворительно объяснить. Это мастерски сделал Эйнштейн – и сделал, отвергнув махистский подход к физике. Напротив, Эйнштейн принял позицию антагониста Маха, Людвига Больцмана, заявлявшего, что мир состоит из невообразимого количества крохотных атомов. Мах громогласно и неоднократно провозглашал, что ни в какие атомы не верит, так как они слишком малы и в принципе ненаблюдаемы. Но Больцман сумел показать, что именно статистическое описание поведения огромного количества атомов прямо ведет к тем самым законам термодинамики, которые Мах с такой охотой принимал на веру. (О существовании атомов свидетельствовала и химия – к тому времени она уже около полувека эксплуатировала это представление.) Маха аргументы Больцмана не убедили. Но Эйнштейн находил их неотразимыми и элегантными и с охотой воспользовался существованием атомов, чтобы решить поставленные перед собой задачи. Эйнштейн применил статистические методы Больцмана и показал, что броуновское движение обусловлено отскакиванием атомов жидкости от пылинок. Таким образом, одним ударом он не только объяснил столетнюю загадку, но и убедительно продемонстрировал, что построенный на идее атомов статистический подход Больцмана к физике оказался логичным и действенным.

Так что статья Эйнштейна о броуновском движении была прямо-таки антимахистской. Но другая его статья в этом отношении оказалась еще хуже. В ней Эйнштейн тоже предложил разгадку старой загадки: освещение металлической пластинки могло приводить к тому, что от нее по проволоке начинал идти электрический ток. В этом так называемом фотоэлектрическом эффекте удивительно было то, что имел значение цвет используемого освещения: если оно было слишком близким к красному концу спектра, никакого тока не возникало, независимо от интенсивности излучения. Эйнштейн объяснил это странное явление, предположив, что свет состоял из частиц совершенно нового типа – фотонов. Это была необыкновенно дерзкая гипотеза – она не только бросала вызов философии Маха, но и как будто противоречила за сто лет многократно подтвержденному экспериментами убеждению, что свет – волна, а не частица. Конечно, Эйнштейн знал, что свет есть электромагнитная волна, – эта идея и вдохновила его теорию относительности. Но это не помешало ему предположить, что каким-то образом свет является одновременно и частицей или имеет какие-то свойства частицы. В защиту своей странной идеи Эйнштейн мог указать только на фотоэлектрический эффект, да еще, может быть, на одну неувязку в законе излучения абсолютно черного тела, выведенном за пять лет до этого немецким физиком Максом Планком. В течение двадцати лет после появления статьи о фотоэффекте почти никто, кроме Эйнштейна, в существование фотонов не верил. Даже сам Планк не думал, что его работа влечет вывод о частицах света (хотя много лет спустя именно эту работу провозгласили началом квантовой революции). Только когда Артур Комптон в 1923 году действительно зарегистрировал рассеяние фотонов на электронах, физическое сообщество наконец приняло образ мыслей Эйнштейна – хотя даже и тогда кое-кто с ним так и не согласился [42] Последним упрямцам все же пришлось в конце концов признать реальность фотонов как побочного эффекта в экспериментах Белла, выполненных Джоном Клаузером в 1970-х (см. главу 9). .

Но к изоляции Эйнштейн был привычен. В 1905 году, работая в швейцарском патентном бюро, он в одиночку изменил мир и привычку к одиночеству сохранил до конца жизни. Он как-то пошутил, что «в его телегу впряжена лишь одна лошадь» [43] Kumar 2008, p. 35. : с другими физиками он сотрудничал редко, своих студентов у него не было почти никогда. В науке, да и во всех областях жизни он вечно относился с подозрением к устоявшемуся мнению; он называл здравый смысл коллекцией предрассудков, накопившихся у человека к восемнадцати годам [44] Lincoln Barnett 1949, The Universe and Dr. Einstein (Victor Gollancz), p. 49. . Поэтому, когда в 1925 году Гейзенберг появился на сцене со своей удивительной новой теорией, не было ничего неожиданного в том, что Эйнштейн отнесся к ней скептически. «Гейзенберг снес большое квантовое яичко», – писал он своему другу Паулю Эренфесту вскоре после того, как работа Гейзенберга была опубликована. «В Геттингене все в него верят. Я – нет» [45] Isaacson 2007, p. 331. . И когда представился случай «допросить» Гейзенберга наедине, Эйнштейн этого случая не упустил.

У себя дома, удобно устроившись в кресле, Эйнштейн наконец спросил Гейзенберга о том, о чем ему не терпелось узнать. «Вы полагаете, что электроны существуют внутри атома, и, вероятно, вы совершенно правы. Но вы не хотите рассмотреть вопрос об их орбитах. <���…> И мне очень хотелось бы услышать о причинах, заставляющих вас занимать столь странную позицию» [46] Heisenberg 1971, p. 62. .

«Мы ведь не можем наблюдать электронные орбиты внутри атома», – ответил на это Гейзенберг. Он указал, что реально наблюдаемым является только спектр излучения атома, и закончил суждением вполне в духе Маха. «Так как хорошая теория должна основываться на непосредственно наблюдаемых величинах, мне кажется более уместным ограничиться этим» [47] Вероятно, эту формулировку своей позиции Гейзенберг придумал «апостериори». Истинные мотивы, по которым он игнорировал орбиты, заключались, вероятно, в том, что в предшествующем десятилетии они оказались в целом бесполезны для объяснения новых экспериментальных результатов. См. Beller 1999b, главы 2 и 3, и особенно pp. 52–58. .

Как Гейзенберг потом рассказывал, Эйнштейн был шокирован. «Вы что, серьезно считаете, что в физическую теорию должны входить только наблюдаемые величины?»

«Но разве не этому правилу вы следовали в теории относительности?» – парировал Гейзенберг.

«Возможно, я действительно обращался к этому способу аргументации, но все равно это чепуха, – сказал Эйнштейн. – В принципе, совершенно неверно пытаться основать теорию только на наблюдаемых величинах. На деле все происходит ровно наоборот. Это теория говорит нам, что именно мы можем наблюдать» [48] Ibid., p. 63. . И Эйнштейн стал объяснять, что информация об окружающем мире, которую мы получаем при помощи научных инструментов – или даже просто от наших органов чувств, – будет совершенно недоступна пониманию без некоторой теории о том, как устроен мир. Когда вы с помощью термометра проверяете температуру жареного цыпленка в духовке, вы предполагаете, что термометр точно измеряет температуру цыпленка, а свет, отражающийся от шкалы термометра и попадающий в зрачок, дает вам возможность точно произвести это измерение. Другими словами, у вас есть теория об устройстве мира, и вы пользуетесь этой (очень хорошо обоснованной) теорией, чтобы прочесть показание термометра. Точно так же, говорил Эйнштейн Гейзенбергу, когда вы смотрите на спектр атома, «вы с полной очевидностью предполагаете, что весь механизм передачи света от колеблющегося атома в спектроскоп или в ваш глаз действует именно так, как мы всегда предполагаем».