3
Квантовый восход

Пока Эйнштейн в одиночку работал над новой всеобъемлющей теорией, которая вобрала бы в себя как пространство и время, так и вещество и энергию, параллельно в физике шли исследования, призванные ответить на старый как мир вопрос: из чего состоит вещество? Результатом стало создание следующей великой физической теории – квантовой.

Ньютон, завершив работу над теорией всемирного тяготения, взялся за алхимические эксперименты в попытке понять природу вещества. Высказываются предположения, что приступы депрессии у Ньютона были обусловлены его экспериментами с ртутью – известно, что это вещество ядовито и вызывает неврологические расстройства. Однако о фундаментальных свойствах вещества тогда мало что было известно, и работы первых алхимиков практически ничего не внесли в заполнение этого пробела: слишком уж много времени и энергии они тратили на попытки превращения свинца в золото.

Потребовалось несколько столетий, чтобы постепенно раскрыть тайны строения вещества. К началу XIX века химики стали находить и выделять основные элементы природы – химические элементы, которые невозможно было разложить на что-то еще более простое. Если поразительных успехов в физике в этот период добивались в первую очередь математики, то прорывные открытия в химии по-прежнему были результатом долгих часов утомительной работы в лаборатории.

В 1869 г. Дмитрию Менделееву во сне пришла идея о том, как упорядочить все элементы природы. Проснувшись, он начал сводить известные элементы в регулярную таблицу, показывая при этом, что в их свойствах наблюдаются периодические закономерности. Из хаоса химических веществ и реакций вдруг явились порядок и предсказуемость. Все 60 или около того известных элементов легко встраивались в эту простую таблицу, но в ней оставались пробелы, и Менделеев смог предсказать свойства недостающих элементов. Когда эти элементы, в соответствии с предсказанием, были реально обнаружены в лаборатории, авторитет Менделеева невероятно вырос.

Но почему химические элементы образуют такие правильные группы?

Следующий серьезный шаг был сделан в 1898 г., когда Мария и Пьер Кюри выделили новый ряд нестабильных элементов, прежде невиданных. Без всякого источника энергии радий ярко светился в лаборатории, нарушая один из самых важных принципов физики – закон сохранения энергии (принцип, согласно которому энергия не возникает ниоткуда и не исчезает). Энергия лучей радия бралась, кажется, ниоткуда. Ясно было, что без новой теории здесь не обойтись.

До того момента химики считали, что фундаментальные составляющие вещества – химические элементы – вечны, что такие элементы, как водород или кислород, бесконечно сохраняют стабильность. Но теперь они в своих лабораториях могли наблюдать, как элементы, подобные радию, распадаются на другие элементы, испуская какое-то излучение в процессе распада.

Кроме того, появилась возможность вычислить, как быстро распадаются эти нестабильные элементы, и оказалось, что время их распада может измеряться тысячами и даже миллиардами лет. Открытия Кюри помогли решить давний спор. Геологи, пораженные величественной неспешностью процессов образования горных пород, понимали, что возраст Земли должен составлять миллиарды лет. Но лорд Кельвин – один из гигантов классической викторианской физики – рассчитал, что остывание расплавленной Земли заняло бы всего лишь несколько миллионов лет. Кто из них был прав?

Оказалось, что правы геологи. Лорд Кельвин не понимал, что новое природное явление, открытое супругами Кюри и получившее название ядерного взаимодействия, могло внести вклад в нагрев Земли. Поскольку радиоактивный распад способен протекать миллиарды лет, ядро Земли могло разогреваться в результате распада урана, тория и других радиоактивных элементов. Так что и разрушительные землетрясения, и извергающиеся вулканы, и медленный континентальный дрейф – все это получает энергию от ядерного взаимодействия.

В 1910 г. Эрнест Резерфорд положил кусочек излучающего радия в свинцовую коробочку с крохотным отверстием. Крохотный лучик излучения, выходящий через отверстие, он направил на тонкий лист золотой фольги. Ожидалось, что атомы золота полностью поглотят излучение. Однако Резерфорд, к своему немалому изумлению, обнаружил, что излучение радия прошло сквозь фольгу, как будто ее вообще не было.

