Великий замысел

Наш мозг так хорошо моделирует реальность, что если бы люди, носящие очки, перевернули в них изображение вверх ногами, то их мозги через некоторое время изменили модель мира, и очкарики видели бы все так же, как и прежде. Если они снимут очки, они снова увидят перевернутый мир, а потом снова адаптируются. Это иллюстрирует то, что имеет в виду человек, когда говорит: «Я вижу кресло», и который всего-навсего использовал свет, рассеянный креслом, чтобы создать изображение или модель этого кресла у себя в голове. В случае, если модель перевернута, то если повезет, мозг исправит это до того, как человек сядет в кресло.

Другая проблема, которую модельно-ориентированный реализм пытается решить (или, как минимум, избежать) — это значение «существования». Как я узнаю, существует ли стол в данной комнате, если я выйду из нее и не смогу его видеть? Что будет значить утверждение о том, что предметы, которых мы не видим, такие как электроны или кварки (частицы, и которых, как считается, состоят протоны и нейтроны) — существуют? Кто-то мог бы придерживаться модели, когда стол исчезает, когда я выхожу из комнаты, появляется вновь, когда я возвращаюсь, но это было бы очень грубо. И что было бы, если бы потолок обрушился, когда я вышел из комнаты? Каким же образом в рамках модели «Стол-исчезает-когда-я-выхожу-из-комнаты» я мог бы объяснить то, что когда я вошел в комнату, стол возник заново — разломанный и под обломками потолка? Модель, в которой стол никуда не исчезает, является гораздо более простой, а также гармоничной с наблюдением. Это все, что можно спросить.

В ситуации, когда мы не можем увидеть субатомные частицы, электроны являются удобной моделью, объясняющей такие наблюдения, как следы в конденсационной камере или световые точки на экране телевизора, а также многие иные явления. Говорят, что электрон был открыт в 1897 году физиком Томпсоном в лаборатории Кавендиш в Университете Кембридж. Он экспериментировал с электрическим током в стеклянных трубках — феноменом, называемым катодные лучи. Эксперименты привели его к смелому заключению о том, что загадочные лучи состояли из мельчайших «корпускулов», которые являлись материальными составляющими частями атомов, прежде считавшимися неделимыми фундаментальными элементами материи. Томсон не «увидел» электрон, так же как и его предположение не было прямо или однозначно продемонстрировано экспериментами. Но модель оказалась ключевой в применении от фундаментальной до прикладной науки, и сегодня все физики уверены в существовании электронов, даже если вы их не видите.

Кварки, которые мы также не можем наблюдать, добавлены в модель, чтобы объяснить свойства протонов и нейтронов в ядре атома. Хотя протоны и нейтроны, как утверждается, состоят из кварков, мы никогда экспериментально не обнаружим кварки, потому что притягивающие силы между кварками увеличиваются при их отдалении друг от друга, и поэтому несвязанные, свободные кварки не могут существовать в природе. Они всегда проявляются в группах из трех (протоны и нейтроны) кварков, или парами: кварк и антикварк (пи-мезон), и ведут себя так, как если бы были соединены резинкой.

И вопрос «имеет ли смысл говорить, что кварки реально существуют, если вы никогда не сможете выделить один кварк?» был спорным долгие годы после того как кварковая модель была впервые предложена. Идея о том, что определенные частицы состоят из различных комбинаций нескольких более простых частиц, позволила создать принципы, которые в результате дали простое и привлекательное объяснение их свойств. Но не смотря на то, что физики привыкли рассматривать частицы, существование которых подразумевалось только в статистических всплесках данных по разбиению других частиц, идея представления реальности частицы, которая в принципе не поддаётся наблюдению, была чересчур невероятна для многих физиков. Однако, спустя годы, когда кварковая модель стала приводить к более и более правильным предсказаниям, противников этой модели стало меньше. Конечно возможно, что какие-нибудь инопланетные существа с семнадцатью руками, инфракрасными глазами, и привычкой выдувать взбитые сливки из ушей сделает те же экспериментальные исследования что и мы, но опишет их без использования кварков. Тем не менее, согласно моделезависимому реализму, кварки существуют в модели, которая согласуется с нашими наблюдениями поведения субатомных частиц.

Моделезависимый реализм может создать среду для вопросов, таких как: если мир был создан определенное время назад, то что происходило до этого? Философ времен раннего христианства, Св. Августин (354–430), говорил, что ответ не в том, готовил ли Бог ад для людей, задающих такие вопросы, а в том, что время принадлежит миру, который Бог создал, и время не существовало до момента сотворения, которое, как он верил, состоялось не так давно. Это одна из возможных моделей, которая одобрена теми, кто утверждает, что запись, сделанная в книге Бытия буквально верна, даже при том, что мир содержит ископаемые и другие доказательства того, что Земля гораздо старше. (Они были помещены там, чтобы одурачить нас?) Кто-то также может иметь другую модель, в которой от начала Большого взрыва прошло 13.7 миллиардов лет. Модель, объясняющая большую часть наших современных наблюдений, включая исторические и археологические свидетельства, является лучшим представлением о прошлом из всех, что мы имеем. Вторая модель может объяснить ископаемые и радиоактивные свидетельства, и тот факт, что мы принимаем свет от галактик, до которых миллионы световых лет, так что эта модель — теория Большого взрыва — более полезна, чем первая. До сих пор ни одну из моделей нельзя назвать более реальной, чем другая.

Некоторые придерживаются модели, где время началось даже раньше Большого взрыва. Все еще не ясно может ли модель, в которой время шло и до Большого взрыва, лучше объяснять текущие исследования, потому что законы развития Вселенной, видимо, разрушаются в момент Большого взрыва. Если это так, то нет никакого смысла создавать модель описывающую время до Большого взрыва, потому что все что существовало тогда, не будет иметь наблюдаемых последствий в настоящем, поэтому мы можем остановиться на идее о том что Большой взрыв был моментом создания мира.

Модель хорошая модель, если она:

1. Изящна

2. Содержит мало произвольных или регулируемых элементов

3. Согласуется со всеми существующими наблюдениями и объясняет их.

4. Делает подробные прогнозы относительно будущих наблюдений, которые могут опровергнуть или доказать ложность модели, если они не подтвердились.

Например, теория Аристотеля, о том, что мир состоит из четырех элементов: земли, воздуха, огня и воды, и что объекты стремящиеся осуществить свои назначения были изящны и не содержали изменяемых элементов. Но во многих случаях теория не давала определенных предсказаний, а если и давала, то они не всегда соответствовали наблюдениям. Одним из этих предсказаний было то, что более тяжелые объекты должны падать быстрее, потому что их цель — падение. До Галилео никто и не думал, что это нужно проверить. Существует история, что он проверял это, бросая грузы различной массы с Пизанской («падающей») башни. Скорее всего, это легенда, но мы точно знаем, что он скатывал шары различной массы по наклонному желобу и заметил, что они скатывались с одинаковой скоростью, вопреки предсказанию Аристотеля.

