7 марта 1693 г. известный немецкий философ Готтфрид Лейбниц написал Ньютону письмо, поздравляя его с новой теорией гравитации, которая ловко объяснила все те явления, которые атомисты безуспешно пытались объяснить: падение тел, приливы, движение планет. С ее эмпирическим успехом невозможно было поспорить. Но Лейбниц хотел знать, чем объясняется тяготение. Следуя за Демокритом и Декартом, он думал, что нелокальность гравитации должна быть иллюзией. Если посмотреть достаточно близко, наверняка можно было увидеть какой-то локальный механизм, который заставляет брошенные тела падать, а планеты обращаться вокруг Солнца. Каким еще образом мир мог иметь смысл?

Лейбниц писал письма так же, как мы пишем имейлы. За свою жизнь он отправил 15 000 писем 1100 адресатам. И по сей день их еще не полностью занесли в каталоги. Это были не какие-нибудь записки в одну строчку, многие представляли собой обширные эссе, которые открывали целые новые области науки и математики. Как сегодняшние измотанные электронной почтой работники, Лейбниц жаловался на перегруженность информацией. «Я не могу даже выразить, насколько это меня отвлекает и не дает сосредоточиться», — писал он другу.

Лейбниц никогда не встречался с Ньютоном, но в течение нескольких десятилетий он и его соотечественники вели с Ньютоном и его соотечественниками дебаты в письмах. Они достигли наивысшей точки в пяти раундах переписки между Лейбницем и английским философом Сэмюелом Кларком, переписки, которая оборвалась только с кончиной Лейбница в 1716 г. К тому времени первоначальная любезность переросла в войну. Их письма богаты идеями, но, когда я читал их, меня поражало то, что Лейбниц и Кларк почти не пытались найти общий язык; каждый из них вновь и вновь отстаивал свою позицию, не давая своему противнику права на презумпцию невиновности. Справедливости ради заметим, что разногласия относительно такого фундаментального вопроса, как природа пространства, невозможно было разрешить улыбкой и рукопожатием, поскольку люди не соглашались даже в том, что могло бы считаться их удовлетворительным разрешением.

Для Лейбница и других критиков теории Ньютона такое разрешение не могло появиться без механистического объяснения. Оставляя вопрос без объяснения, Ньютон показывал, что гравитация была не просто не объяснена, но и необъяснима — это волшебный фокус, который мы никогда не сможем понять. Лейбниц писал Кларку: «Этот способ взаимодействия (говорит он) является невидимым, неосязаемым, не механическим. С таким же успехом можно добавить, что он необъясним, непонятен, сомнителен, не обоснован и беспрецедентен… Это химера, схоластическая оккультная величина».

Ньютон открыто признавал, что не знает, как действует тяготение: «Я не смог обнаружить причину таких свойств тяготения, наблюдая за его проявлениями, и у меня нет никаких гипотез». Он в общем соглашался с насмешкой Лейбница над тем, что гравитация «оккультна» — вызвана скрытыми причинами, — но не думал, что это имело какое-то значение. Вы можете не знать, какова причина тяготения, но, если просто принять ее существование, почти все известные о Вселенной факты становятся понятными, и этого вполне достаточно.

Следуя за Ньютоном, современные физики считают, что у любой теории есть две отдельные функции. Во-первых, теория должна обеспечивать математическое описание: это формулы, которые позволяют вычислять, как быстро падает яблоко, когда произойдет солнечное затмение и т.п. Во-вторых, теория должна обеспечивать «интерпретацию» формул, т.е. давать убедительную картину того, что происходит с яблоком или Луной. Для Лейбница и большинства других философов до Ньютона вторая функция была первостепенной. Их основная цель состояла в том, чтобы сделать Вселенную постижимой. Но когда пришел Ньютон, преимущество получила первая функция. Если вам приходится выбирать между описанием и объяснением, физики считают, что лучше иметь описание. Смирившись со своим невежеством, вы вольны двигаться вперед небольшими шажками. Вы можете придумать объяснение позже, а пока вам достаточно удобных формул, которые убеждают вашу маму в том, что вы тратите свою жизнь на что-то полезное.

