Ученые и их кошки
На протяжении всей книги мы видели бесчисленные примеры того, как кошек использовали в качестве всего лишь подопытных животных. В противовес этому довольно мрачному взгляду на научный прогресс стоит признать, что многие физики на протяжении всей истории поддерживали куда более дружеские отношения со своими знакомцами из царства кошачьих; для таких ученых домашние питомцы были лаборантами, музами, спутниками и даже соавторами научных работ. Мы завершим книгу рассказом о некоторых из этих замечательных творческих союзов.
Для начала позвольте развенчать легенду о том, что Исааку Ньютону принадлежат не только изменившие мир открытия, касающиеся движения и силы тяжести, но и изобретение дверцы для кошки.
Самого Ньютона по характеру тоже можно было счесть похожим на кота, ибо он был умен, неистов и склонен к злым шуткам, к тому же предпочитал в своих занятиях одиночество. В список грехов для исповеди, написанный им в возрасте 19 лет, Ньютон включил, к примеру, такой: «Угрожал отцу и матери Смит сжечь их вместе с домом». Ньютон был в плохих отношениях с отчимом, достопочтенным Барнабасом Смитом, и, очевидно, сердился на мать за повторное замужество.
История изобретения Ньютоном дверцы для кошки регулярно повторялась в книгах в XIX в. Приведем полностью один из колоритных ее вариантов:
Вы ведь знаете анекдот о том, как Колридж, Саути и Уордсворт вместе не смогли придумать, как снять хомут с головы лошади, а девочка-шотландка сделала это одним движением. Country Parson рассказывает нам анекдот поинтереснее этого, про сэра Исаака Ньютона; кстати говоря, этот анекдот мы больше нигде не встречали. У великого философа была домашняя кошка с котенком, которых он держал у себя в кабинете; устав открывать для них дверь, чтобы впустить их или выпустить, он натолкнулся на следующую идею. «Ньютон вырезал в двери большое отверстие для кошки, чтобы та могла входить и выходить, и маленькое — для котенка. При этом он не подумал о том, о чем вспомнил бы последний мужлан: большим отверстием, через которое проходила кошка, котенок тоже мог бы пользоваться. Проделав отверстия, сэр Ньютон с гордостью сел ждать, чтобы увидеть, как животные пройдут сквозь них в первый раз. Когда они поднялись с ковра перед камином, на котором лежали, великий ум остановил какие-то сложные вычисления, положил перо — и едва ли не величайший человек стал внимательно за ними наблюдать. Кошка с котенком подошли к двери и обнаружили, что там устроены для них удобства. Кошка прошла через большое отверстие, проделанное для нее в двери, и котенок тут же последовал за ней ЧЕРЕЗ ТО ЖЕ САМОЕ ОТВЕРСТИЕ». Поскольку министров постоянно обвиняют в отсутствии здравого смысла, они могут утешиться, обнаружив себя в одной компании с поэтами и философами. Однако неразвитость с практической стороны определенно ведет к потере, причем не только удобства, но и власти и влияния.
Здесь история Ньютоновой дверцы для кошки преподносится как урок смирения, направленный конкретно на философов, исполненных чувства собственного величия. «Да, конечно, вы можете предсказывать движение планет, но эти знания бесполезны без некоторого количества старомодного здравого смысла!»
Но правдива ли история с дверцей для кошки? Ньютон точно не был автором идеи о специальном проходе для кошки, существовавшем в том или ином виде за сотни, если не за тысячи лет до Ньютона. «Кентерберийские рассказы» Джеффри Чосера (1386), к примеру, содержат пассаж, где упоминается «кошачья лазейка», как называли тогда эти проходы. В «Рассказе мельника» слуга, постучавший в дверь дома и не получивший ответа, заглядывает внутрь через кошачью лазейку:
Опять молчание, ну как в гробу.
Он приналег, тряхнул рукой скобу —
Не поддается. Тут нашел лазейку
Кошачью он. Но поглядеть посмей-ка!
Все ж, наконец, мальчишка осмелел.
Прилег на брюхо, в дырку поглядел…
Более того, не ясно, была ли вообще у Ньютона кошка. Нет никаких свидетельств того, что Ньютон держал хоть какое-то домашнее животное — кошку, собаку или еще кого. Ни одного упоминания о животных не найти ни в письмах самого Ньютона, ни в письмах к нему его коллег. Хотя фамильный дом Ньютонов, Вулсторп-мэнор, существует до сих пор, там нет никаких дверец для кошек или кошачьих лазеек. Хотя это ничего не доказывает — ни в одну, ни в другую сторону. Двери в доме, вероятно, менялись за несколько сотен лет, что прошли со времен Ньютона.
Легенду о Ньютоновой дверце для кошки можно проследить до математика Джона Райта, работавшего в Тринити-колледже и опубликовавшего мемуары о своей жизни в 1827 г. Он слышал множество баек о Ньютоне, который в свое время тоже жил и работал в Тринити, и некоторыми из них поделился с читателями. О Ньютоне и животных он написал вот что:
Много анекдотов рассказывают о «рассеянности» Ньютона, приписываемой его полной отстраненности от мира и его обычаев; тем из читателей, кто, возможно, их не слышал, эти анекдоты несомненно покажутся забавными.