Вышеупомянутый критерий очевидно субъективный. Изящество, например, это не то что можно просто измерить, но оно высоко ценится среди ученых, потому что законы природы стремятся экономно сократить число определенных ситуаций в одну простую формулу. Изящество относится к форме теории, но оно также тесно связано с недостатком изменяемых элементов, так как теория, сжатая выдуманными коэффициентами не очень элегантна. Перефразируя Эйнштейна, теория должна быть настолько простой, насколько это возможно, но не проще. Птолемей добавлял эпициклы к круговым орбитам небесных тел для того, чтобы его модель могла точно описывать их движение. Модель можно было сделать более точной путем добавления эпициклов к эпициклам, а к ним еще эпициклов. Хотя добавленное усложнение может сделать теорию более точной, ученые рассматривают модель, искаженную чтобы совпадать с определенными наблюдениями, как неудовлетворительную, больше похожую на каталог данных, чем на теорию, удачно воплощающую какой-либо полезный принцип.

В Разделе 5 мы увидим, что многие люди рассматривают «стандартную модель», описывающую взаимодействия элементарных частиц природы, как неэлегантную. Эта модель более удачная, чем Птолемеевские эпициклы. Она предсказала существование нескольких новых частиц до того как они были обнаружены, и с большой точностью описала результаты множества экспериментов в течение нескольких десятилетий. Но она содержит дюжины изменяемых параметров, чьи величины должны быть скорее установлены, чтобы совпасть с наблюдениями, чем определены самой теорией.

Согласно четвертому пункту, ученые всегда впечатлены, когда новые и ошеломляющие предсказания доказаны верно. С другой стороны, когда обнаруживается, что модель имеет недостатки, обычная реакция — это заявить, что эксперимент неверен. Если не доказывается что это случайность, люди обычно не отказываются от модели, пытаясь вместо этого сохранить ее в модифицированном виде. Хотя физики, несомненно, упорны в своих попытках спасти теории, которыми они восхищаются, стремление модифицировать теорию исчезает, отчасти из-за того что преобразования становятся неестественными или громоздкими, и, следовательно, неэлегантными.

Если модификации необходимые для приспособления новых наблюдений, становятся слишком причудливыми, это сигнализирует о потребности в новой модели. Одним из примеров старой модели, которая уступила дорогу под весом новых наблюдений, была идея статической Вселенной. В 1920-х годах, большинство физиков считали, что Вселенная была статичной, или неизменного размера. Тогда, в 1929 году Эдвин Хаббл опубликовал свои наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется. Но Хаббл не непосредственно наблюдал расширение Вселенной. Он наблюдал свет, излучаемый галактиками. Этот свет содержит характерный признак, или спектр, основанный на составе каждой галактики, который изменяется на известную заранее величину, если галактика движется относительно нас. То есть, анализируя спектр отдаленных галактик, Хаббл мог определить их скорости. Ожидалось, что он обнаружит столько же приближающихся галактик, сколько и отдаляющихся. Но вместо этого он обнаружил, что все галактики отдаляются от нас, причем, чем дальше они расположены, тем быстрее они отдаляются. Хаббл подтвердил, что Вселенная расширяется, но другие, пытаясь придерживаться ранних моделей, пытались объяснить его наблюдения в контексте теории статической Вселенной. Например, Фриц Цвики, физик из калифорнийского технологического института, предположил, что по какой-то неизвестной причине свет может терять свою энергию при прохождении огромных расстояний. Это уменьшение энергии соответствует изменению светового спектра, что по мнению Цвики может объяснить наблюдения Хаббла. В течение десятилетий после исследований Хаббла ученые продолжали придерживаться теории стабильного развития. Несмотря на это, теория расширяющейся Вселенной, подтвержденная Хабблом, становится общепризнанной.

В наших поисках законов, управляющих Вселенной были сформированы теории, или модели, такие как четырехэлементная теория, Птолемеева теория, теория флогистона, теория Большого взрыва, и т. п. С каждой новой теорией или моделью наши представления о реальности и о фундаментальных составляющих Вселенной изменились. Например, рассмотрим теорию строения света. Ньютон полагал, что свет состоит из маленьких частиц или корпускул. Это объяснило бы, почему свет распространяется по прямой, и Ньютон также использовал это, чтобы объяснить, почему свет отклоняется или отражается, когда он проходит из одной среды к другой, как, например, из воздуха к стеклу, или из воздуха в воду.

Не смотря на это, корпускулярная теория не смогла объяснить увиденный Ньютоном феномен, известный как круги Ньютона. Положите линзу на плоскую отражающую поверхность и осветите её одноцветным лучом, таким как натриевый луч. Смотря сверху можно увидеть несколько светлых и темных колец, расположенных в месте соприкосновения линзы и поверхности. Это сложно объяснить, используя теорию света, но можно рассмотреть, используя волновую теорию.

Согласно волновой теории, появление светлых и темных колец вызвано феноменом называющимся интерференцией. Любая волна, так же как водяная волна, состоит из серии гребней и впадин. Если при столкновении волн гребни и впадины совпадают, они усиливают друг друга, сливаясь в волну большего размера. Это называется усиливающей интерференцией. В таком случае говорят что волны «в фазе». В противоположном случае, когда волны столкнутся, гребень одной волны может совпасть с впадиной другой волны. Тогда они гасят друг друга, попадают «не в фазу». Эта ситуация называется гасящей интерференцией.

На кругах Ньютона светлые кольца находятся на определенных расстояниях от центра линзы, где линза и отражающая плоскость отдалены так, что волна отраженная от линзы, отличается от волны отраженной плоскостью на целое(1, 2, 3…) число длин волн, создавая, таким образом, усиливающую интерференцию. (Длина волны — это расстояние между гребнями или впадинами соседних волн.) С другой стороны, темные кольца расположены на таких расстояниях от центра, где разница между двумя отраженными волнами равна полуцелому (1/2, 1 1/2, 2 1/2….) числу длин волн, что создает гасящую интерференцию — волна, отраженная от линзы гасит волну, отраженную от плоскости.

В девятнадцатом веке это послужило доказательством волновой теории света, показывая, что корпускулярная теория была неверна. Тем не менее, в начале двадцатого века Эйнштейн показал, что фотоэлектрический эффект (который сейчас используется в телевидении и цифровых камерах) можно объяснить тем, что частица или квант света ударяется об атом, выбивая при этом электрон. Таким образом, свет имеет свойства как частицы, так и волны.

Концепция волн, возможно, так прочно вошла в сознание из-за того, что люди могли наблюдать океан или лужу, когда в неё бросают камень. Фактически, если вы когда-нибудь бросали два камня в лужу, вы возможно наблюдали интерференцию в действии, как на иллюстрации выше. Другие жидкости ведут себя таким же образом, кроме, разве что, вина, если выпьете его слишком много. Корпускулярная теория была сродни камням, гальке и песку. Но этот корпускулярно-волновой дуализм — идея о том, что объект может быть описан и как частица, и как волна — чужд для повседневного опыта, как идея о том, что можно выпить кусок песчаника.

Такие двойственности — ситуации, в которых две разные теории с точностью описывают один и тот же феномен — согласуются с моделезависимым реализмом. Каждая теория может описать определенные свойства, но ни одна не может сделать это точнее или реальнее чем другая. Касательно законов, управляющих Вселенной, можно сказать вот что: похоже, не существует одной математической модели или теории, которая могла бы описать каждый аспект Вселенной. Вместо этого как упомянуто во вводной главе, кажется, есть сеть теорий под названием М-теории. Каждая теория в сети М-теорий способна описывать явления в пределах определенного диапазона. Где бы ни пересекались их области, различные теории в сети соответствуют друг другу, поэтому их можно назвать частями одной теории. Но ни одна отдельная теория внутри сети не может описать каждого аспекта Вселенной — все силы природы, частицы, создающие эти силы, строение времени и пространства, где все это происходит. Хотя эта ситуация перечеркивает мечту традиционных физиков о единственной единой теории, такое приемлемо лишь в рамках модельно-зависимого реализма.