Это был поразительный результат: он означал, что атомы состоят в основном из пустого пространства. Мы иногда демонстрируем это студентам. Мы кладем кусочек безвредного урана кому-нибудь на ладонь, а снизу подносим счетчик Гейгера, который регистрирует излучение. Студенты с изумлением слушают щелчки счетчика и убеждаются в том, что в тканях их тела действительно полно пустот.

В начале XX века стандартным представлениям об атоме лучше всего соответствовала модель булочки с изюмом – атом считали похожим на положительно заряженную булочку с рассыпанными внутри изюминками электронов. Постепенно, однако, начал вырисовываться принципиально другой образ атома. Атом получался в основном пустотелым, состоящим из облачка электронов, летающих вокруг крохотной плотной сердцевины, называемой ядром. Опыт Резерфорда помог доказать это, потому что иногда радиоактивный луч отклонялся от прямого пути плотно упакованными в ядре частицами. Проанализировав число, частоту и углы отклонения, Резерфорд смог оценить размер ядра атома. Ядро оказалось в сто тысяч раз меньше самого атома.

Позже ученые определили, что ядро, в свою очередь, состоит из еще более крохотных элементарных частиц: протонов (несущих положительный заряд) и нейтронов (не имеющих заряда). Казалось, что всю систему Менделеева можно сложить всего из трех элементарных частиц: электрона, протона и нейтрона. Но какому уравнению подчиняются эти частицы?

Так зарождалась новая теория, способная объяснить все эти загадочные открытия. Эта теория со временем стала причиной настоящей революции, которая бросила вызов всему, что мы знали до этого момента о Вселенной. Она получила название квантовой механики. Но что такое, вообще, квант и почему он так важен?

Понятие кванта родилось в 1900 г., когда немецкий физик Макс Планк задался простым вопросом: почему нагретые предметы светятся? Когда люди тысячи лет назад впервые обуздали огонь, они заметили, что горячие объекты светятся определенными цветами. Кузнецы столетиями знали, что нагреваемые объекты меняют цвет от красного к желтому и голубому.

Но когда физики попытались рассчитать этот эффект, опираясь на работы Ньютона и Максвелла, они столкнулись с проблемой. Согласно Ньютону, атомы, разогреваясь, начинают быстрее колебаться. А согласно Максвеллу, колеблющиеся заряды, в свою очередь, могут испускать электромагнитное излучение в виде света. Но когда физики рассчитали излучение, испускаемое горячими колеблющимися атомами, результат не оправдал ожиданий. На низких частотах эта модель достаточно хорошо совпадала с экспериментальными данными. Но при увеличении частоты энергия света должна была стремиться к бесконечности, что нелепо. Для физика бесконечность – всего лишь признак того, что уравнения не работают, а сами они не понимают, что происходит.

Тогда Макс Планк предложил невинную гипотезу, согласно которой энергия, вместо того чтобы быть непрерывной, как в теории Ньютона, на самом деле излучается дискретными пакетами, которые он назвал квантами. Отталкиваясь от этой идеи, он обнаружил, что может точно вычислять энергию, излучаемую нагретыми объектами. Чем горячее объект, тем выше частота его излучения, что соответствует разным цветовым оттенкам спектра.

Вот почему нагретые тела меняют цвет от красного к голубому с ростом температуры. Кроме того, это позволяет нам определить температуру Солнца. Услышав в первый раз, что температура на поверхности Солнца составляет около 6000 ºC, вы, возможно, с удивлением подумали: откуда мы это знаем? Никто и никогда не бывал на Солнце с термометром. На самом же деле температура Солнца известна нам благодаря длине волны излучаемого им света.

После этого Планк рассчитал размер этих пакетов световой энергии, или квантов, и выразил его через константу – постоянную Планка h, которая равна 6,6 × 10^–34 Дж·с. (Это число Планк нашел, вручную подбирая энергию пакетов и добиваясь идеального совпадения с экспериментальными данными.)