…
Во всех действиях природы больше всего разумного наблюдателя поражает ее простота. Сын Божий был прост, кроток и смирен, как ягненок. Ньютон, которому позволено было подняться выше всех тех тварей, которых Бог «сотворил по образу Своему», тоже был самым простым представителем человечества. Говорят, что этот великий практический, равно как и теоретический, философ оставил однажды горящую свечу рядом со стопкой бумаг, воплощавших результат многолетних тяжких исследований и полных, несомненно, как и все прочие его труды, блестящих открытий; что его пес Дидо сшиб свечу, так что все бумаги полностью погибли. Единственной жалобой, которую он испустил по возвращении, было: «Дидо, Дидо, ты не понимаешь, что натворил!»
В другой раз, когда один приятель шутки ради съел цыпленка, поданного Ньютону, тот, увидев кости, воскликнул: «Как я забывчив! Я-то думал, что еще не обедал», — и возвратился к своим размышлениям, полагая, что все идет как надо. Будучи сильно привязан к домашним животным (хотя к женщине, милой женщине он, кажется, не испытывал импульсов совершенно неодолимых ввиду того, что, как говорят, он всегда сопротивлялся нежной страсти, или, во всяком случае, так высоко ценил Евиных дочерей, что считал их достойными всего времени и внимания мужчины — или ничего), он завел кошку в качестве товарища для своего пса Дидо. Эта кошка, по естественному ходу вещей, хотя Ньютон, вероятно, на это не рассчитывал, произвела на свет котенка; тогда этот добрый человек, с первого взгляда разглядев последствия увеличения численности его семейства, отдал приказ плотнику колледжа проделать в двери два отверстия, одно — для кошки, второе — для котенка. Правдив этот рассказ или ложен, бесспорно, что в двери до сего дня сохранились два отверстия, прикрытые дверцами подходящего размера для прохода, соответственно, кошки и котенка.
Эти рассказы, передававшиеся, судя по всему, изустно на протяжении нескольких поколений студентов и сотрудников Тринити, по крайней мере приукрашены, а возможно, и полностью выдуманы. Вспомните историю о том, как Максвелл выбрасывал кошек в окна, внезапно возникшую лишь через 20 лет после того, как Максвелл покинул те места. Даже если отверстия действительно были и служили дверцами для кошек, нет никакой гарантии, что именно Ньютон приказал их туда врезать. Представляется куда более вероятным, что какой-то студент, увидев отверстия в двери, дал волю своему богатому воображению.
Однако несложно представить себе ученого, такого как Ньютон, работающего в одиночестве в лаборатории по многу часов подряд в компании одной только кошки. В самом деле, другому ученому, сыгравшему ключевую роль в физике движения, кошки неизменно составляли компанию и помогали в исследованиях. Это Уильям Роуэн Гамильтон (1805–1865) — ирландский астроном, физик и математик, самой известной работой которого стала хитроумная математическая переработка Ньютоновых законов движения. Законы движения по Гамильтону оказались идеально подходящими для анализа квантовых частиц, а функция, получившая название гамильтониана, находит себе применение как в классической, так и в квантовой физике.
Гамильтон был известен своей добротой как к людям, так и к животным — особенно к кошкам, о чем свидетельствует его сестра:
Он всегда любил кошек, и часто можно было видеть, как он пишет какую-нибудь математическую статью, а котенок или любимая кошка на плече пытается игриво поймать его перо.
Его вежливость звучала почти упреком остальным. Молодая леди, которая жила со мной в Дублине, однажды сказала: «Я никогда не встречала настолько вежливого человека, как ваш брат; мне кажется, он готов был бы поклониться кошке». Я вспомнила о ней и развлекла брата, повторив это ему однажды, когда он случайно наступил кошке на хвост, обернулся и сказал улыбаясь: «Я собирался сказать: “Прошу прощения”».
Он относился с величайшим терпением не только к своим личным животным-компаньонам. Его сестра вспоминала:
Его сочувственное и внимательное отношение ко всем окружавшим его живым существам приносило ему безграничное доверие. Так, один случай произвел глубокое впечатление на всех, кто был тому свидетелем; и правда, это был случай, способный вызвать и оправдать немного суеверное изумление. Утром Троицына дня, когда он читал молитвы в собрании домашних, голубь влетел в открытое окно и опустился ему на голову; Гамильтон не стал его тревожить, а продолжил читать, и через некоторое время птица мирно улетела прочь.
Помимо общения с кошками как с компаньонами другие ученые, такие как Роберт Уильям Вуд (1868–1955), придумывали хитроумные способы привлечь кошек для помощи в экспериментах. Вуд был пионером в изучении ультрафиолетового света и проделал обширную работу в области спектроскопии — метода изучения структуры вещества при помощи измерения спектра (цветового состава) света. Он был увлеченным исследователем и работал даже во время отпуска с семьей, как описывалось в одной из его биографий:
Вуд с семьей обычно проводил лето на старой ферме на Лонг-Айленде. В амбаре он устроил импровизированную лабораторию, одной из особенностей которой был этот метровый дифракционный спектрограф, крупнейший, вероятно, из существовавших на тот момент и точно способный выдавать лучшие результаты, чем кто-либо видел прежде. Он был построен из канализационной трубы, уложенной местным каменщиком. За долгие месяцы между летними периодами, когда инструмент не использовался, трубу в качестве укрытия использовали всевозможные существа, и оптический канал оказывался забит паутиной. Способ, при помощи которого Вуд прочищал трубу, стал классикой. Он засовывал принадлежавшую семейству кошку в один конец трубы и закрывал его, так что кошке, чтобы убежать, приходилось пробежать по всей длине трубы, очищая ее весьма эффективно от паутины.