Мы будем обсуждать дуальность и М-теорию в 5 главе, но перед этим мы вернемся к фундаментальным принципам, на которых основан наш современный взгляд на природу: квантовая теория, и в частности, подход к квантовой теории назван альтернативными историями. С подобной точки зрения, Вселенная не имеет совершенно отдельного существования или истории, но скорее, каждые возможные варианты Вселенной существуют одновременно в так называемой квантовой суперпозиции. Это может звучать также возмутительно, как и теория, в которой стол исчезает каждый раз после того как мы покидаем комнату, но в этом случае теория прошла все экспериментальные проверки, которым ее когда-либо подвергали.

4. Альтернативные истории

В 1999 г. команда физиков в Австрии выпустила пучок шарообразных, как футбольные мячи, молекул в направлении экрана. Эти молекулы, каждая из 60 атомов углерода, иногда называют бакиболы — мячи Бакки, потому что архитектор Бакминстер Фуллер строил здания именно такой формы. Геодезические купола Фуллера были, вероятно, самыми большими существующими объектами формы футбольного мяча. А бакиболы — самыми маленькими. Экран, в направлении которого прицелились учёные, фактически имел лишь две прорези, сквозь которые бакиболы и могли пролететь. За стеной, физики расположили аналогичный экран для обнаружения и подсчёта появляющихся молекул.

Задайся мы целью поставить аналогичный эксперимент, используя настоящие футбольные мячи, нам бы понадобился игрок с несколько «сбитым прицелом», но способный выполнять удары по мячу ритмично, с заданной скоростью. Мы бы поставили этого игрока перед стенкой, в которой есть два отверстия. С обратной стороны стены, параллельно ей, мы бы разместили больших размеров сетку.

Большинство ударов нашего игрока попало бы в стенку и отскочило, но некоторые прошли бы либо сквозь первое отверстие или сквозь второе и попали бы в сеть. Если диаметр отверстия в стене был лишь немного больше мяча, два очень узких параллельных потока появились бы на другой её стороне. Если же отверстия были чуть шире — каждый поток разойдётся небольшим веером, как показано на рисунке ниже.

Заметим, что если мы закроем одно из отверстий соответствующий поток мячей сквозь него больше не пройдёт, но на другой поток это никакого эффекта не окажет. Если мы снова откроем второй промежуток, это только увеличит количество мячей, приземлившихся в любой данной точке с другой стороны, где мы получим все мячи из промежутка, остававшегося открытым, плюс мячи из промежутка который только открыли. Другими словами, то, что мы наблюдаем, когда оба промежутка открыты, является суммой того, что мы наблюдаем с каждым промежутком в стене, открытым по отдельности. Это — реальность, к которой мы привыкли в повседневной жизни. Но это не то, что обнаружили австрийские исследователи, когда они запустили свои молекулы.

В австрийском эксперименте, открывание второго промежутка действительно увеличивало число молекул, достигших экрана в одних точках, но сокращало их число в других, как на рисунке ниже. Фактически, когда оба промежутка были открытыми, были пятна, где никакие мячи не приземлились, но где шары приземлялись, когда был открыт только один или другой промежуток. Это кажется очень странным. Как может открытие второго промежутка служить причиной того, что каких-то точек достигло меньшее число молекул?

Мы можем получить ключ к разгадке ответа, исследуя детали. В эксперименте много молекулярных футбольных мячей приземлялись в точку, расположенную на полпути от места, в которое вы ожидали, что они приземлятся, если пройдут и сквозь первый, и сквозь второй промежуток. Чуть дальше центральной позиции приземлялось очень мало молекул, но еще немного дальше от центра снова наблюдалось падение молекул. Эта модель не является суммой моделей, образованных, когда каждый промежуток открыт отдельно, но вы можете узнать ее в Разделе 3 как образец характеристики интерферирующих волн. Участки, где не приземлились молекулы, соответствуют областям, в которых волны, выпущенные из двух промежутков, сошлись не в фазе, и создали гасящую интерференцию; участки, где приземлилось много молекул, относятся к областям, где волны попали в фазу, создав усиливающую интерференцию.

В течение двух тысячелетий научной мысли, обычный опыт и интуиция были основой теоретического обоснования. Совершенствуя наши технологии и расширяя круг феноменов, которые мы можем наблюдать, мы начинаем обнаруживать что природа ведет себя таким образом, который все меньше и меньше согласуется с нашим каждодневным опытом и противоречит нашей интуиции, о чем свидетельствует эксперимент с фуллереном. Этот эксперимент является типичным из вида феноменов, которые нельзя объяснить классической наукой, но можно описать тем, что называется квантовой физикой. Как писал Ричард Фейнман, эксперимент с двумя отверстиями, описанный выше, «содержит всю тайну квантовой механики».

Принципы квантовой физики были раскрыты в первые десятилетия двадцатого века, после того как Ньютоновской теории оказалось недостаточно для описания природы на атомном — или субатомном — уровне. Фундаментальные теории физики описывают силы природы, и как объекты им противодействуют. Классические теории (например, теория Ньютона) построены на основе отражения каждодневного опыта, в котором материальные объекты уникальны, они могут находиться в определенных местах, перемещаться определенными траекториями и т. д. Квантовая физика помогает понять, как законы природы работают на атомных и субатомных уровнях, но как мы увидим позже более детально, она предлагает совершенно другую концептуальную схему, при которой положение объекта, его траектория и даже его прошлое и будущее точно не определено. Квантовые теории сил, таких как гравитационные или электромагнитные, построены на основе этих положений.

Могут ли теории, построенные на основах чуждых повседневному опыту так же объяснять события обыденного опыта, которые были смоделированы с такой точностью классической физикой? Могут, поскольку мы и наша окружающая среда — составные структуры, сделанные из невообразимо большого числа атомов, большего количества атомов, чем существует звезд в видимой Вселенной. И хотя составляющие атомы подчиняются принципам квантовой физики, можно продемонстрировать, что большие скопления, формирующие футбольные мячи, репу и аэробусы — и нас — действительно будут ухитряться избегать дифрагирования через разрезы. Поэтому, хотя компоненты повседневных объектов повинуются квантовой физике, законы Ньютона создают эффективную теорию, которая очень точно описывает, как ведут себя составные структуры, образующие наш повседневный мир.

Это могло бы звучать странно, но в науке есть множество примеров, в которых большое скопление, кажется, ведет себя, в некоторой степени, отлично от поведения его отдельных компонентов. Реакция одного нейрона едва ли предскажет реакцию человеческого мозга, равно как и знание о молекуле воды не много говорит вам о поведении озера. В случае квантовой физики, ученые все еще работают, чтобы выяснить детали того, как законы Ньютона возникают из квантовой сферы. Нам точно известно, что составные части всех объектов подчиняются законам квантовой физики, и Законы Ньютона хорошо описывают модель поведения макроскопических объектов, которые состоят из этих квантовых частиц.