Если мы устремим постоянную Планка к нулю, все уравнения квантовой теории сведутся к уравнениям Ньютона. (Это означает, что странное поведение элементарных частиц, которое часто противоречит здравому смыслу, сводится к знакомым законам движения Ньютона, если присвоить постоянной Планка нулевое значение.) Вот почему мы редко наблюдаем квантовые эффекты в повседневной жизни. Нашим органам чувств окружающий мир представляется вполне ньютоновским, потому что постоянная Планка – очень маленькое число, способное повлиять на Вселенную только на субатомном уровне.

Эти небольшие квантовые эффекты называются квантовыми поправками, и физики иногда тратят целую жизнь на попытки их вычислить. В 1905 г. – в том самом году, когда он сформулировал принципы специальной теории относительности, – Эйнштейн применил квантовую теорию к свету и показал, что свет – это не просто волна, что он ведет себя как отдельный пакет энергии, или частица, которая получила название фотона. Так что свет, очевидно, имеет две ипостаси: это и волна, как предсказывал Максвелл, и частица (фотон), как предсказали Планк и Эйнштейн. Так зарождались новые представления о свете. Свет состоит из фотонов, которые представляют собой кванты, или частицы, но каждый фотон создает вокруг себя поля (электрическое и магнитное). Эти поля, в свою очередь, сформированы подобно волнам и подчиняются уравнениям Максвелла. Таким образом, мы получили красивую взаимосвязь частиц и полей, которые их окружают.

Но если свет существует в двух формах – как частицы и как волны, то не присуща ли и электрону та же странная двойственность? Этот вопрос был следующим логическим шагом, а ответу на него суждено было произвести глубинный эффект и до основания потрясти не только мир современной физики, но и саму цивилизацию.

После этого физики, к собственному изумлению, обнаружили, что электроны, которые когда-то считались твердыми компактными частицами, тоже могут вести себя подобно волнам. Чтобы продемонстрировать это, можно взять два листа бумаги и поставить их один за другим. В первом листе следует прорезать две щели, а затем направить на этот лист пучок электронов. В принципе, логично было бы ожидать появления на втором листе двух полос в тех местах, куда попадают электронные пучки из щелей. Каждый электрон проходит либо через одну щель, либо через вторую, но не через обе сразу. Так подсказывает здравый смысл.

Но если проделать этот эксперимент в реальности, на втором листе появится группа вертикальных линий – типичное явление, возникающее при интерференции волн. (В следующий раз, когда будете принимать ванну, шлепните аккуратно по воде в двух местах одновременно, и увидите, как появляется интерференционная картина, похожая на узор паутины.)

Рис. 7. Электроны, проходя сквозь двойную щель, ведут себя как волны, то есть интерферируют друг с другом по другую сторону экрана, словно они проходят сквозь оба отверстия одновременно, что невозможно в Ньютоновой физике, но является, по сути, фундаментом квантовой механики

Больше того, такая картина возникает, даже если запускать электроны по одному. Но это означает в некотором смысле, что электрон проходит сквозь обе щели одновременно. В этом заключается парадокс: как может точечная частица, электрон, интерферировать сам с собой, словно он умудрился пройти сквозь две щели? Плюс ко всему другие эксперименты с электронами показали, что они способны пропадать и вновь появляться в другом месте, что совершенно невозможно в Ньютоновом мире. Если бы постоянная Планка была значительно больше и оказывала влияние на объекты осязаемого человеком масштаба, то наш мир был бы совершенно неузнаваемым и странным местом. Объекты могли бы пропадать и вновь появляться в другом месте, а также находиться в двух местах одновременно.

Какой бы невероятной ни казалась квантовая теория, вскоре она начала демонстрировать впечатляющие успехи. В 1925 г. австрийский физик Эрвин Шрёдингер записал свое знаменитое уравнение, которое в точности описывало движение этих частиц-волн. Применительно к атому водорода, где единственный электрон обращается вокруг протона, оно дало замечательное совпадение с экспериментом. Уровни электрона, обнаруженные в атоме Шрёдингера, точно соответствовали экспериментальным результатам. Мало того, вся система Менделеева может быть, в принципе, объяснена через решение уравнения Шрёдингера.

