Возрождение локальности началось в 1786 г. с мертвых лягушек, свисающих с железных перил. Итальянский врач Луиджи Гальвани проводил эксперименты на мышцах животных, чтобы выяснить, как разряды статического электричества заставляют их сокращаться. Однажды он увидел, что лапки лягушек дергались самостоятельно, даже когда он ничего с ними не делал, и его осенило, что животные ткани не просто реагировали на электричество, но также могли генерировать его. Металл и амфибия образовали то, что мы теперь называем батарейкой, а в 1800 г. другой итальянец, Алессандро Вольта, создал ее работоспособный вариант, заменив лягушку влажным куском картона. Батареи не только дали экспериментаторам новую замечательную игрушку — само их существование потрясло тех, кто придерживался ньютоновского представлений о том, что химические реакции и электричество вызывались различными типами нелокальных флюидов и не должны были превращаться друг в друга.

Это произошло очень вовремя. Размышления Канта о том, что могли постичь наши рациональные умы, привели к восстанию против механистических взглядов в философии, а именно к возникновению движения, известного под названием немецкого романтизма, а под крышей этой общей категории появилась философская школа, известная как натурфилософия. Натурфилософия представляла собой одно из периодических возрождений магического мышления. Ее сторонники были очарованы оккультными личностями эпохи Возрождения и восточной мистикой. Они считали разнообразные силы природы, включая электричество и магнетизм, различными проявлениями органического единства. Приверженцы натурфилософии рассчитывали с помощью экспериментов распознать это единство и использовать его для нужд человека. В их число входили некоторые выдающиеся ученые-экспериментаторы начала XIX в.

Одним из них был датский экспериментатор Ханс Кристиан Эрстед. Он не был врачом подобно многим революционерам от науки, но все же стоял очень близко к этой профессии: он был фармацевтом. Эрстед создал свою первую батарейку практически сразу после того, как услышал об изобретении Вольты, и вскоре успешно создавал их по собственным схемам. В то время экспериментальные данные подтверждали представление Ньютона о том, что электричество и магнетизм никак не связаны. Статическое электричество не создает магнитных эффектов. Но Эрстед предположил, что электрический ток мог бы вызывать таковые. И он был прав. В 1820 г. Эрстед обнаружил, что провод, соединенный с батареей, может заставить находящуюся рядом стрелку компаса поворачиваться. И опять удобный консенсус был нарушен идеями, которые большинство ученых отвергло как ненаучные.

Эрстед показал не только то, что электричество и магнетизм связаны, но и что природа этой связи очень неньютоновская. Электрический ток не отталкивал и не притягивал стрелку компаса, а вращал ее. Это оказалось серьезным испытанием для нелокальных сил. Такие силы должны быть похожи на частные «линии прямой связи» между двумя взаимодействующими объектами, которые действуют так, как если бы остальная часть Вселенной просто не существовала. Логично предположить, что сила должна действовать вдоль прямой линии, соединяющей два объекта, потому что она слепа к другим объектам или местам, которые могли бы определить какое-то другое направление. Дергающаяся стрелка компаса Эрстеда противоречила этому интуитивному представлению. Чтобы вращать стрелку, ток должен оказывать воздействие, направленное не в сторону провода или от него, а по касательной. Следующим признаком наличия локальных, а не нелокальных процессов было то, что вращающаяся стрелка напомнила вихревые движения, которыми Демокрит и Декарт объясняли механизмы магнетизма и тяготения.

Тем временем на подъеме оказалось другое направление физики — оптика. Почти все в то время соглашались с атомистическим ньютоновским объяснением света как потока частиц. Однако очередной доктор, Томас Юнг из Англии, почерпнул вдохновение в течении воды и других жидкостей. Как и Аристотель, он думал, что свет был импульсом, проходящим через среду, заполняющую пространство. Такое объяснение было популярно среди схоластов Средневековья. В 1803 г. Юнг придумал эксперимент, который вернул ему популярность.

Представьте себе солнечный день, окно с темными занавесками и белую стену напротив окна. Если сделать разрез в занавеске, на стене появится небольшое пятно. Если сделать еще один разрез, на стене появляется не просто второе пятно, как можно было бы ожидать и как предсказывала корпускулярная теория Ньютона. Вместо этого на стене виден узор, похожий на зебру, — чередование светлых и темных полос. К тому же, даже если второй разрез позволяет проходить большему количеству света, исходное пятно обычно становится темнее. Все это становится понятным, если свет — это волна в невидимой среде. Волны, проходящие через два разреза, накладываются и могут либо ослаблять друг друга, либо усиливать. В тех местах, где максимум одной волны совпадает с максимумом другой, волна становится очень сильной, что дает яркую полосу; там, где максимум совпадает с минимумом, волна сводится на нет, тогда получается темная полоса. Это явление называют интерференцией волн. Эксперимент Юнга является классикой физики. Вы можете провести его сами (фокус в том, чтобы сделать разрезы как можно меньше и использовать лазерную указку, а не солнце в качестве источника света). На самом деле эксперименты с нелокальностью вроде тех, которые я упоминал в первой главе, — это усовершенствованная версия эксперимента Юнга.