Но предсказания Ньютоновской теории поэтому соответствуют представлению о реальности, в которой мы развиваемся, как познаем мир вокруг нас. Но уникальные атомы и молекулы взаимодействуют совсем по-другому, чем принято в нашей повседневной жизни. Квантовая физика — новая модель реальности, дающая нам картину Вселенной. Это — картина, в которой у многих понятий, фундаментальных для нашего интуитивного понимания действительности больше, нет значения.

Эксперимент с двойной щелью, который был проведен в 1927 году Клинтоном Дависсоном и Лестером Жермером, физиками-экспериментаторами из лаборатории Bell, которые изучали, как пучок электронов — объекты много проще чем «мячи Баки» — взаимодействует с кристаллом, сделанным из никеля. Тот, что материальные частицы, такие как электроны, ведут себя подобно водяным волнам, был одним из тех восхитительных экспериментов, которые, которые повлияли на квантовую физику. Поскольку такое поведение на макроскопическом уровне не наблюдается, учёные долгое время задавались вопросом — насколько большим и сложным должен быть объект, чтобы сохранять способность демонстрировать волновые свойства. Если бы подобный эффект можно было продемонстрировать с участием людей или гиппопотамов, это, безусловно, вызвало бы ажиотаж, однако, как уже было сказано, чем больше размер объекта, тем менее заметны квантовые эффекты. Поэтому маловероятно, что какие-либо животные в зоопарке просочатся, подобно воде, сквозь прутья своих клеток. Тем не менее, физики-экспериментаторы наблюдают волновые явления у частиц всё больших размеров. Учёные надеются повторить когда-нибудь эксперимент с фуллеренами, используя вместо них вирус, который не только значительно превосходит их размерами, но также рассматривается некоторыми как живое существо.

Знание лишь некоторых аспектов квантовой физики требуется для того, чтобы понять аргументы, представленные в следующих главах. Одно из основных свойств — двойственность волны/частицы. Материальные частицы, ведущие себя подобно волне, удивят любого. То, что свет ведёт себя подобно волне, уже давно никого не удивляет. Волновое поведение света представляется нам естественным и уже около двухсот лет считается достоверным и признанным фактом. Если вы направите луч света на две щели, как в вышеописанном эксперименте, две волны появятся и пересекутся на экране. В каких-то точках их гребни будут совпадать, формируя яркое пятно, в других — гребни одной волны будут совпадать с долинами другой, нейтрализуя их и оставляя тёмную область. Английский физик Томас Янг проводил такой эксперимент в начале девятнадцатого века, стараясь убедить людей, что свет есть волна, а не состоит из частиц, как полагал Ньютон.

Хотя кто-то мог бы подумать, что Ньютон ошибался, утверждая, что свет не является волной, но он был прав, когда говорил, что свет ведет себя так, как если бы он состоял из частиц. Сегодня мы зовём эти частицы фотонами. Так же как мы состоим из большого числа атомов, свет, который мы видим в повседневной жизни, является сложным, в том смысле, что состоит из громадного числа фотонов — даже 1-ваттный ночник испускает миллиарды миллиардов фотонов каждую секунду. Единичные фотоны обычно не наблюдаются, но в лаборатории мы можем сформировать луч света настолько слабый, что он, по сути, состоит из потока единичных фотонов, которые мы можем обнаружить как отдельные элементы, так же как обнаруживаем единичные электроны или фуллерены. И мы можем повторить эксперимент Янга, используя луч света достаточно низкой плотности, чтобы обеспечить фотонам возможность достигать преграды по одному за раз, с интервалом в несколько секунд. Поступив подобным образом и суммировав затем все индивидуальные отметки, зафиксированные на экране с обратной стороны преграды, мы обнаружим, что имела место интерференция по тому же образцу, как если бы мы выполняли эксперимент Дэвиссона-Гермера, но направляли бы на экран электроны (или фуллерены) по одному за раз. Для физиков этом было поразительным открытием: если отдельные частицы интерферируют сами с собой, тогда волновая природа света является свойством не просто луча или большого количества фотонов, но отдельных частиц.

Другим основным принципом квантовой физики является принцип неопределенности, сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1926 году. Принцип неопределенности гласит, что невозможно одновременно измерить положение и скорость частицы. Согласно принципу неопределенности, например, если вы умножите неопределенность положения частицы на неопределенность ее импульса (масса, умноженная на его скорость) результат никогда не может быть меньше, чем определенное фиксированное значение, названное постоянной Планка. Это похоже на скороговорку, но суть её может быть выражена очень просто: чем точнее вы измеряете скорость, тем менее точно вы сможете измерить положение и наоборот. В случае, если вы сократили вдвое неопределённость в положении, вам следует удвоить неопределённость в скорости. Так же очень важно заметить, что в сравнении с привычными единицами измерения, такими как метры, килограммы или секунды постоянная Планка очень мала. В сущности, если описывать её этими единицами она имеет значение около 6/10000000000000000000000000000000000, В результате, если известно положение макроскопического объекта, скажем, футбольного мяча, массой в 1/3 килограмма, то в пределах 1 миллиметра в любом направлении мы так же сможем измерить и скорость, с точностью большей, чем до миллиардной миллиардной миллиардной километра в час. Всё потому, что будучи измеряемым в этих единицах, футбольный мяч имеет массу в 1/3, а неопределённость в положении в 1/1,000, Ни того, ни другого не хватает, чтобы покрыть все те нули в постоянной Планка, так что эта роль падает на неопределённость в скорости. Но в тех же единицах измерения электрон имеет массу в.00000000000000000000000000001, так что для электронов всё дело совершенно в другом. Если при нашем измерении положения электрона оно выходит соответствующим примерно пределам атома, то принцип неопределённости предписывает, что мы не можем знать скорость электрона с точностью большей, чем плюс или минус 1000 километров в секунду, что конечно совсем не точно.

Основываясь на квантовой физике, вне зависимости от того сколько информации у нас уже имеется или насколько велики наши вычислительные возможности, результаты физических взаимодействий не могут быть предсказаны со всей определённостью, потому что определённость не входит в их описание. Вместо этого, учитывая изначальное состояние системы, природа определяет состояние будущего через процесс, который суть фундаментально не определён. Другими словами, природа не предписывает результатов никаких процессов или опытов, даже в самых простейших ситуациях. Скорее допускает некоторое количество различных вариантов развития, каждый со своей вероятностью осуществления. Всё равно, как если бы, перефразируя Эйнштейна, Бог бросал кости всякий раз, прежде чем решить исход любого физического процесса. Эта идея не давала покоя Эйнштейну и, несмотря на то, что он сам являлся одним из отцов-основателей квантовой физики, в дальнейшем он начинает ее критиковать.

Может показаться, что квантовая физика подрывает саму идею законов природы ею управляющими, но это совсем другой случай. Напротив, она приводит нас к новой форме детерминизма: учитывая состояние системы в какое-либо время, законы природы определяют вероятность различных будущих и прошлых, вместо того, чтобы определять единственное достоверное будущее и прошлое. И хотя некоторым из них это будет неприятно, учёные должны принимать теории, совпадающие с результатами экспериментов, а не свои предвзятые убеждения.

