Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

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.

Всего за десять лет специальная теория относительности Эйнштейна и его гипотеза о квантовой природе света перевернули физику с ног на голову. Из тихих волн, распространяющихся по люминофорному эфиру, свет превратился в величайшую загадку – не только в самое быстрое явление в мире, но и такое, скорость которого не зависит от движения его источника; не просто в волну, а в волну, которая может двигаться в пустоте; в нечто, являющееся одновременно и волной, и частицей и не соответствующее нашим представлениям о том, что эти варианты исключают друг друга. Скорость света не просто самая большая в мире – это граничная скорость, установленный Природой максимум. Никакая информация не может попасть к нам раньше, чем свет. Изучая ближние и дальние уголки Вселенной, физики и астрономы поняли, что свет сам по себе является информацией. Собранные данные о разнообразных типах электромагнитного излучения помогают им изучать объекты, расположенные на большом расстоянии от Земли, и формировать картину нашего мира. Из этой книги мы узнали, как существование граничной скорости приводит к возникновению космического горизонта, информация из-за которого нам недоступна.

Еще более удивителен тот факт, что свет способен двигаться со своей скоростью, потому что он не имеет массы. Крошечные частицы света, которые позже были названы фотонами, представляют собой безмассовые сгустки энергии. Итак, физика утверждает, что что-то может существовать без массы, что объект может быть реальным, не будучи при этом материальным. Все сущее определяет физическую реальность, следовательно, новая физика постулирует, что реальность может быть нематериальной. Энергия более фундаментальна, более важна, чем масса. Для более глубокого понимания Природы требовался новый взгляд на нее. Физики должны были научиться отпускать прошлое.

В своей четвертой публикации, вышедшей в 1905 году и занимавшей всего несколько страниц, Эйнштейн вывел свою знаменитую формулу E = mc2. Он писал: «Если тело испускает энергию L в форме излучения, то его масса изменяется как L/c2».[117] «Соответственно, – заключил Эйнштейн, – масса тела является показателем содержащейся в нем энергии». Итак, говоря об объектах, мы можем ссылаться только на их энергию (энергию в них). Энергия объединяет массу и излучение, потенциально превращая одно в другое. В конце своей работы Эйнштейн предположил: «Существует вероятность, что эту теорию можно успешно проверить на телах, содержание энергии в которых существенно варьируется (например, на радиевых солях)».[118] И он был абсолютно прав! Радиевые соли, о которых говорит Эйнштейн, представляют собой радиоактивные ядра, которые по мере распада испускают либо более мелкие частицы, либо чистое излучение. Как и предсказывал Эйнштейн, излучение распада, состоящее из фотонов гамма-лучей, имеет энергию, прямо пропорциональную массе, утрачиваемой ядром (умноженной на скорость света в квадрате).