Одно из важных достижений квантовой механики – ее способность объяснять поведение строительных кирпичиков вещества, атомов и молекул. По Шрёдингеру, электрон представляет собой волну, которая окружает крохотное ядро. На рис. 8 мы видим, что двигаться вокруг ядра могут только волны с определенными дискретными длинами. Волны, длина которых укладывается целое число раз в орбиту, вписываются в эту систему замечательно. А вот те, у которых длина не укладывается целое число раз, не могут полностью обернуться вокруг ядра. Они неустойчивы и не способны образовывать стабильные атомы. Это означает, что электроны могут двигаться только в пределах отдельных конкретных оболочек.

Рис. 8. Только электроны с определенной длиной волны могут находиться внутри атома, а именно: длина волны электрона должна целое число раз укладываться в орбиту. Это вынуждает электронные волны образовывать дискретные оболочки вокруг ядра. Подробный анализ того, как электроны заполняют эти оболочки, может помочь в объяснении периодической системы Менделеева

По мере того как мы удаляемся от ядра, эта базовая закономерность повторяется; с увеличением числа электронов внешнее кольцо все дальше отодвигается от центра. Чем дальше отходишь, тем больше электронов обнаруживаешь. Этим и объясняется, почему система Менделеева содержит повторяющиеся регулярные дискретные уровни, причем каждый уровень повторяет поведение лежащей под ним оболочки.

Подобный эффект можно заметить, когда вы начинаете петь в душе. Только определенные дискретные частоты, или длины волн, удачно отражаются от стен и усиливаются, тогда как другие, которые не укладываются целиком, глушатся – аналогично тому, как электронные волны обращаются вокруг ядра атома: годятся только определенные дискретные частоты.

Этот прорыв принципиально изменил курс развития физики. Представьте: в одном году физики, пытаясь описать атом, оказываются в совершенном тупике. А уже на следующий год, получив уравнение Шрёдингера, они учатся рассчитывать внутреннее строение самого атома. Я иногда преподаю квантовую механику магистрантам и обязательно пытаюсь донести до них тот факт, что все вокруг нас может, в определенном смысле, быть описано через решение этого уравнения. Я говорю им, что с его помощью можно объяснить не только атомы, но и связи атомов и образование молекул, а следовательно, и все химические вещества, из которых состоит наша Вселенная.

Однако, каким бы всеобъемлющим ни было уравнение Шрёдингера, оно все же имело ограничение. Оно работало только для маленьких скоростей, то есть было нерелятивистским. Уравнение Шрёдингера ничего не говорило о скорости света, о специальной теории относительности и о том, как электроны взаимодействуют со светом через уравнения Максвелла. Не было в нем и красивой симметрии теории Эйнштейна, скорее оно было неуклюжим, да и работать с ним математически было трудно.

И вот двадцатидвухлетний физик Поль Дирак решил соединить пространство и время и написать волновое уравнение, которое подчинялось бы специальной теории относительности Эйнштейна. Одной из причин отсутствия элегантности в уравнении Шрёдингера было то, что пространство и время рассматривались по отдельности, из-за чего вычисления зачастую были утомительными и требовали много времени. Теория Дирака объединяла то и другое и обладала четырехмерной симметрией, так что она одновременно была красивой, компактной и элегантной. Все неуклюжие члены оригинального уравнения Шрёдингера трансформировались в одно простое четырехмерное уравнение.

(Помню, как во времена учебы в старших классах я отчаянно пытался заучить уравнение Шрёдингера и сражался с его некрасивыми членами. Разве может быть природа такой злонамеренной, думал я, чтобы сотворить настолько неуклюжее волновое уравнение? Затем я наткнулся на уравнение Дирака, которое оказалось красивым и компактным. Я даже прослезился, когда увидел его.)