Наука требует от теории лишь того, чтобы её было можно проверить. Если вероятностная природа предсказаний квантовой физики означала невозможность подтверждения этих предсказаний, то квантовые теории никак нельзя было бы назвать научными теориями. Но, не смотря на вероятностную природу предсказаний, мы всё же можем проверить квантовые теории. Например, мы можем повторить эксперимент много раз и удостовериться, что частота различных результатов соответствует предсказанным вероятностям. Рассмотрим эксперимент с мячами Бака. Как говорит нам квантовая физики — ничто не находится в определённой точке, ибо если бы оно находилось, то неопределённость импульса была бы бесконечной. Фактически, согласно квантовой физике, каждая частица имеет некоторую вероятность быть найденной где угодно во Вселенной. Так что, даже если шансы найти электрон в устройстве с двумя отверстиями очень велики, всегда останется некоторая вероятность того, что вместо этого он найдётся на обратной стороне звезды в Альфа Центавре или в пироге с почками из кафетерия рядом с вашим офисом. Как результат, если Вы ударите квантовый бакибол и позволите ему лететь, то никакой объем умений или знаний не даст Вам сказать заранее, где конкретно этот бакибол приземлится. Но если вы повторите этот эксперимент много раз, то полученные данные отразят вероятность нахождения мяча в самых разных местах, а экспериментаторы подтвердят, что результаты подобных экспериментов согласуются с предсказаниями теории.

Важно понимать, что вероятности в квантовой физике — это не то же, что вероятности в Ньютоновой физике или в повседневной жизни. Мы можем это понять, сравнив выстроенные модели равномерного потока бакиболов, выпущенных в экран, с моделью отверстий, выстроенных исходя из того, что игрок в дартс целился в яблочко. Если конечно игроки не пили уж слишком много пива, шансы дротика воткнуться недалеко от центра очень велики, и по мере удаления от центра уменьшаются. Как и с бакиболами, любой из дротиков может воткнуться куда угодно, и, со временем, модель отметин от дротиков, отражающая вероятность, лежащую в своей основе, построится. В повседневной жизни, в такой ситуации мы можем сказать, что дротик имеет определенную вероятность приземления в разных местах, но мы говорим так, только потому (в отличие от случая с бакиболами), что наше знание об условиях его запуска неполные. Мы могли бы улучшить описание предмета, если бы знали точно как именно игрок запустил дротик — его угол, вращение, скорость и т. д. В принципе, тогда мы смогли бы предсказать, где приземлится дротик с той точностью, с которой хотели бы. Использование нами условий вероятности, для описания результата событий в повседневной жизни, таким образом, является не отражением глубинной сущности процесса, но лишь нашего невежества в некоторых его аспектах.

Вероятности в квантовых теориях совсем другие. Они отражают фундаментальную случайность в природе. Квантовая модель природы включает в себя принципы, которые не только противоречат нашему повседневному опыту, но и нашему интуитивному восприятию реального. Те, что находят эти принципы странными или неправдоподобными находятся в хорошем обществе, обществе великих физиков, таких как Эйнштейн и даже Фейнман, чьё описание квантовой теории мы совсем скоро представим. Фейнман, в действительности, как-то написал: «Думаю, я могу спокойно заявить, что никто не понимает квантовой механики». Но квантовая физика согласуется с наблюдениями. Ни одного провального теста, а тестировали её больше, чем любую другую научную теорию.

В 1940-х Ричарда Фейнмана потрясло озарение в понимании разницы между квантовым и Ньютоновым мирами. Фейнмана заинтриговал вопрос, как возникает модель интерференции в эксперименте с двумя отверстиями. Напомним о том, что полученная итоговая модель после того, как мы выстрелили молекулами, когда обе прорези открыты, не есть сумма моделей, если провести эксперимент дважды: один раз только с открытой первой прорезью, а второй — только со второй. Напротив, когда обе прорези открыты, мы находим череду светлых и тёмных полос. Последние это те области, куда не приземлилась ни одна частица. Это означает, что частицы, которые должны были бы попасть в область темной полосы, в случае если, скажем, открыта одна прорезь, там не оказываются, если открыты обе прорези. Как будто где-то на середине своего пути к экрану частицы получают информацию про обе прорези. Такое поведение решительно отличается от того, как всё обстоит в повседневной жизни, в которой мяч проследует сквозь одну из прорезей и на него никак не повлияет состояние второй.

Согласно Ньютоновской физике, и согласно тому, как эксперимент прошёл бы, если бы мы проделали то же самое с футбольными мячами вместо молекул, каждая частица следует единственному строго определённому маршруту от источника к экрану. В такой картине не находится места обходному пути, которым частица по пути посещает окрестности обеих прорезей. Однако, согласно квантовой модели, у частицы будто бы и нет точного местоположения в то время, пока она находится между начальной и конечной точками пути. Фейнман понимал, что не нужно принимать это за отсутствие пути у частиц, пока они следуют от источника к экрану. Совсем наоборот, это могло бы значить, что частицы проходят всеми из возможных путей связывающих эти точки. Вот, утверждал Фейнман, что отличает квантовую физику от Ньютоновой. Эта история с двумя прорезями имеет значение, потому что вместо того, чтобы проследовать единственным определённым путём, частицы прошли всеми, да ещё и за раз. Звучит как научная фантастика, но это не так. Фейнман сформулировал математическое выражение — «Фейнманову сумму предысторий», отражающее эту идею и воспроизводящее все законы квантовой физики. У Фейнмана в теории математическая и физическая картины расходились с исходными формулировками квантовой физики, но предсказания были такими же.

В эксперименте с двумя прорезями идеи Фейнмана сводятся к тому, что частицы выбирают пути, которые ведут либо сквозь одну прорезь, либо сквозь вторую; пути, что ведут сквозь первую прорезь, затем обратно через вторую, и вновь снова через первую; пути, ведущие в ресторан, где подают креветки в соусе карри, затем к Юпитеру, закручиваясь вокруг него несколько раз перед возвращением обратно; и даже пути, что ведут через Вселенную и обратно. Это, по мнению Фейнмана, объясняет, как частица получает информацию о том, какие прорези открыты — если прорезь открыта, частица направляется сквозь неё. Когда обе прорези открыты, пути частиц, путешествующих через одну прорезь, могут пересекаться с путями через вторую, вызывая тем самым интерференцию. Быть может это прозвучит невероятно, но для нынешней фундаментальной физики в целом, и для этой книги в частности, теория Фейнмана оказалась много полезнее, чем оригинальная.

Фейнмановское видение квантовой реальности является ключевым в понимании теорий, которые мы скоро представим, поэтому стоит потратить некоторое время на то, чтобы понять, как там всё устроено. Представьте себе простой процесс, в котором частица из пункта А начинает своё свободное движение. В Ньютоновой модели эта частица проследует по прямой. По истечении некоторого определённого времени мы обнаружим частицу в определенном пункте В, находящимся на этой прямой. В модели Фейнмана квантовая частица проводит выборку всех путей, соединяющих пункты А и Б, составляя при этом число, называемое фазой для каждого пути. Эта фаза представляет собой такое положение в волновом цикле, в котором волна находится либо на верхнем, либо на нижнем пике, или где-то посередине. Формула Фейнмана по математическому расчёту этой фазы показывает, что когда вы складываете вместе волны всех путей, вы получаете «амплитуду вероятности» достижения частицей из пункта А пункта Б. А затем квадрат амплитуды вероятности даёт конечную вероятность достижения пункта Б.