Какой бы убедительной она ни была, идея Юнга пребывала в забвении в течение полутора десятилетий. Прорыв случился не после какого-то открытия, а после падения Наполеона. При императоре французские ученые-ньютонианцы подавили все конкурирующие теории. Даже в Англии люди были склонны неправильно истолковывать работу Юнга. Только когда политическая и интеллектуальная власть ньютонианцев ослабла, скрытый интерес к волновой природе света начал проявляться в открытую. Общественное мнение повернулось в его сторону к 1820 гг., когда Эрстедвершил революцию в исследованиях электричества и магнетизма.

Эти две проблемы теории Ньютона были решены одним человеком — Майклом Фарадеем. Фарадей — одна из самых поразительных личностей в истории науки, пример того, как исследования выигрывают от разнообразия. Родившись в бедной лондонской семье, Фарадей почти не ходил в школу. Он стал учеником переплетчика книг и заинтересовался наукой, читая том «Британскойэнциклопедии», который оставил в магазине один из клиентов. Он взял взаймы у своего брата один шиллинг, чтобы посетить научную лекцию, и создал собственную батарейку на каминной полке в задней комнате магазина. Вскоре после этого Фарадею удалось получить работу у самого известного химика Великобритании, Гемфри Дэви, который провел некоторое время в Германии с немецкими романтиками и разделял их видение единства природы.

Фарадей стал ведущей фигурой в физике как раз тогда, когда физика становилась физикой, а не разделом философии. В 1840 г. было придумано слово «физик». Если спросить ученых сегодня, то они проводят различие между физикой и философией на основании важности экспериментов. Но исторически это разделение было стратегией ребрендинга, частью общей стандартизации и профессионализации академических дисциплин в XIX в.

Фарадей никогда не изучал математику, и для всех нас это хорошо. Математическая элегантность теории Ньютона для него ничего не значила, поэтому ничего не мешало ему рассматривать радикальные концепции. С его точки зрения, самой простой интерпретацией открытия Эрстеда было то, что природа в конечном счете локальна. Однако при этом Фарадей признавал, что ученые не могли вернуться к теориям атомистов, в которых объекты влияют друг на друга только через столкновения. Должен существовать какой-то другой способ локального взаимодействия тел.

Он думал, что теоретики, изучавшие свет, были в чем-то правы с их идеей о влияниях, распространяющихся через вездесущую среду. Хотя электромагнетизм казался совершенно отличным от света явлением, он тоже предполагал существование какой-то среды. Если насыпать железные опилки вокруг магнита, они выстраиваются в грациозные арки, называемые силовыми линиями, которые имеют странное сходство с тем типом деформации, которая образуется в любом эластичном материале, когда вы его растягиваете. Фарадей считал, что эти опилки похожи на темную сажу, собирающуюся на теле невидимого человека: они выдавали присутствие среды.

Но что это могла быть за среда? Фарадей первоначально представлял ее себе как обычное вещество, состоящее из маленьких частиц, каждая из которых в отдельности подчиняется законам движения Ньютона. Но постепенно он осознал, что электромагнитная среда не могла состоять из обычного вещества. Во-первых, если только один обычный объект мог занимать данный участок пространства в одно и то же время, то эта среда сосуществовала с другими объектами. Дуги, сформированные железными опилками, не заканчиваются на полюсах магнита, но продолжаются в самом магните и замыкаются, образуя замкнутый контур; силовые линии пронизывают материю и существуют независимо от нее. Поэтому Фарадей и другие ученые представляли себе эту среду как новый тип вещества, как нематериального посредника или континуум силы, похожий на тот, о котором когда-то размышляли Ньютон, Лейбниц, Кант и др. В 1845 г. Фарадей ввел термин, под которым мы знаем эту среду сегодня, — «поле».