Уравнение Дирака имело шумный успех. Как мы уже знаем, Фарадей показал, что переменное электрическое поле в проволочной рамке порождает магнитное поле. Но откуда берется магнитное поле в стержневом магните, где нет никаких движущихся зарядов? Это казалось загадкой. Но уравнения Дирака предсказывали, что электрон имеет вращательный момент, который создает собственное магнитное поле. В математику это свойство электрона – спин – было встроено с самого начала. (Однако спин – не привычное вращение, которое мы видим вокруг, например в гироскопе, а один из математических членов в уравнении Дирака.) Магнитное поле, созданное спином, точно соответствует полю, которое на самом деле обнаруживается у электронов. Это помогает объяснить происхождение магнетизма. Так откуда же берется магнитное поле в магните? Его порождает спин электронов, находящихся внутри металла. Позже выяснилось, что спином обладают все элементарные частицы. Мы вернемся к этой важной концепции в одной из следующих глав.

Что еще важнее, уравнение Дирака предсказало существование неожиданной новой формы вещества, получившей название антивещества. Антивещество подчиняется тем же законам, что и обычное вещество, за исключением того, что обладает зарядом противоположного знака. Так что антиэлектрон, называемый также позитроном, имеет положительный, а не отрицательный электрический заряд. В принципе, можно создавать антиатомы, состоящие из антиэлектронов, обращающихся вокруг антипротонов и антинейтронов. Но когда вещество и антивещество сталкиваются, происходит взрыв с выделением энергии. (Антивещество станет принципиально важным элементом теории всего, поскольку все частицы в окончательной теории должны иметь двойников из антивещества.)

Прежде физики рассматривали симметрию как эстетически приятный, но несущественный аспект любой теории. Теперь их поражала мощь симметрии, то, что симметрия способна реально предсказывать совершенно новые и неожиданные физические явления (такие, как антивещество и спин электрона). Физики начинали понимать, что симметрия – необходимое и неизбежное свойство Вселенной на фундаментальном уровне.

Но ученым по-прежнему не давал покоя ряд вопросов. Если электрон обладает волновыми свойствами, то что именно возмущает среду, в которой существует эта волна? Что колеблется? И как эта волна может проходить сквозь два разных отверстия одновременно? Как электрон может в одно и то же время находиться в двух местах?

Ответ оказался поразительным и невероятным и сразу же разделил физическое сообщество пополам. Макс Борн в статье 1926 г. написал, что колеблется вероятность нахождения электрона в данной точке. Иными словами, невозможно определить точно и наверняка, где находится электрон. Все, что вы можете узнать, – это вероятность его нахождения. Вернер Гейзенберг закрепил это положение в своем знаменитом принципе неопределенности, который гласил, что знать точно и скорость, и местоположение электрона невозможно. Иными словами, электроны – это частицы, но вероятность нахождения этой частицы в любой заданной точке задается волновой функцией.

Эта идея произвела эффект разорвавшейся бомбы. Она означала, что точно предсказать будущее нельзя. Можно предсказать только шансы на то, что определенные вещи произойдут. Но отрицать успехи квантовой теории было невозможно. Эйнштейн писал: «Чем более успешной становится квантовая теория, тем глупее она выглядит». Даже Шрёдингер, первым предложивший концепцию электрона как волны, отверг вероятностную интерпретацию своих собственных уравнений. И сегодня физики продолжают спорить о философских следствиях волновой теории. Разве можно находиться в двух местах одновременно? Нобелевский лауреат Ричард Фейнман однажды сказал: «Мне кажется, можно с уверенностью сказать, что квантовую механику не понимает никто».

Еще со времен Ньютона физики придерживались во взглядах так называемого детерминизма – философии, согласно которой все будущие события можно точно предсказать. Законы природы определяют движение всех объектов во Вселенной, делая его упорядоченным и предсказуемым. Для Ньютона Вселенная была подобна часовому механизму, тикающему точно предсказуемым образом. Если бы были известны координаты и скорости всех частиц во Вселенной, то из этих данных можно было бы вывести все будущие события.

Конечно, смертные всегда были одержимы предсказанием будущего. Шекспир в «Макбете» писал:

Согласно Ньютоновой физике, можно заранее предсказать, какое зерно прорастет, а какое нет. Эта точка зрения преобладала среди физиков на протяжении нескольких столетий. Так что неопределенность была ересью и потрясла современную физику до основания.