Фаза, в которой все отдельные пути входят в Фейнманову сумму (и, следовательно, в вероятность прохождения пути от А к Б) может быть представлена в виде стрелы определённой ограниченной длины, но могущей воткнуться в любом направлении. Добавим ещё две фазы: поместим стрелу, представляющую одну фазу у наконечника стрелы, представляющей другую фазу, и тем самым получим третью, общую стрелу, представляющую сумму. Чтобы увеличить количество фаз, просто продолжайте добавлять стрелы. Заметим, что когда фазы выстроены в линию, стрела, представляющая сумму может быть довольно длинной. Но если стрелы направлены в разные стороны, то они быстро заканчиваются, по мере их добавления, оставляя вас с совсем небольшим количеством стрел. Эта идея изображена на рисунке ниже.

Для выполнения условий Фейнмана по расчёту вероятностной амплитуды, что частица из пункта А достигнет пункта Б, вы просто складываете фазы или стрелы, представляющими все пути, связывающие А и Б. Существующих путей бесконечно много, что слегка усложняет расчёты, но этот способ работает. Некоторые пути показаны ниже.

Теория Фейнмана очень чётко показывает, как можно вывести Ньютонову картину мировосприятия из квантовой физики, кажущейся совершенно отличной. Согласно Фейнмановой теории, фазы связанные с каждым путём зависят от постоянной Планка. Теория предписывает, что поскольку постоянная Планка является очень малым числом, то, когда вы складываете сумму путей, близких другу другу, их фазы сильно варьируются, и, как видно на рисунке, их сумма в результате будет сводиться к нулю. Но теория также показывает, что существуют определенные пути, фазы которых имеют тенденцию выстроиться в линию, и именно они дают сумму более предпочтительную (значительную) для изучения процесса поведения частицы. Оказывается, что применительно к большим объектам, пути, подобные тем, что предсказаны теорией Ньютона, будут иметь подобные фазы, и в сумме дадут наибольшую составляющую. Таким образом, единственным конечным пунктом, имеющим практическую вероятность больше нуля, будет конечный пункт, предсказываемый теорией Ньютона, и этот пункт будет иметь вероятность очень близкую к единице. Следовательно, большие объекты двигаются именно так, как предсказывает теория Ньютона.

Пока что мы обсуждали идеи Фейнмана в контексте эксперимента с двойной прорезью. В этом эксперименте частицы запускались в направлении стенки с прорезями, и мы измеряли их местоположение на экране, помещенном за стенкой, в который попадали частицы. В общем, вместо лишь одной частицы, теория Фейнмана позволяет нам предсказывать вероятные результаты «системы», которая могла бы быть частицей, рядом частиц, или даже всей Вселенной. Между начальным состоянием системы и нашим последующим определением ее свойств, эти свойства эволюционируют некоторым путем, который физики называют историей системы. В эксперименте с двойной прорезью, например, история частицы — просто ее путь. Так же, как для эксперимента с двойной прорезью возможность наблюдать, что частица приземлится в любой данной точке, зависит от всех путей, которые, могли бы там быть получены, Фейнман показал, что для общей системы вероятность любого наблюдения построена из всех возможных историй, которые могли бы привести к этому наблюдению. Из-за этого его метод, названный «суммой по историям» или «альтернативными историями», является формулировкой квантовой физики.

Теперь, когда у нас есть мнение о Фейнмановском подходе к квантовой физике, пришло время исследовать другой ключевой квантовый принцип, который мы будем использовать позже — принцип, что наблюдение системы должно менять ее поведение. Можем ли мы, как мы делаем, когда у нашей начальницы на подбородке пятно горчицы, осторожно наблюдать, но не вмешиваться? Нет. Согласно квантовой физике, Вы не можете «просто» наблюдать за чем-либо. Таким образом, квантовая физика признает, что, чтобы произвести наблюдение, Вы должны взаимодействовать с наблюдаемым Вами объектом. Например, чтобы видеть объект в традиционном смысле, мы светим на него светом. Освещение тыквы окажет на нее, конечно, не большой эффект. Но освещение даже тусклым светом крошечной квантовой частицы — то есть, стрельба в нее фотонами — действительно имеет ощутимый эффект, и опыт показывает, что это изменяет результаты эксперимента точно так, как описывает квантовая физика.

Предположим, что, как и раньше, мы направляем поток частиц на барьер в эксперименте с двойной прорезью и собираем данные о первом миллионе прошедших частиц. Когда мы определяем местоположение ряда частиц, оказавшихся в различных точках обнаружения, данные сформируют представленную картину интерференции, и когда мы добавим фазы, связанные со всеми возможными путями частицы от отправной точки А до ее точки обнаружения B, мы обнаружим, что вычисленная нами вероятность попадания в различные точки согласуется с этими данными.

Теперь предположим, что мы повторяем эксперимент, на этот раз, освещая прорези светом так, чтобы зафиксировать промежуточный пункт C, через который прошла частица. (C является положением либо одного разреза, либо другого). Это называют информацией «выбора пути», потому что она говорит нам, следовала ли каждая частица от А к прорези 1 и к B, или от А к прорези 2 и к B. Так как мы теперь хорошо знаем, через какую прорезь проходит каждая частица, наша сумма для этой частицы будет теперь включать только пути, которые проходят через прорезь 1, либо только пути, которые проходят через прорезь 2. Она никогда не будет включать и пути, проходящие через прорезь 1, и пути, проходящие через прорезь 2. Поскольку Фейнман объяснил картину интерференции, указав, что пути, которые проходят через одну прорезь, сталкиваются с путями, которые проходят через другую, если Вы включаете свет, чтобы определить, через какую прорезь проходят частицы, тем самым исключая другой вариант, Вы заставите картину интерференции исчезнуть. И действительно, если этот эксперимент выполнить, включение света изменяет результаты с картины интерференции на картину, подобную этой! Кроме того, мы можем изменять эксперимент, используя очень слабый свет, чтобы не все частицы взаимодействовали со светом. В этом случае мы можем получить информацию о выборе пути только для некоторого подмножества частиц. Если мы затем разделим данные о прибытии частицы согласно тому, получали ли мы информацию о выборе пути или нет, мы обнаружим, что данные, имеющие отношение к подмножеству, для которого у нас нет никакой информации о выборе пути, сформируют картину интерференции, а подмножество данных, имеющих отношение к частицам, для которых у нас есть информация о выборе пути, интерференции не покажет.