Кошка в данном случае, возможно, и не была добровольной помощницей, но и ущерба никакого, кажется, не понесла.
Воображение Вуда не ограничивалось поиском новых способов использования кошачьих. Он был также соавтором двух научно-фантастических романов — «Человек, который потряс Землю» (1915) и «Создатель лун» (1916), оба в соавторстве с Артуром Трейном. В первом из двух романов рассказывается о загадочном ученом, который вынуждает воюющие страны мира заключить долгосрочный мир, угрожая им ядерным взрывом, способным изменить вращение Земли; здесь Вуд и Трейн провидчески описали будущее создание ядерного оружия (хотя подробности в романе очевидно ошибочны). В «Создателе лун» — продолжении первого романа — ученые отправляются в космос, чтобы отклонить или разрушить астероид, движущийся к Земле, предвосхищая сюжет фильма «Армагеддон» 1998 г. на 82 года.
Хотя научные открытия его значительны, больше всего, вероятно, Вуд известен тем, что в начале XX в. опроверг простым и в высшей степени убедительным способом существование N-лучей. В эпоху, когда были открыты рентгеновские и «урановые» лучи (лучи Беккереля, радиоактивность), казалось, что новые виды невидимого излучения пронизывают все вокруг. Проспер-Рене Блондло, работавший во французском Нанси, считал, что ему удалось открыть новый класс лучей, которые, в отличие от рентгеновских, взаимодействуют с электричеством. Он назвал эти новые лучи N-лучами в честь города, где работал. Ученые успели опубликовать сотни исследовательских статей, подтверждающих результаты Блондло.
Однако гораздо большее число исследователей не могли найти никаких свидетельств существования N-лучей. Наконец, в 1904 г. Вуд отправился в Нанси, чтобы поработать с Блондло и до конца разобраться в этой загадке. Обратив внимание, что единственным свидетельством существования N-лучей было беспорядочное мелькание какой-то электрической искры, Вуд, пока никто не видел, извлек ключевую деталь из экспериментальной установки. Исследователи бодро продолжили работу, не заметив никаких изменений в своих результатах. Вуд тогда показал, что N-лучи существуют только в слишком оптимистичном воображении французских ученых.
Научная фантастика Вуда, творческое использование кошки и разоблачение N-лучей хорошо иллюстрируют незашоренный, почти детский ум Вуда и его изумленное восхищение окружающим миром; в 1941 г. биограф Вуда Уильям Сибрук назвал его «мальчиком, который так никогда и не вырос». Это было с его стороны величайшей похвалой.
Некоторые физики находят вдохновение и, мало того, жизненное призвание во взаимодействии с кошками. Самый примечательный пример — Никола Тесла (1856–1943), изобретатель, физик и футурист. В народной памяти Тесла известен как Повелитель молнии из-за работ, связанных с электрогенерацией: он разработал и сумел внедрить систему электроснабжения на переменном токе, которой мы пользуемся по сей день. Эта работа, спонсором которой выступила компания Westinghouse Electric and Manufacturing Company, привела и самого Теслу, и компанию Westinghouse, к бизнес-войне с Томасом Эдисоном, внедрявшим в Соединенных Штатах систему электроснабжения на постоянном токе. Кроме того, Тесла наблюдал рентгеновские лучи в 1894 г., на год раньше Вильгельма Рентгена, но потерял свои лабораторные записи во время пожара в марте 1895 г. Тесла экспериментировал с радио и беспроводной передачей электроэнергии и изобрел катушку Теслы — устройство, испускающее множество искр и заставляющее флуоресцентные лампочки светиться без включения в сеть.
Тесла, по любым меркам, демонстрировал признаки несомненного таланта уже в самом раннем возрасте. Но к изучению именно электрических явлений — из всего многообразия тем, в исследовании которых он мог бы проявить себя, — его, по словам физика, подтолкнула кошка.
В 1939 г. Тесла написал письмо Поле Фотич, юной дочери посла Югославии в Соединенных Штатах. В нем он описывает дом своего детства в Югославии и рассказывает о своей приятельнице-кошке:
Но мне повезло больше всех, и источником моей радости был наш великолепный Мацак — лучший из всех котов мира. Хотелось бы мне иметь возможность по-настоящему рассказать вам о том, какие теплые были между нами отношения. Мы жили друг для друга. Куда бы я ни шел, Мацак следовал за мной, из-за нашей взаимной любви и из желания защитить меня. Когда возникала такая необходимость, он поднимался во весь рост, становясь вдвое выше, выгибал спину, вытягивал хвост, который становился жестким, как металлический стержень, и, поставив дыбом бакенбарды, напоминавшие в этот момент стальную проволоку, давал выход своей ярости взрывным фырканьем: «Пффтт! Пффтт!» Это было ужасающее зрелище, и тот, кто вызвал такое поведение кота, будь то человек или животное, быстро ретировался.