По одну сторону этого спора были Эйнштейн и Шрёдингер, принимавшие в свое время участие в запуске квантовой революции. По другую сторону – Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, создатели новой квантовой теории. Кульминацией схватки стал исторический Шестой Сольвеевский конгресс в 1930 г. в Брюсселе. Именно там прошли главные дебаты эпохи, в ходе которых гиганты физики сошлись лицом к лицу в схватке за смысл самой реальности.

Пауль Эренфест позже писал об этом: «Я никогда не забуду, как на моих глазах два оппонента покидали университетский клуб. Эйнштейн являл собой величественную фигуру и шел спокойно со слабой ироничной улыбкой, а Бор, ужасно расстроенный, семенил рядом с ним». В холле можно было услышать, как Бор отрешенно бормотал себе под нос одно только слово: «Эйнштейн… Эйнштейн… Эйнштейн».

Эйнштейн начал атаку, выдвигая против квантовой теории возражение за возражением и пытаясь наглядно продемонстрировать всю ее абсурдность. Но Бор успешно отражал критические замечания Эйнштейна одно за другим. Когда Эйнштейн очередной раз повторил, что Бог не играет в кости со Вселенной, Бор, как говорят, ответил: «Перестаньте указывать Богу, что делать».

Физик из Принстона Джон Уилер сказал: «Это были величайшие дебаты из всех мне известных в нашей интеллектуальной истории. За тридцать лет я ни разу не слышал о публичном споре двух более великих людей, который продлился бы дольше и был бы посвящен более глубокому вопросу с более глубокими последствиями для понимания этого нашего странного мира».

Историки в основном сходятся во мнении, что спор этот выиграли Бор и квантовые бунтари.

И все же Эйнштейну удалось вскрыть и продемонстрировать всем трещины в фундаменте квантовой механики. Он показал, что этот великан стоит на глиняных философских ногах. Высказанные им тогда критические замечания можно услышать даже сегодня, и в центре их находится один интересный кот.

Шрёдингер придумал простой мысленный эксперимент, в котором наглядно проявилась суть проблемы. Поместите кота в запечатанный ящик. Положите туда же кусок урана. Когда из урана вылетит элементарная частица, сработает счетчик Гейгера, приводящий в действие пистолет, который выпустит пулю в кота. Вопрос при этом ставится так: кот жив или мертв?

Поскольку распад атома урана – чисто квантовое событие, то и кота вам придется описывать с точки зрения квантовой механики. Для Гейзенберга, пока вы не открыли ящик, кот существует в виде сочетания различных квантовых состояний, то есть представляет собой сумму двух волн. Одна из этих волн описывает мертвого кота, другая – живого. Кот при этом не жив и не мертв, но представляет собой сочетание этих двух состояний. Единственный способ сказать, мертв кот или жив, – открыть ящик и произвести наблюдение; тогда волновая функция схлопнется в мертвого или живого кота. Иными словами, наблюдение (для которого требуется сознание) определяет существование.

Для Эйнштейна все это было нелепостью и напоминало философию епископа Беркли, который задавал вопрос: если дерево падает в лесу и вокруг нет никого, кто мог бы это услышать, то производит ли его падение звук? Солипсисты сказали бы, что нет. Но квантовая теория поступила еще хуже. Она объявила, что если в лесу имеется дерево, рядом с которым никого нет, то это дерево существует как сумма множества различных состояний: например, сгоревшего дерева, молодого ростка, бревна, листа фанеры. Только когда вы смотрите на это дерево, его волновая функция волшебным образом схлопывается в обычное дерево.

Когда к Эйнштейну домой приходили гости, он, бывало, спрашивал: «Существует ли луна только потому, что на нее смотрит мышь?» Но какой бы нелепой ни казалась квантовая теория, как бы сильно она ни противоречила здравому смыслу, у нее имелось одно серьезное достоинство: она была экспериментально верна. Предсказания квантовой теории проверены до одиннадцати цифр после запятой, что делает ее самой точной теорией всех времен.

Эйнштейн, однако, готов был признать, что квантовая теория частично истинна. В 1929 г. он даже выдвинул Шрёдингера и Гейзенберга на Нобелевскую премию по физике.