Современные физики называют интерпретацию «философской» задачей, подразумевая, что она предполагает другой умственный настрой или вообще другую академическую дисциплину. Они проводят рабочее время за вычислениями и, бывает, не могут подобрать слова, когда их спрашивают, что на самом деле происходит там, в реальном мире. Если уж на то пошло, интерпретация, с их точки зрения, сомнительна. Настойчивый поиск объяснения вынудил атомистов предложить хоть какую-то идею, только чтобы иметь простое, постижимое представление о мире. Так, может, лучше сосредоточиться на том, что мы действительно знаем: на наблюдаемых фактах? «Нет ничего более необходимого для истинного философа, чем усмирить неуемное желание поиска причин», — писал видный сторонник таких взглядов, шотландский философ XVIII в. Дэвид Юм.

В своем крайнем выражении такая позиция известна как инструментализм, который рассматривает теории всего лишь как математический аппарат или инструментарий для того, чтобы каталогизировать факты. «Молчи и считай» — лозунг инструменталистов.

Это сугубо деловое, основанное только на фактах видение науки то входит в моду, то выходит из нее. Широко распространенное в десятилетия после Ньютона оно стало популярным снова в середине XIX в. и снова в начале-середине XX в. И не случайно — это были периоды революций в науке. Когда физики внедряют какую-нибудь спорную теорию, они часто, как это делал Ньютон, уверяют своих коллег (и самих себя) в том, что это действительно только инструмент для вычислений. Не можете уразуметь, почему теория истинна? Ну и ладно — в нее не обязательно верить, чтобы ею пользоваться. Немного инструментализма помогает радикальной идее стать принятой.

Хотя в конечном счете инструментализм — это всего лишь тактическое отступление. В конце концов большинство людей все же жаждет получить представление о том, на что действительно похожа Вселенная, что находится под поверхностью нашего восприятия. В самом деле, разве физические теории могут работать так хорошо, если в них нет хоть какой-то доли истины? Молодые люди в особенности расстраиваются, когда преподаватели советуют им не загружать свои симпатичные маленькие головки тем, что происходит на самом деле. Немало самых передовых ученых в истории говорят, что они изучили выбранный ими предмет самостоятельно, потому что никто не хотел преподавать его во время учебы.

Более того, интерпретация — это не только наведение лоска на уже существующие уравнения, но и творческая искра науки. В конце концов, как физики изначально придумывают уравнения? Почти всегда у них есть определенное представление о физическом мире: в случае Ньютона — магические симпатии. Как только физики разработают уравнения на основе этих представлений, они могут отбросить интерпретацию и позволить уравнениям жить самостоятельно, точно так же как Ньютон дистанцировался (по крайней мере публично) от магии. У любого конкретного набора уравнений есть многочисленные интерпретации, так что физики не обязаны посвящать себя той, что привела их к созданию уравнений. Они вольны предлагать новые интерпретации, какие-то из них приведут к появлению новых теорий и новых уравнений, и, таким образом, цикл продолжится. Но они никогда не смогут обходиться без интерпретаций вообще. Нет четкой границы между философскими и физическими задачами, есть только проницаемая граница с перетоком идей в обе стороны.

Действительно, несмотря на клятвенные заверения Ньютона в том, что он не строит гипотез относительно работы тяготения, на самом деле они у него были: три широкие гипотезы, каждая из которых приобрела своих сторонников. Во-первых, возможно, гравитация все-таки задействовала какие-то локальные, механические процессы. На первый взгляд этот вариант кажется обреченным на неудачу. Закон Ньютона, в соответствии с которым сила тяжести зависит от массы объекта, конечно, отправляет его в нокаут. Если единственный способ, которым частицы оказывают силовое воздействие, — это столкновение, то влияние должно зависеть от площади внешней поверхности (от того, насколько большую мишень представляет собой объект), а не от массы. И все же Ньютон продолжал перебирать механистические идеи, и один из его лучших друзей, швейцарский математик Никола Фатио де Дюильер, придумал оригинальное решение проблемы массы. Если бы наша планета походила на гигантский тренировочный мяч для гольфа, пронизанный крошечными порами, то частицы снаружи могли бы попасть внутрь и столкнуться с веществом глубоко внутри, и тогда сила действительно зависит от общего количества вещества, т.е. от массы. Эта теория не смогла завоевать популярность не столько из-за своих недостатков, сколько из-за ошибок Фатио: в конечном счете он умудрился восстановить против себя и Ньютона, и Лейбница и связался с группой яростных религиозных фанатиков.