Каждый вечер мы убегали из дома вдоль церковной стены, и он бросался за мной и хватал за штаны. Кот изо всех сил пытался заставить меня поверить, что он готов укусить, но в то самое мгновение, когда игольно-острые клыки протыкали ткань одежды, давление снималось и клыки прикасались к моей коже мягко и нежно, как бабочка садится на лепесток. Больше всего он любил кататься по траве вместе со мной. Когда мы занимались этим, он кусался, царапался и мурлыкал с неистовой радостью. Я был настолько очарован им, что тоже кусался, царапался и мурлыкал. Мы не могли остановиться и катались и катались в счастливом экстазе. Мы предавались этому захватывающему спорту день за днем, если не было дождя.
По отношению к воде Мацак был очень брезглив. Он готов был прыгнуть на два метра, лишь бы не замочить лапок. В такие дни мы уходили в дом и выбирали какое-нибудь приятное уютное местечко для игры. Мацак всегда был безукоризненно чист, у него не было блох или других паразитов, он не линял и не имел неприятных привычек. Кот был трогательно-деликатен, когда просил выпустить его ночью, и мягко скребся в дверь, чтобы его впустили обратно.
До сих пор это просто история детской любви к домашнему любимцу. Но далее история принимает отчетливо научный оборот:
Теперь я должен рассказать вам о странном и незабываемом случае, который запомнился мне на всю жизнь. Наш дом располагался на высоте около 550 м над уровнем моря, и, как правило, погода у нас зимой стояла сухая. Но иногда теплый ветер с Адриатики задувал надолго, снег под его воздействием таял, и начиналось наводнение, вызывавшее гибель людей и потерю имущества. Мы тогда становились свидетелями ужасающего зрелища: могучая бурлящая река несла мимо обломки и срывала с места на своем пути все что могла. Я часто представляю эти события моей юности, и, когда думаю об этой сцене, уши мои наполняет грохот волн и я вижу, так же живо, как тогда, бурный поток и бешеную пляску обломков. Но мои воспоминания о зиме с ее сухим морозом и нетронутым белым снегом всегда приятны.
Так случилось, что однажды холод был суше, чем когда-либо прежде. Люди, проходя по снегу, оставляли за собой светящийся след, а снежок, брошенный в цель, сверкал на солнце, как отколотый ножом кусок сахара. В вечерних сумерках я погладил Мацака по спине — и потерял голос от изумления, увидев чудо. Спина Мацака отчетливо светилась, а рука моя вызвала водопад искр, достаточно громких, чтобы их слышно было по всему дому.
Юный Тесла впервые стал свидетелем такого явления, как статическое электричество. Для многих детей, включая и меня, именно статическое электричество становится первым знакомством со странностями физического мира.
У меня знакомство с этим явлением произошло примерно так же, хотя и гораздо болезненнее. Когда мне было лет шесть, бабушка подарила мне на Рождество пару шерстяных шлепанцев. Хождение по ковру в шерстяных тапочках работает почти так же, как поглаживание кошачьего меха, при этом вырабатывается статическое электричество. Однажды, когда сестра решила меня подразнить, я начал гоняться за ней по дому. Кухня, столовая и гостиная образовали кольцевой маршрут, и я долго носился за ней кругами. Рождественская елка у нас стояла в гостиной внутри моего маршрута. Оборота через четыре статического электричества на мне накопилось достаточно, чтобы металлический «дождик» с елки потянулся ко мне и произошел разряд. Я упал на пол. Сестра начала надо мной смеяться, и это заставило меня встать и снова побежать за ней. Через четыре оборота я получил новый электрический удар, потом опять и опять.
Но вернемся к рассказу Теслы:
Отец мой был очень ученым человеком; у него имелся ответ на любой вопрос. Но это явление оказалось новым даже для него. «Ну, — в конечном итоге заметил он, — это всего лишь электричество, ничего больше, это то, что ты видишь в грозу сквозь деревья».
Мама выглядела встревоженной. «Перестань играть с котом, — сказала она. — Может начаться пожар». Но я отрешенно думал. Неужели природа — это гигантский кот? Если так, то кто гладит его по спинке? Это может быть только Бог, решил я. Вот так, мне было всего три года, а я уже философствовал.
Каким бы поразительным ни было то первое наблюдение, самое чудесное оказалось впереди. Темнело, и вскоре в доме зажгли свечи. Мацак сделал несколько шагов по комнате. Он отряхивал лапки, будто шагал по мокрой земле. Я посмотрел на него внимательно. Правда я вижу что-то или это иллюзия? Я напряг глаза и ясно разглядел, что его тело окружено сиянием, подобным нимбу святого!
Невозможно преувеличить действие, которое оказала эта чудесная ночь на мое детское воображение. День за днем я задавал себе вопрос «Что такое электричество?» и не находил на него ответа. Восемьдесят лет прошло с той поры, я до сих задаю себе этот вопрос и не могу на него ответить. Какой-нибудь псевдоученый, которых вокруг полно, скажет вам, вероятно, что он может на него ответить, но не верьте ему. Если бы кто-то из них знал, что это такое, я бы тоже знал, и мои шансы выше, чем у любого из них, поскольку моя лабораторная работа и практический опыт шире, а моя жизнь перекрывает три поколения научных исследований.
Ведущий вопрос Теслы поразительно напоминает вопрос Альберта Эйнштейна в 1951 г., когда он, оглянувшись назад на 50 лет размышлений о «квантах света», понял, что по-прежнему не знает, что это такое. Как он писал одному из друзей, те, кто считает, что знает это, обманывают себя. Кванты света, о которых писал Эйнштейн, — это то, что мы сегодня называем фотонами, дискретные частицы света. Как мы уже отмечали, Эйнштейн предложил концепцию фотонов в своей статье 1905 г. о фотоэлектрическом эффекте, которая принесла ему Нобелевскую премию по физике в 1921 г.