Даже сегодня среди физиков не существует единого мнения по проблеме кота. (Старая копенгагенская интерпретация Нильса Бора, в которой истинный кот появляется только потому, что наблюдение вызывает схлопывание его волновой функции, вышла из моды, поскольку сегодня при помощи нанотехнологий мы можем манипулировать отдельными атомами и проводить подобные эксперименты. Более популярной стала многомировая интерпретация, где вселенная расщепляется надвое, причем в одной половине кот мертв, а в другой – жив.)

Успех квантовой теории позволил физикам в 1930-е гг. обратить взгляды на другую задачу и нацелиться на новый приз. Они вознамерились ответить на извечный вопрос: почему светит Солнце?

С незапамятных времен многие религии мира обожествляли солнце, помещая его в самый центр своей мифологии. Солнце было одним из самых могущественных богов, правивших небесами. Для греков это был Гелиос, каждый день величественно проезжавший на своей сверкающей колеснице по небу, освещая наш мир и даруя жизнь. У ацтеков, египтян и древних индусов были свои версии солнечного бога.

Но в эпоху Возрождения некоторые ученые попытались исследовать солнце через призму физики. Если бы наше светило было сделано из дерева или масла, все его топливо давно выгорело бы. А если в громадных пространствах открытого космоса нет воздуха, то и пламя солнца давно бы потухло. Так что вечная энергия солнца оставалась загадкой.

В 1835 г. ученым всего мира был брошен вызов. Французский философ Огюст Конт, основатель философии позитивизма, объявил, что наука, конечно, мощный инструмент и раскрывает многие тайны Вселенной, но одно навсегда останется неподвластным ей. Даже величайшим ученым никогда не удастся ответить на вопрос, из чего сделаны планеты и Солнце.

Это был разумный вызов, ведь краеугольным камнем науки является проверяемость. Все научные открытия должны быть воспроизводимыми и проверяться в лаборатории, но набрать солнечный материал в бутылку и доставить его на Землю было со всей очевидностью невозможно. Следовательно, и ответ на этот вопрос должен был навсегда остаться для нас загадкой.

По иронии судьбы, всего через несколько лет после того, как Конт сделал свое заявление в книге «Позитивная философия», физики сумели достойно ответить на его вызов. Они выяснили, что Солнце состоит в основном из водорода.

Конт в своих рассуждениях допустил небольшую, но критически важную ошибку. Да, наука всегда должна быть проверяемой, но, как мы уже установили, большая часть научных исследований проводится косвенным образом, опосредованно.

В начале XIX века Йозеф фон Фраунгофер разработал самые точные спектрографы своего времени. (В спектрографе свет проходит через призму или другой диспергирующий элемент и дает на экране радугу, показывающую, сколько в световом пучке лучей с разной длиной волны. При пропускании через спектрограф солнечного света на фоне привычной радуги наблюдаются узкие темные полоски. Эти линии возникают потому, что электроны совершают квантовые скачки с орбиты на орбиту, высвобождая или поглощая при этом определенные количества энергии. Поскольку каждый химический элемент дает собственные, характерные только для него линии, каждая спектральная линия подобна отпечатку пальца и позволяет наблюдателю определить, из чего состоит исследуемое вещество. Помимо всего прочего, спектрографы помогли разгадать множество преступлений, поскольку они позволяют установить, откуда пришел преступник, по оставленной его ботинками грязи, природу токсинов в составе яда и принадлежность микроскопических волокон и волос. Спектрографы дают возможность воссоздать картину преступления, определив химический состав всех присутствующих веществ.)

Именно анализ спектральных линий солнечного света позволил ученым определить, что Солнце состоит преимущественно из водорода. (Больше того, физики обнаружили на Солнце и новое неизвестное вещество. Они назвали его гелием, что означает «солнечный». Таким образом, гелий впервые был обнаружен на Солнце, а не на Земле.)