Эта идея имеет важное значение для нашего понятия «прошлого» В Ньютоновой теории предполагается, что прошлое существует в виде определенного ряда событий. Если Вы видите, что ваза, которую Вы купили в Италии в прошлом году, лежит разбитая на полу, а Ваш малыш, стоящий над ней, выглядит застенчиво, Вы можете проследить назад события, которые привели к неприятности: маленькие пальцы разжимаются, ваза падает и разбивается на тысячу частей, как она была обнаружена. Фактически, учитывая полные данные о настоящем, законы Ньютона позволяют вычислить полную картину прошлого. Это совместимо с нашим интуитивным пониманием, что, или неприятное, или счастливое, у мира есть определенное прошлое. Возможно, не было ни одного наблюдения, но прошлое существует так же несомненно, как будто Вы сделали серию его снимков. Но нельзя сказать, что квантовый бакибол проделал определенный путь от источника до экрана. Мы могли бы точно определить местоположение бакибола, наблюдая за ним, но между нашими наблюдениями требуются все пути. Квантовая физика говорит нам, что независимо от того, насколько детально наше наблюдение настоящего, (ненаблюдаемое) прошлое, как и будущее, неопределенно и существует только в виде спектра возможностей. У Вселенной, согласно квантовой физике, нет единственного прошлого или истории.

Факт, что прошлое не принимает определенной формы, означает, что наблюдения системы, которые Вы делаете в настоящем, затрагивают ее прошлое. Это довольно наглядно подчеркнул образец эксперимента, продуманного физиком Джоном Уилером, названного экспериментом с отложенным выбором. Кратко, эксперимент с отложенным выбором похож на только что описанный нами эксперимент с двойной прорезью, в котором у Вас есть возможность выбора, наблюдать ли путь, проделанный частицей, за исключением того, что в эксперименте с отложенным выбором Вы откладываете свое решение, наблюдать путь или нет, до самого момента, пока частица не попадает на детекторный экран.

Эксперименты с отложенным выбором имеют своим результатом данные, идентичные тем, что мы получаем, когда хотим наблюдать (или не наблюдать) информацию о выборе пути, непосредственно следя за прорезями. Но в этом случае путь каждой частицы — то есть, ее прошлое — будет определен намного позже того, как она прошла через прорези, и, по-видимому, должна была «решить», перемещаться ли только через одну прорезь, не вызывая интерференцию, или через обе, вызывая.

Вилер даже рассматривал космическую версию эксперимента, в которой рассматриваемыми частицами служат фотоны, испускаемые сильными квазарами с расстояния в миллиарды световых лет. Такой свет мог быть расщеплен на две траектории и перефокусирован в направлении Земли гравитационной линзой галактики, лежащей посредине. Хотя этот эксперимент недосягаем при нынешних технологиях, если мы могли бы собрать достаточно много фотонов этого света, они должны сформировать картину интерференции. Все же, если мы помещаем устройство для получения информации о выборе пути сразу перед детекторным экраном, эта картина должна исчезнуть. Выбор, избрать ли один путь или оба, в этом случае был бы сделан миллиарды лет назад, до того как была сформирована Земля или, возможно, даже наше Солнце, и все же нашим наблюдением в лаборатории мы повлияем на этот выбор.

В этой главе мы иллюстрировали квантовую физику, используя эксперимент с двойной прорезью. В дальнейшем мы применим формулировку квантовой механики Фейнмана к Вселенной в целом. Мы увидим, что, как и частица, Вселенная имеет не одну лишь единственную историю, но у каждой возможной истории есть собственная вероятность; и наши наблюдения за ее текущим состоянием затрагивают ее прошлое и обуславливают различные истории Вселенной, также как наблюдения за частицами в эксперименте с двойной прорезью затрагивают прошлое частиц. Это рассмотрение покажет, как законы природы в нашей Вселенной возникли из Большого взрыва. Но прежде чем мы исследуем, как возникли законы, мы немного поговорим о том, что эти законы собою представляют, и о некоторых тайнах, которые они за собой влекут.

5. Теория всего

Самое непостижимое во Вселенной то, что она постижима.

Альберт Эйнштейн

Вселенная постижима, потому что ею управляют научные законы; то есть ее поведение можно смоделировать. Но что это за законы или модели? Первая сила, описанная математическим языком, была силой тяжести. Закон притяжения Ньютона, опубликованный им в 1687 году, гласит, что каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект с силой пропорциональной его массе. Он произвел значительное впечатление на интеллектуалов того времени, потому что в первый раз было показано, что минимум один аспект Вселенной мог быть точно смоделирован, что привело к созданию математического аппарата, чтобы просчитывать это. Идея, что существуют законы природы, была похожа на ту, за что Галилея обвинили в ереси около 50 лет до этого. Например, в Библии говорится, что Иисус Навин молился, чтобы Солнце и Луна остановились, так чтобы у него был бы лишний светлый день, чтобы успеть закончить сражение Аморреев в Ханаане. Как пишется в библии, Солнце продолжало светить целые сутки. Теперь мы знаем, что это означало бы, что Земля прекратила вращаться. Если Земля остановится, в соответствие с законами Ньютона все незакрепленные объекты на ней будут продолжать двигаться по инерции со скоростью вращения Земли (1700 км/час на экваторе) — высокая цена за продолжение солнечного дня. Однако самого Ньютона это не волновало, поскольку, как мы уже отмечали, Ньютон верил в то, что Бог мог вмешиваться и вмешивался в функционирование Вселенной.

Следующим аспектом Вселенной, для которого были открыты законы или модели, являются электрические и магнитные силы. Их поведение подобно гравитации, с важным отличием, что два электрических заряда или два магнита одного типа отталкивают друг друга, а разного типа — притягивают. Электрические и магнитные силы более сильные, чем силы гравитации, но мы обычно не замечаем их в повседневной жизни, потому что макроскопические тела содержат почти равное количество положительных и отрицательных зарядов. Это означает, что электрические и магнитные силы между двумя макроскопическими телами почти уравновешивают друг друга, в отличие от сил гравитации, которые складываются.

Наше нынешнее понятие об электричестве и магнетизме были сформированы за период около ста лет, с середины 18 и до середины 19 веков, когда физики нескольких стран, проводя тщательные эксперименты, изучали электрические и магнитные силы. Одним из важнейших открытий является то, что электрические и магнитные силы взаимосвязаны. Движение электрического заряда влияет на магнит, и движение магнита воздействует на электрические заряды. Первым, кто понял, что существует некоторая взаимосвязь, был датский физик Ганс Христиан Эрстед. Проводя лекцию в университете в 1820 году, Эрстед заметил, что электрический ток из батареи, которую он использовал, влияет на стрелку рядом находящегося компаса. Он вскоре осознал, что электрический ток создал магнитную силу, и ввел новый термин «электромагнетизм». Несколько лет спустя, британский физик Майкл Фарадей обосновал, что — выражаясь современными терминами — если магнитное поле возникает из электрического тока, то и магнитное поле должно производить электрический ток. Он продемонстрировал этот эффект в 1831 году. Четырнадцатью годами спустя, Фарадей также открыл взаимосвязь между электромагнетизмом и светом, когда демонстрировал, что сильное магнитное поле может воздействовать на свойства поляризованного света.

Фарадей официально был малообразованным. Он родился в семь кузнеца в пригороде Лондона и оставил школу в возрасте 13 лет, чтобы работать рассыльным и переплетчиком в книжном магазине. Там, спустя годы, он изучил науки, читая книги, с которыми он имел дело, и, проводя простые и недорогие эксперименты в свое свободное время. В конце концов, он устроился работать ассистентом в лабораторию великого химика Сэра Хемфри Деви. Фарадей будет продолжать работать там все свои оставшиеся 45 лет, и после смерти Деви, сменит его. Фарадей имел проблемы с математикой и никогда ее хорошо не изучал, поэтому ему было сложно постигать теоретическую картину сложного электромагнитного феномена, который он наблюдал в своей лаборатории. Тем не менее, он справился.