Во-вторых, возможно, существовал какой-то другой способ локального взаимодействия тел помимо столкновений, который приводил к возникновению силы тяготения. Ньютон и Кларк писали о «нематериальном», «бестелесном» или «неосязаемом» посреднике, который мог выступать в качестве проводника, передавая тяготение от одного объекта другому. У этих слов есть разные коннотации, например связанные с Богом или духами, но по самой своей сути они всего лишь означают нечто, не состоящее из частиц и не подчиняющееся обычным атомистским правилам заполнения пространства. Материальные частицы непроницаемы; если одна из них занимает некоторый объем пространства, ничто другое не может занять тот же самый объем. Но нематериальный посредник не занимает объем пространства эксклюзивно; он может делить его с другими объектами. Таким образом он может проникать внутрь планет, что объясняет, почему сила притяжения зависит от массы, а не от площади поверхности. Лейбниц, со своей стороны, разработал теорию нематериальных сущностей, называемых «монадами» и лежащих в основе нашей наблюдаемой действительности. Хотя он так и не смог связать свои монады с чем-либо, что можно наблюдать непосредственно, философы более позднего периода, такие как Иммануил Кант, подхватили это понятие, и через них идеи Лейбница способствовали появлению концепции электрического и магнитного поля.

Ньютон был очень близок к пониманию того, что нематериальный посредник, способный к передаче тяготения, — это само пространство. Для него пространство было проявлением вездесущности Бога. У него был такой же взгляд и на тяготение: сила перескакивает от одного места к другому потому, что Бог уже существует в обоих местах. Если гравитация и пространство связаны с вездесущностью Бога, то гравитация и пространство связаны друг с другом. Лейбниц также неявно связывал тяготение со свойствами пространства. Он думал, что его монады дают начало нашему восприятию как пространства, так и дальнодействия. Безусловно, ни Ньютон, ни Лейбниц не говорили, что пространство было причиной тяготения. Никто из них не думал, что пространство было способно к действию. Этот скачок совершил Эйнштейн.

В двух вышеупомянутых интерпретациях говорится, что гравитация действует так, как будто она нелокальна. В третьей интерпретации слово «как будто» отбрасывается и предполагается, что тела действительно притягиваются друг к другу, минуя пространство. Одним из первых сторонников такого варианта был Роджер Котс, английский математик, который помог Ньютону переработать «Начала» для второго издания в 1713 г. Некоторые историки полагают, что и сам Ньютон склонялся к идее нелокальности. Трудно сказать, так ли это. В одном очень часто цитируемом письме Ньютон вроде бы назвал нелокальность «невообразимой… нелепостью», но, если прочитать цитату в контексте, она, возможно, относилась к атеизму. В других трудах он беззаботно упоминал нелокальные силы в связи с большим количеством явлений помимо тяготения, включая отражение и преломление света, диффузию пара, давление газа, когезию материалов и тепло. Ньютон так и не признался, что считает гравитацию нелокальной, но, возможно, потому, что не хотел отвращать от себя механицистов-пуристов еще больше, чем раньше.

Те, кто вырос в десятилетия после издания «Начал», считали силы, действующие на расстоянии, абсолютно приемлемыми. С известными исключениями ученые XVIII в. не чувствовали потребности призывать на помощь какие-либо локальные объяснения или придумывать инструменталистские оправдания. Они распространили принципы тяготения на другие примеры нелокальности, которые омрачали физику. Бенджамин Франклин, например, дал Америке место на научной карте, объяснив электричество как жидкость из притягивающихся и отталкивающихся частиц, которые неявным образом обладали свойствами нелокальности. Другие предполагали, что такие жидкости существуют в случаях магнетизма, химических реакций и многого другого.