Утверждения Эйнштейна и Теслы подчеркивают важный момент в философии физики: физика, возможно, хорошо умеет объяснять при помощи формул и наблюдений, как работают те или иные вещи, но она совершенно не обязательно говорит, почему эти вещи работают именно так. И Тесла, и Эйнштейн признавали, что существуют глубокие вопросы, поднятые их исследованиями, к пониманию которых им не удалось даже приблизиться.
Эйнштейн и сам любил животных, в какой-то момент у него был кот по имени Тигр, который всегда грустил, когда шел дождь. Эйнштейн, как говорят, сказал как-то коту: «Я знаю, что это неправильно, дорогой мой, но я не знаю, как это выключить». В 1924 г. Эйнштейн написал в письме друзьям, вероятно все про того же кота: «Я испытываю желание послать вам, в кои-то веки, привет из своего приюта отшельника. Здесь так хорошо, что я готов едва ли не позавидовать сам себе в этом. Я один занимаю целый этаж. Никого, кроме меня, здесь нет, только иногда еще громадный кот, который также определяет в основном запах в моей комнате, поскольку я не в состоянии успешно с ним конкурировать в этом отношении».
Эйнштейна, однако, куда сильнее занимал другой кот, которого никогда не существовало в действительности, но которого тем не менее можно назвать самым знаменитым котом в истории физики: это кот Шрёдингера. Этого странного зверя представил ученой публике австрийский физик Эрвин Шрёдингер (1887–1961), чтобы подчеркнуть абсурдные, на первый взгляд, следствия из теоретической квантовой физики — теории, в разработке которой сам Шрёдингер сыграл не последнюю роль.
Если бы мы захотели сформулировать всю квантовую физику в нескольких словах, то сказали бы, что она заявляет, что все существующее вокруг имеет одновременно природу волны и частицы: это, как мы видели ранее, называется корпускулярно-волновым дуализмом. В 1905 г. Эйнштейн успешно доказал, что свет, который с начала XIX в. считали волной, ведет себя так же, как поток частиц. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль, вдохновленный наблюдениями Эйнштейна, предположил, что обратное верно для любого вещества: все атомы и все элементарные частицы, такие как электроны, обладают волновыми свойствами. Всего через несколько лет эта гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально, что стало подлинным началом эры квантовой физики. В 1926 г. Эрвин Шрёдингер составил математическую формулу — уравнение Шрёдингера, — которая описывала, как волновые свойства вещества изменяются во времени и пространстве. Эйнштейн принял его статью к публикации.
Существовала, однако, очень серьезная проблема. Все соглашались, что вещество ведет себя как волна, но никто не мог объяснить в точности, что именно при этом колеблется. Когда мы говорим о волнах на воде, то понимаем, что речь идет о самой воде, движущейся вверх и вниз; когда говорим о звуковых волнах, мы знаем, что это колеблются молекулы воздуха, перенося звук от источника к приемнику. Для света, как установил Джеймс Клерк Максвелл, «колеблются» электрические и магнитные поля. Но никто не мог сказать точно, что означают волны вещества. Как Тесла и Эйнштейн сказали об электричестве и фотонах, соответственно, одно дело — описать явление и совсем другое — интерпретировать его.
Этот вопрос стал настоящим «пунктиком» для датского физика Нильса Бора и немецкого физика Вернера Гейзенберга. Гейзенберг работал под руководством Бора в одном из институтов Копенгагена. Вместе они собрали все имевшиеся на тот момент сведения по квантовой физике в непротиворечивую систему, известную нам сегодня как Копенгагенская интерпретация квантовой механики. Если коротко: вещественная волна электронов и других частиц не является физической волной, а связана с вероятностью того, что некая частица окажется в какой-то определенной точке пространства в определенное время. Высокая волна соответствует высокой вероятности того, что частица окажется в нужном месте, тогда как низкая волна соответствует низкой вероятности.
Однако, когда мы измеряем пространственное положение квантовой частицы, то никогда не видим всю волну целиком: мы видим частицу, расположенную в какой-то определенной точке пространства. Ключевой компонент Копенгагенской интерпретации — идея о коллапсе или редукции волновой функции: когда кто-то пытается измерить положение частицы, ее волна «схлопывается», или «коллапсирует», в конкретную точку, которая и представляет местонахождение частицы. Вследствие этого любое измерение квантовой частицы кардинально меняет ее поведение. Более того, Копенгагенская интерпретация предполагает, что до измерения квантовая частица не находится определенно ни в одной точке, и, только когда эту частицу измеряют, она «решает» каким-то загадочным образом, где конкретно она в этот момент хочет находиться.
Если вам эта интерпретация кажется странной, вы не одиноки. Вы оказываетесь в компании с самим Шрёдингером, который считал, что Копенгагенская интерпретация может привести к абсурдным результатам. Он заметил, что можно сделать так, чтобы существование живого существа, скажем кошки, зависело от поведения одной-единственной квантовой частицы, такой как атом. «Можно привести совсем уж нелепые случаи», — написал он в 1935 г. и привел пример.
Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счетчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдет. Первый же распад атома отравил бы кота. Волновая функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мертвого кота (простите за выражение) в равных долях.
