Остров знаний

Итак, вместо эфира как абсолютной (и несуществующей) системы отсчета вводилась другая постоянная – скорость света. Эйнштейн просто заменил одну константу другой! У него не было никаких доказательств своей правоты – он лишь руководствовался принципом о том, что физические законы должны оставаться неизменными в любой инерциальной системе отсчета, то есть что Природа должна проявлять свою фундаментальную симметрию. Какой смысл имела бы наука, если бы каждый наблюдатель руководствовался своими законами и получал отличные от других результаты? Таким образом, Эйнштейн поднял принцип относительности (то есть единообразия законов Природы в инерциальных системах отсчета) до уровня постулата.

Его второй постулат был еще более смелым. Почему свет отличается от всего остального? Почему он всегда движется с одной скоростью? Эйнштейн не знал, почему скорость света неизменно составляет 299 792 453 метра в секунду, но он предположил, что она постоянна, чтобы увязать электромагнетизм с принципом относительности. Постоянство скорости света было ценой, которую он готов был заплатить за восстановление порядка в физике. Отбросив идею эфира, Эйнштейн сделал свет еще более загадочным – волной, способной двигаться в пустоте с постоянной скоростью. И это было лишь начало.

Работа по специальной теории относительности была одним из четырех трудов, которые 26-летний Эйнштейн опубликовал в 1905 году, и первый из них казался ему самым революционным. Статья вышла под ничем не примечательным заголовком «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». В начале работы Эйнштейн подчеркивает, что теория Максвелла о волновой природе света не соответствует общепринятым представлениям об атомах и электронах как составных элементах материи. Волны имеют продолжительность в пространстве, в то время как атомы дискретны. Затем он выдвигает свою «эвристическую точку зрения»: так же как и любая материя, свет состоит из крошечных частиц, «квантов, энергия которых рассчитывается как [h × f]».[115] В этой формуле h – это постоянная Планка, природная константа, ассоциирующаяся со всеми квантовыми явлениями, а f – частота пучка света. Если свет не монохромен, то есть состоит из волн разной частоты, в нем имеется множество видов таких квантов, по одному для каждого типа волны. Если Эйнштейн был прав, он возродил корпускулярную теорию света. Представьте, как ликовал бы Ньютон!

Эйнштейн был достаточно осторожен в своих заявлениях, поэтому писал, что волновая гипотеза все еще оставалась в силе, до тех пор, пока она не применялась к «возникновению и превращению света».[116] Иными словами, атомистическое и волновое поведение света дополняют друг друга, как две стороны одной медали. В зависимости от изучаемого физического явления свет можно рассматривать и как волну, и как частицу. Точно так же мы рассматриваем воду при комнатной температуре одновременно как жидкость и как взвесь отдельных молекул. То, чем является вода, зависит от контекста. То же самое верно и для света, хотя на самом деле он не частица и не волна.

Цель физики состоит не в том, чтобы наделять характеристики объектов реальности каким бы то ни было окончательным смыслом («вода/свет – это то-то и ничто иное»), а в том, чтобы объяснять результаты экспериментов. Концепции, которые создают ученые, – это инструменты объяснения, искусственные конструкции, придающие значение изменениям. Для физика не так важно, чем что-то является на самом деле. Куда важнее, насколько эффективно его объяснение. На самом деле чем дальше мы углубляемся в квантовый мир, тем меньше смысла остается в понятии бытия как перманентного состояния. Ни один объект здесь не то, чем кажется, и ничто не остается собой надолго. Материя и свет кружатся в танце постоянной трансформации. Эйнштейн со своей эвристической точкой зрения открыл дверь в мир непостоянства, и нет ничего удивительного, что путь ему освещал свет.

Глава 21. Научиться отпускать в которой мы начинаем путешествие по миру квантовой физики и узнаем, как она ограничивает область наших знаний о мире