Фактически общепринятая система взглядов повернулась на 180 градусов. Теперь локальностьначала казаться неприемлемой. Оставим на время гравитацию, электричество и магнетизм — даже казалось бы простое соударение двух бильярдных шаров заставляло людей в смятении расшибать лбы. Почему шары отскакивают друг от друга? Главные сторонники локальности, такие как Демокрит, Декарт и Лейбниц, сами задавались этим вопросом. Когда шары соприкасаются, это все еще два шара или они становятся единым целым? Как воздействие распространяется от места удара до противоположной стороны каждого шара? Действительно ли шары делают мгновенный разворот, который означал бы бесконечно быстрое изменение скорости?

Кант кое-что понимал в бильярде. Главный немецкий философ XVIII в. играл настолько хорошо, что выигрыши помогали ему оплачивать учебу в колледже. Кант был ключевой фигурой, способствовавшей тому, чтобы доньютоновские представления о локальности были преданы забвению. Его занимал в основном анализ того, каким образом мы знаем то, что знаем, или думаем, что знаем. Локальность была примером знакомой идеи, которая при более внимательном рассмотрении оказывается сомнительной. В повседневной жизни мы замечаем, что нам нужно коснуться объекта, чтобы заставить его двигаться. Но на самом деле мы никогда ничего не касаемся. Скорее мы прилагаем к нему силу, а он прилагает силу к нам. Эти силы объясняют то сопротивление, которое мы чувствуем, когда сжимаем мяч или пытаемся просунуть руку сквозь твердую стену. Знакомые нам объекты на самом деле представляют собой по большей части пустое пространство. Когда мы говорим «о материи», речь идет о континууме сил, а не о составляющих ее частицах, которые всегда остаются для нас недоступными.

Изначальная привлекательность локальности была в том, что единственный способ взаимодействия — непосредственный контакт — мог объяснить все. Когда Ньютон добавил второй способ — нелокальные силы, — сначала казалось, что он все усложняет, но Кант и другие объяснили непосредственный контакт и восстановили прежнюю простоту. Если посмотреть на соударение двух бильярдных шаров в замедленном воспроизведении, то вы увидите не резкий отскок, а постепенное изменение направления движения. Когда шары сближаются, они прилагают друг к другу силу отталкивания, которая замедляет их, останавливает и отправляет обратно в том направлении, откуда они прибыли. Фактически шары никогда не вступают в непосредственный контакт. Если раньше философы-механицисты стремились объяснить нелокальные силы локальными взаимодействиями, то теперь они сводили локальные силы к нелокальным взаимодействиям.

Ньютоновское тяготение с трудом получило признание в этом мире, но потом стало новым общепринятым понятием. В 1872 г. австрийский физик и философ Эрнст Мах описал этот поворот событий. Он утверждал, что ученые объясняют явления, связывая незнакомое со знакомым, необычное с общепринятым. «Общепринятое» может в действительности быть не более понятным, чем необычное. Это видно, когда пятилетний ребенок спрашивает, как работает обычный бытовой прибор, а мы мешкаем с ответом. Нам проще принять это. В конце концов, мы должны принять что-тов качестве нижнего уровня действительности, и оно должно быть тем, с чем мы можем жить. Мах писал: «Самые простые факты, к которым мы сводим более сложные, всегда непостижимы сами по себе, т.е. их нельзя понять еще лучше… Люди обычно сводят незаурядные непостижимости к общепринятым».

Но то, что мы считаем «общепринятым», может меняться. До Ньютона это был непосредственный контакт. После него общепринятыми стали считаться нелокальные силы. «Ньютоновская теория тяготения, когда она только появилась, смущала почти всех исследователей физического мира, потому что была основана на незаурядной непостижимости, — писал Мах. — Люди пытались свести тяготение к давлению и столкновениям. В наши дни тяготение больше никого не беспокоит; оно стало общепринятой непостижимостью». Какая ирония: еще до того как Мах написал эти слова, маятник уже качнулся в обратную сторону, и физики снова приходили к идее о том, что Вселенная все-таки должна быть локальной.