Эта схема, в слегка модифицированном виде, изображена на рисунке.
Шрёдингер сказал, по существу, что квантовый мир Копенгагенской интерпретации кардинально отличается от того мира, с которым мы сталкиваемся в повседневности. Когда мы бросаем монетку и, не глядя, закрываем ее ладонью, то знаем, что монетка уже лежит либо орлом, либо решкой кверху. Однако, согласно Копенгагенской интерпретации, «квантовая» монетка должна находиться в волноподобном состоянии одновременно орла и решки, пока мы на самом деле на нее не посмотрим. Но это порождает дополнительную проблему: что заставляет схлопываться волновую функцию? В лаборатории, как несложно себе представить, коллапс волновой функции вызывает человек-ученый, который считывает с инструментов данные о результатах эксперимента, но философски из этого следует особая роль, которую человеческие существа играют в космосе, — идея, от которой наука безвозвратно отошла уже несколько столетий назад.
Эйнштейн одобрил критическое выступление Шрёдингера. В письме 1950 г. он писал:
Вы единственный современный физик, за исключением Лауэ, который понимает, что невозможно обойти постулат реальности — если только быть честным. Большинство из них попросту не понимают, в какого рода опасную игру они играют с реальностью — реальностью как чем-то независимым от того, что экспериментально установлено…
Эта интерпретация, однако, опровергается, и наиболее элегантно — вашей системой: радиоактивный атом + счетчик Гейгера + усилитель + заряд пистолета + кот в ящике, в котором [волновая функция] системы держит кота одновременно живым и разорванным на кусочки… Никто реально не сомневается, что присутствие или отсутствие кота есть нечто независимое от акта наблюдения.
Эйнштейн предпочитал ядовитому газу выстрел в кота. Мы можем только гадать, почему Шрёдингер решил отравить именно кота. Сам он кота не держал, хотя домашний любимец у него был. Во время Второй мировой войны колли по имени Бёрши служил ему компаньоном и источником утешения во многих жизненных испытаниях.
Несмотря на философские ограничения, Копенгагенская интерпретация квантовой физики до сих пор преподается студентам и используется в качестве практичной модели происходящего в квантовом мире. Тому есть две простые причины. Во-первых, она достаточно хорошо работает при интерпретации и объяснении всех квантовых лабораторных экспериментов до сего дня, а возражения вызывает интерпретация, в первую очередь философская. Эта философия, несмотря на всю свою значимость, не замедляет экспериментального изучения квантового мира. Во-вторых, даже теперь, 80 лет спустя, никто не может точно сказать, чем можно ее заменить. Одна из популярных сегодня теорий, предусматривающая существование бесконечного множества параллельных вселенных, первоначально называлась многомировой интерпретацией квантовой механики. В ней кот Шрёдингера жив в одной вселенной, мертв в другой, а волновые свойства квантовой механики представляют некое взаимодействие между вселенными. Пока ученым неизвестен способ проверить, существуют ли такие параллельные вселенные, но для многих физиков многомировая теория стала предпочтительным средством интерпретации странностей квантовой физики.
Возможно, кошки намекнули нам на проблемы с нашей интерпретацией Вселенной, но они же помогли одному астроному расширить наши представления о ней — по крайней мере оказали моральную поддержку. До XX в. считалось, что галактика Млечный Путь, в которой располагается наша Солнечная система, и есть вся Вселенная. Туманности, которые можно было наблюдать при помощи существующих телескопов, считались облаками газа, плавающими внутри или в ближайших окрестностях Галактики. Затем в 1919 г. американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953), вернувшийся с Первой мировой войны, после одного года обучения в Кембриджском университете поступил на работу в обсерваторию Маунт-Вилсон близ Пасадены в штате Калифорния. При помощи недавно построенного телескопа Хукера, на тот момент крупнейшего в мире, Хаббл провел множество наблюдений туманностей и убедительно показал, что они располагаются слишком далеко от нас, чтобы рассматривать их как часть нашей Галактики; мало того, размытые пятнышки сами оказались галактиками, невероятно далекими от нашей.
Об открытии Хаббла объявила миру газета The New York Times 23 ноября 1924 г. Эта публикация знаменует собой момент, когда весь мир узнал, что наша Вселенная неизмеримо больше, чем считалось прежде. Отрывок из той статьи позволяет лишь слабо почувствовать величие картины:
Подтверждение мнения о том, что спиральные туманности, видные в небесах как закрученные спиральные облачка, на самом деле представляют собой отдаленные звездные системы, или «островные вселенные», получено доктором Эдвином Хабблом из обсерватории Маунт-Вилсон Института Карнеги в результате исследований, проведенных на мощном телескопе обсерватории.
Число спиральных туманностей, сообщили официальные лица обсерватории институту, очень велико и исчисляется сотнями тысяч, а их видимые размеры колеблются от небольших, почти звездоподобных по характеру объектов, до большой Туманности в созвездии Андромеды, простирающейся на небе на угол около 3°, что примерно в шесть раз превосходит диаметр полной Луны.
Вместо слова «галактика» здесь используется вариант «островные вселенные», поскольку наша Галактика, как считалось, и составляет всю Вселенную. Сегодня астрономы оценивают число галактик в видимой части Вселенной приблизительно в 2 трлн.