Поле окружает нас и проникает в нас, мы плаваем в нем, и оно всегда действует на нас. Мы никогда не видим его непосредственно, но оно дает нам почувствовать свое присутствие, передавая воздействия от одного места к другому. Поле локально в двух смыслах. Во-первых, электромагнит не преодолевает пространство волшебным образом, чтобы притянуть металлическую скрепку для бумаг. На скрепку влияет только состояние поля в том месте, где она находится, подобно тому как водяной клоп может спокойно плавать на поверхности водоема, не обращая внимания на детей, плещущихся в воде у другого берега. Во-вторых, электромагниту требуется время, чтобы проявить свое воздействие. Когда вы в первый раз включаете его, скрепка чувствует силу не мгновенно. Воздействие должно распространиться через поле, пока оно не достигнет скрепки и не заставит ее дернуться к магниту, подобно тому как плескание в воде приводит к распространению по поверхности водоема волн, которые в конце концов захлестывают бедную букашку. Та же самая логика применима к электрическим силам. Если вы потрете воздушный шарик из латекса о рукав и поднесете его к голове, он взъерошит ваши волосы не мгновенно. Скорее он вызывает возмущения в электрическом поле, и эти эффекты распространяются через промежуток между шариком и волосами, в конечном счете изменяя состояние поля на коже головы.

Фарадеевское понятие поля поначалу не смогло завоевать популярность. Скептики требовали формул, а Фарадей, будучи математически неграмотным, не мог им ничего предложить. Но его идеи зацепили молодое поколение знатоков математики, а сильнее всего — шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла, который превратил интуитивные соображения Фарадея в уравнения. Чтобы получить математическое описание поля, Максвелл использовал систему, знакомую любому, кто видел когда-нибудь схему прогноза погоды. На погодной карте показано множество чисел и маленьких стрелок, которые говорят о температуре, скорости ветра, направлении ветра и т.д. в разных местах. По аналогии Максвелл представил электрические и магнитные поля небольшими стрелками, которые указывают силу и направление поля в точках пространства. Сетки чисел говорят, как поле действует на электрически заряженные объекты или магнитную стрелку компаса. Знаменитые уравнения Максвелла предсказывают, как эти величины изменяются с течением времени.

Сегодня можно купить футболки с напечатанными на них уравнениями Максвелла. Они — олицетворение понятия изящной теории, которая является целью всех физиков. В дополнение к магнитным и электрическим полям Вселенная пронизана десятками других взаимопроникающих полей, соответствующих различным силам природы. Вместе с тем, несмотря на успех Максвелла, значение его уравнений было туманным. Действительно ли они соблюдали принцип локальности? Казалось, что да, но внешность может быть обманчива. Хотя Максвелл создал свои уравнения для описания сил, действующих локально, он признавал, что они могли так же хорошо описывать силы, действующие нелокально. При такой интерпретации пространство не заполнялось бы материальной средой; оно было бы в основном пустым, а объекты, рассеянные тут и там, притягивали бы и отталкивали друг друга издалека. Числа, присваиваемые точкам в пространстве, отвечали бы на гипотетические вопросы вроде: если поместить объект в таком-то месте, как все остальные объекты во Вселенной будут действовать на него? Поэтому теория Максвелла вызвала те же самые споры об интерпретации, что и закон тяготения Ньютона за два столетия до того.

Три свойства полей подтверждали, что они действительно существуют. Во-первых, поля живут собственной жизнью. Они не просто посредники, передающие импульсы от одного объекта к другому. Они могут действовать сами, независимо от материи; пространство, абсолютно лишенное частиц, может быть насыщено волновой активностью. Это явление чуждо нелокальному описанию. Во-вторых, электрические и магнитные возмущения требуют времени, чтобы проявить свои воздействия. Задержка кажется странной, если силы перепрыгивают непосредственно от одного объекта к другому, но совершенно естественна, если импульс должен пройти через среду. На самом деле скорость, с которой распространяются эти воздействия, равна скорости света. Очевидно, что свет — это электромагнитная волна. Наконец, поля имеют энергию, а это сама сущность реальных объектов (и довольно новое понятие в физике в то время). Их возможность запасать энергию гарантирует, что никакая энергия не пропадает за то время, которое требуется возмущению, чтобы распространиться в пространстве.

Эти три критерия — волны, задержка, энергия — убедили большинство современников Максвеллав том, что поля дают локальное объяснение электрических и магнитных сил. Общепринятое мнение опять изменилось на противоположное: нелокальность из общепринятой концепции превратилась в «очень старую, но очень пагубную ересь» и во что-то «немыслимое». В историческом масштабе эти высказывания кажутся знакомыми. В данном случае также было поколение физиков, которые делали уверенные заявления, противоречившие уверенным заявлениям физиков предыдущих поколений. На самом деле бравада скрывала некоторую неловкость.