Одним из величайших его открытий была идея силового поля. В наши дни, благодаря книгам и кинофильмам о пучеглазых пришельцах и их космических кораблях, большинство людей знакомо с эти понятием, поэтому ему следовало бы получить гонорар. Через века между Ньютоном и Фарадеем, одной из величайших тайн физики было то, что, согласно его законам, эти силы действуют через пустое пространство, которое разделяет взаимодействующие объекты. Фарадею не нравилось это. Он считал, что чтобы переместить объект, нечто должно войти с ним в контакт. И, поэтому, он представлял пространство между электрическими разрядами и магнитами, как заполненное невидимыми трубками, которые физически притягивают и отталкивают. Фарадей назвал эти трубки силовым полем. Чтобы наглядно продемонстрировать силовое поле, нужно выполнить школьный опыт, в котором стеклянная тарелка помещена над куском магнита, и иголки распределяются по стеклу. Металлические опилки двигаются так, если бы их подталкивала невидимая сила, и выстраиваются по силовым линиям от одного магнитного полюса к другому. Этот опыт наглядно демонстрирует невидимые магнитные силы, пронизывающие пространство. Сегодня мы считаем, что все силы распространяются через поля. Это важная концепция в современной физике — так же, как и в научной фантастике.

Несколько десятилетий понимание электромагнетизма не изменялось, оставаясь на уровне знания нескольких эмпирических законов: некоторое подозрение, что электричество и магнетизм близко, если не мистически, связаны; идея, что они имеют какое-то отношение к свету; и зарождающаяся концепция поля. Как минимум одиннадцать теорий электромагнетизма существовало, но каждая из них давала трещину. Но в 1860-е годы шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл облек идеи Фарадея в математическую оболочку, что позволило объяснить близкую и мистическую связь межу электричеством, магнетизмом и светом. Результатом было набор уравнений, описывающих и электрические, и магнитные силы, как демонстрация общей физической сущности — электромагнитного поля. Максвелл объединил электричество и магнетизм в одну силу. Более того он показал, что электромагнитное поле может распространяться через пространство как волна. Скорость этой волны определяется членом его уравнений, которое он определил по экспериментальным данным, которые он наблюдал несколько лет. К своему изумлению, скорость, которую он вычислил, оказалась эквивалентна скорости света, рассчитанной экспериментально с точностью до одного процента. Он обнаружил, что свет сам по себе является электромагнитной волной!

Сегодня уравнения, описывающие электрические и магнитные поля, называются уравнениями Максвелла. Некоторые слышали о них, но они, вероятно, являются самыми важными уравнениями, которые нам известны. Они не только управляют работой от простейших домашних приборов до компьютера, но они также описывают волны, отличные от света, такие как микроволны, радиоволны, инфракрасные волны и рентгеновские лучи. Все они отличаются от видимого света только одним — длинной волны. Радиоволны имеют длину волны метр или более, тогда как длина волны видимого света — нескольких десятых микрометра, а рентгеновские лучи короче нескольких сотых микрометра. Наше Солнце излучает все длины волн, но его излучение наиболее интенсивное в видимом диапазоне волн. Это не случайно, что длины волн, которые мы способны видеть невооруженным глазом, совпадают с теми длинами, которые Солнце излучает особенно сильно. Вероятно, что наши глаза имеют способность замечать электромагнитное излучение строго в этом диапазоне, потому что этот диапазон излучения наиболее пригодный для них. Если мы когда-либо столкнемся с существами с других планет, они вероятно будут иметь способность «видеть» излучение в каком-то диапазоне длин волн, которое их Солнце излучает наиболее сильно, учитывая такие факторы, как светозапорные характеристики от пыли и газов в атмосфере их планеты. Таким образом, пришельцы, которые эволюционировали при рентгеновском излучении, могли бы сделать хорошую карьеру в службе безопасности аэропорта.

Уравнения Максвелла предписывают, что электромагнитные волны распространяются со скоростью около 300 000 километров в секунду или около 670 миллионов миль в час. Но ссылаться скорость ничего не означает, если Вы не определяете систему координат, относительно которой измерена скорость. Это не то, о чем Вы обычно должны думать в повседневной жизни. Когда на Вашем спидометре 60 миль в час, подразумевается, что Ваша скорость измерена относительно дороги, а не черной дыры в центре Млечного пути. Но даже в повседневной жизни есть случаи, в которых Вы должны принять во внимание систему координат. Например, если Вы несете чашку чая по проходу реактивного самолета в полете, Вы могли бы сказать, что Ваша скорость составляет 2 мили в час. Кто-то на Земле, однако, мог бы сказать, что Вы двигаетесь со скоростью в 572 мили в час. Как бы Вы не считали, что один или другой из тех наблюдателей больше прав, имейте в виду, что, потому что Земля вращается вокруг Солнца, кто-то, наблюдая за Вами с его поверхности, не согласился бы с обоими и сказал бы, что Вы двигаетесь приблизительно в 18 миль в секунду, не говоря уже о зависти Вашему комфорту. В свете таких разногласий, когда Максвелл утверждал, что обнаружил «скорость света», получающуюся из его уравнений, естественный вопрос был, какова скорость света в уравнениях Максвелла, измеренная относительно?

Нет никакой причины полагать, что параметр скорости в уравнениях Максвелла — скорость, измеренная относительно земли. Его уравнения, в конце концов, относятся ко всей Вселенной. Альтернативный ответ, который рассматривался некоторое время, — то, что его уравнения определяют скорость света относительно ранее необнаруженной среды, пронизывающее все пространство, названной люминофорным эфиром, или если коротко, просто эфир, который был термином Аристотеля для вещества, которое, как он полагал, заполняет всю Вселенную вне земной сферы. Этот гипотетический эфир был бы средой, через которую распространяются электромагнитные волны, как звук распространяется через воздух. Если бы эфир существовал, был бы абсолютный стандарт покоя (то есть, покоя относительно эфира) и, следовательно, абсолютный способ определить движение. Эфир обеспечил бы привилегированную систему отсчета всюду по всей Вселенной, относительно которой могла быть измерена скорость любого объекта. Таким образом, эфир, как постулировалось, существовал только теоретически, побуждая некоторых ученых на поиски способа изучить его, или, по крайней мере, подтвердить его существование. Одним из этих ученых был сам Максвелл.

Если Вы мчитесь через воздух к звуковой волне, волна приближается к Вам быстрее, и если Вы мчитесь от нее, это приближается к Вам более медленно. Точно так же, если бы был эфир, то скорость света изменилась бы в зависимости от Вашего движения относительно эфира. Фактически, если свет действовал бы подобно звуку, так же, как люди на сверхзвуковом самолете никогда не будут слышать звука, который доносится из самолета, также путешественники, мчащиеся достаточно быстро через эфир были бы в состоянии опередить световую волну. Рассуждая таким образом, Максвелл предложил эксперимент. Если есть эфир, Земля должна перемещаться сквозь него, поскольку она вращается вокруг Солнца. И так как Земля движется в другом направлении в январе чем, скажем, в апреле или июле, можно было бы заметить небольшое различие в скорости света в разное время года — см. рисунок ниже.