Этот монументальный прорыв был не единственным крупным вкладом Хаббла в астрономию. В 1929 г. он после тщательных наблюдений, отметил, что скорость, с которой далекие галактики отдаляются от нашей собственной, пропорциональна их удаленности от нас. Этот закон, известный как закон Хаббла, сегодня является ключевым инструментом измерения расстояний в космосе.
Хаббл проработал в обсерватории Маунт-Вилсон всю оставшуюся жизнь. Астрономические наблюдения могут быть весьма уединенным занятием, ведь астроному приходится часами смотреть на звезды по ночам. Хаббл и его жена Грейс в 1946 г. нашли себе компаньона — черного пушистого котенка, которого Хаббл сразу же окрестил Николаем Коперником в честь польского астронома, поставившего в 1543 г. Солнце, а не Землю в центр нашей Солнечной системы.
Коперник стал любимым членом семьи Хабблов. Эдвин соорудил для него дверцу: «У каждого кота должна быть [такая дверца], это необходимо им для самоуважения». По всему дому были разложены ершики для бутылок, с которыми Коперник любил играть.
Коперник часто «помогал» Эдвину в работе, как писала Грейс в своем дневнике. «Когда Э. работал в кабинете за большим письменным столом, Николас с серьезным видом растягивался рядом так, чтобы покрыть собой как можно больше страниц. “Он мне помогает,” — объяснял Э. Сидя на коленях у Э., он мурлыкал совершенно особенно, медленно и лениво, как лев… “Это твой кот мурлычет?” — спрашивала я, а Э. поднимал голову от книги, улыбался и кивал». В 1949 г. Эдвин пережил сердечный приступ. В 1953 г., когда он умер от тромба в мозге, Коперник был рядом с ним в постели. Несколько месяцев после похорон Эдвина кот ждал у окна возвращения хозяина.
Возможно, Коперник был товарищем Хаббла по исследованиям и хорошим другом, но он не был так глубоко вовлечен в научную работу, как Честер — сиамский кот Джека Хезерингтона из Университета штата Мичиган.
В 1975 г. Хезерингтон закончил написание статьи, которую намеревался подать в престижный журнал Physical Review Letters (PRL) как единственный автор. Прежде чем сделать это, он передал черновик рукописи коллеге с просьбой посмотреть в последний раз возможные ошибки. К несчастью, коллега указал ему, что в статье он везде ссылается на себя как на «мы» и «нас», тогда как PRL предпочитает, чтобы единоличный автор писал в статье «я» и «меня». В 1975 г. для изменения текста статьи в таком ключе потребовалось бы еще раз перепечатать ее всю на пишущей машинке, что нудно и требует времени. Так что Хезерингтон добавил в качестве соавтора своего кота.
Друзья и коллеги Хезерингтона узнали бы имя его кота Честера, поэтому Хезерингтон расширил его до Ф. Д. Ч. Уилларда. «Ф. Д.» здесь обозначает название вида — Felix domesticus, а «Ч» — разумеется, «Честер». Уиллардом же звали отца Честера.
Статья была принята в журнал и опубликована в номере за 24 ноября 1975 г. Хезерингтон не стал долго держать личность соавтора в секрете. На следующий день после выхода статьи он направил заведующему своей кафедрой сообщение о розыгрыше, и завкафедрой Трумен Вудрафф прислал ему в ответ записку с предложением сделать Уилларда внештатным заслуженным профессором:
Дорогой Джек!
В ответ на ваше письмо от 25 ноября: позвольте мне сразу же признать, что если бы вы не написали, мне бы никогда не хватило дерзости даже подумать о том, чтобы обратиться к такому видному физику, как Ф. Д. Ч. Уиллард с надеждой заинтересовать его перспективой работы на университетской кафедре, такой как наша, ведь она, в конце концов, по рейтингу Руз-Андерсон 1969 г. даже не вошла в число 30 лучших. Уиллард, разумеется, может рассчитывать на сотрудничество с более заслуженной кафедрой.
Однако, воодушевленный вашим мнением о том, что он все же снизойдет, возможно, до той скромной возможности, которую мы можем ему предоставить, я прошу вас — его друга и даже соавтора — в самый благоприятный возможный момент (скажем, как-нибудь вечером, когда появляются бренди и сигары) поднять в разговоре с ним этот вопрос (едва ли я должен добавить, что сделать это нужно со всей возможной деликатностью). Можете представить себе общее ликование, если Уилларда действительно удастся уговорить присоединиться к нам хотя бы в качестве внештатного заслуженного профессора.
Слухи в физическом сообществе распространились быстро. Как сам Хезерингтон написал в письме 1997 г., «вскоре после этого какой-то гость университета попросил о встрече со мной, а поскольку меня не оказалось на месте, попросил о встрече с Уиллардом. Все рассмеялись, и очень скоро кот оказался “выпущен из мешка”». Позже Хезерингтон подарил нескольких близким друзьям и коллегам экземпляры статьи с подписями обоих авторов. Судя по всему, именно эта «подпись» — и известие о том, что на самом деле он кот, — помешала пригласить Уилларда по крайней мере на одну научную конференцию. Как добавлял к этому сам Хезерингтон, «тот факт, что я тоже не получил приглашения на конференцию, возможно, является совпадением».
Некоторым известие об авторе-коте, очевидно, понравилось особенно. Жена Джека Хезерингтона Мардж с нескрываемой гордостью говорит, что спала с обоими авторами статьи — причем часто одновременно.
Ф. Д. Ч. Уиллард продолжил научную работу и уже единолично стал автором статьи под названием «Твердый гелий-3: ядерный антиферромагнетик» (L’hélium 3 solide: un antiferromagnétique nucléaire), опубликованной в сентябре 1980 г. во французском научно-популярном журнале La Recherche. Судя по всему, авторы той статьи — люди — не смогли договориться о каких-то деталях рукописи и решили свалить всю вину и ответственность на своего коллегу-кота.
Хезерингтон ушел в отставку из Университета штата Мичиган после 35 лет работы, но продолжает вести активную жизнь. Теперь он делит свое время между Мичиганом и Францией и не только работает по договору с инженерной компанией, но и исследует художественные возможности представления математических функций.
Американское физическое общество — издатель журнала Physical Review Letters — тоже отнеслось к этому делу с юмором. 1 апреля 2014 г. Общество объявило на своем сайте новую «инициативу открытого доступа» для будущих исследователей-кошек.
APS с гордостью объявляет новую инициативу открытого доступа, целью которой является дальнейшее расширение преимуществ открытого доступа для более широкого круга авторов. Согласно новой политике, действующей сегодня, все статьи за авторством кошек доступны бесплатно. Это прогрессивное дополнение — естественное продолжение лидерства APS в области как открытого доступа, так и публикации домашних любимцев. Еще в 1975 г. APS начало публиковать статьи «кошачьих» авторов, самым заметным из которых был некий Ф. Д. Ч. Уиллард [Дж. Х. Хезерингтон и Ф. Д. Ч. Уиллард. Двух-, трех- и четырехатомные обменные эффекты в ОЦК гелии-3 (Willard, Two-, Three-, and Four-Atom Exchange Effects in bcc 3), Phys. Rev. Lett., 35, 1442 (1975)]. Впредь будут рассматриваться статьи только единоличных авторов. APS надеется принять решение о рассмотрении статей авторов-собак в ближайшем будущем. Со времен Шрёдингера у кошек не было подобных возможностей в физике.
Ф. Д. Ч. Уиллард сумел опубликоваться в одном из самых престижных физических журналов в мире, но так никогда и не смог защитить научную степень. Другие кошки, однако, оказались более успешными в этом отношении, поскольку сослужили науке важную службу.
Около 2001 г. некая Зоя Д. Катци получила аккредитацию на оказание услуг гипнотерапии и стала доктором Катци. Эта Зоя была кошкой и спутником психолога Стивена Эйхеля, который получил сертификат для Катци дистанционно через Американскую ассоциацию психотерапевтов. Целью этой эскапады было показать, самым драматичным и абсурдным способом, как легко кто угодно может получить лицензию на работу с пациентами. Еще одной аккредитованной кошкой стала Генриетта, любимица научного журналиста Бена Голдакра. Генриетта получила диплом нутрициолога в 2004 г. от Американской ассоциации консультирующих нутрициологов — особенно впечатляющее достижение, особенно если учесть, что она умерла годом раньше. Такие исследования (их на самом деле намного больше) используются для разоблачения теневых «фабрик дипломов», готовых выдать корочку любому, кто заплатит.
Получит ли когда-нибудь представитель кошачьего племени ученую степень по физике? Если судить по недавним исследованиям, кошки знают о физике больше, чем мы могли бы предположить. В 2016 г. исследователи из Киотского университета изучали, насколько хорошо кошки понимают причинно-следственные связи. Для этого они поместили в кастрюлю электромагнит и три металлических шара, которые могли в ней греметь. Когда магнит был включен, шары фиксировались на месте; они не гремели при встряхивании кастрюли и не выпадали из нее при переворачивании. Когда магнит был выключен, шары гремели и выпадали.
Целью эксперимента было проверить, свяжут ли кошки гремящий звук с ожиданием того, что шары выпадут из кастрюли. Магнит позволял реализовать четыре сценария. При выключенном магните исследователи могли проверить «соответствующие условия», а именно: полная кастрюля гремит и шары падают, или пустая кастрюля не гремит и шары не падают. Если магнит был включен половину времени, они могли проверить «несоответствующие условия», а именно: полная кастрюля гремит, но шары не выпадают, или полная кастрюля не гремит, но шары из нее выпадают.
Исследователи отсняли 30 домашних кошек (восемь из семей и 22 — из нескольких котокафе), чтобы проверить их реакцию на соответствующие и не соответствующие условия. Кошкам разрешалось исследовать кастрюлю после каждого события, если им этого хотелось. Выяснилось, что кошки дольше рассматривали контейнер, если демонстрация не соответствовала нормальным ожиданиям. То есть, если кастрюля гремела, но шары не выпадали или если кастрюля не гремела, а шары выпадали, кошки проявляли больше любопытства к происходящему. По сообщению исследователей, их «результаты указывают на то, что кошки использовали каузально-логическое понимание звуковых стимулов, чтобы предсказывать появление невидимых объектов». Если подумать, в этом нет ничего удивительного, ведь кошки на охоте будут более успешными, если смогут связывать звуки с присутствием спрятавшейся добычи.
Некоторые новостные издания восприняли результаты более сенсационно. Одна из статей, посвященных этой работе, вышла под заголовком «Кошки — чудесные физики». На основании собственного опыта могу сказать, что некоторые кошки, как демонстрирует приведенная фотография, действительно склонны к этому.