Вскоре после исследований Фраунгофера астрономы сделали еще одно важное открытие. Проанализировав свет звезд, они обнаружили, что эти светила тоже состоят из веществ, которые обычны на Земле. Это было очень важное открытие, ведь оно указывало, что законы физики одинаковы не только у нас, в Солнечной системе, но и во всей Вселенной.

Как только теории Эйнштейна получили признание, физики, такие как Артур Эддингтон и Ханс Бете, собрали все данные воедино и определили, какое топливо служит источником энергии Солнца. Гравитационное поле Солнца способно сжать водород так, что протоны начинают сливаться друг с другом с образованием гелия, а затем и более тяжелых элементов. Поскольку гелий весит чуть меньше, чем весят суммарно ядра водорода, при слиянии которых он образуется, это означает, что пропавшая масса превращается в энергию согласно формуле Эйнштейна E = mc².

Пока физики спорили об ошеломляющих парадоксах квантовой теории, на горизонте собирались грозовые тучи войны. Адольф Гитлер захватил власть в Германии в 1933 г., и физики были вынуждены массово бежать из страны, спасаясь от ареста или худшей участи.

Однажды на улице Шрёдингер стал свидетелем того, как нацисты в коричневых рубашках травили ни в чем не повинных евреев – обычных прохожих и лавочников. Он попытался остановить их, они набросились на него и стали бить. Избиение прекратилось только тогда, когда один из коричневорубашечников узнал ученого и сказал остальным, что человек, которого они бьют, – лауреат Нобелевской премии по физике. Потрясенный Шрёдингер вскоре покинул Австрию. Лучшие представители немецкой науки, встревоженные ежедневными сообщениями о репрессиях, уезжали из своей страны.

Всегда дипломатичный Планк, отец квантовой теории, лично умолял Гитлера остановить массовый исход немецких ученых, в результате которого страна могла лишиться лучших умов. Но Гитлер просто наорал на него, обвинив во всем евреев. Позже Планк написал, что «говорить с таким человеком было невозможно». (Печально, но собственный сын Планка входил в группу заговорщиков, пытавшихся убить Гитлера, за что был подвергнут жестоким пыткам и затем казнен.)

На протяжении нескольких десятилетий Эйнштейну задавали вопрос о том, может ли его уравнение помочь высвободить сказочные количества энергии, запертые внутри атома. Эйнштейн всегда отвечал «нет»: энергия, высвобожденная одним атомом, слишком мала, чтобы ее практически использовать.

Гитлер, однако, хотел использовать научное превосходство Германии в целях создания мощного, невиданного прежде оружия, оружия террора, такого как ракеты Фау-1 и Фау-2 и атомная бомба. В конце концов, если Солнце питается ядерной энергией, то можно, наверное, создать и супероружие на том же источнике энергии.

Ключевую идею о том, как практически использовать уравнение Эйнштейна, высказал физик Лео Силард. Еще до него немецкие физики показали, что ядро урана при бомбардировке нейтронами может распадаться на части с высвобождением дополнительных нейтронов. Энергия, высвобождаемая при расщеплении одного ядра, чрезвычайно мала, но Силард понял, что ядерную мощь урана можно многократно усилить в результате цепной реакции: при расщеплении одного ядра урана высвобождается два нейтрона. Эти нейтроны затем могут расщепить еще два ядра урана, которые испустят четыре нейтрона. Затем вы получите восемь, шестнадцать, тридцать два, шестьдесят четыре и т. д. нейтронов, то есть число расщепленных ядер урана будет расти экспоненциально, а энергии выделится столько, что можно будет сровнять с землей крупный город.

Внезапно отвлеченные дискуссии, разделившие физическое сообщество на Сольвеевском конгрессе, стали вопросом жизни и смерти, где на карту была поставлена судьба народов, стран и в конечном итоге – всей человеческой цивилизации.

Эйнштейн пришел в ужас, когда узнал, что в Богемии нацисты закрывают доступ в шахты по добыче урановой смолки и засекречивают их работу. Эйнштейн, хотя и был пацифистом, счел себя обязанным написать судьбоносное письмо президенту США Франклину Рузвельту, в котором призывал США создать атомную бомбу. Получив письмо, Рузвельт дал добро на крупнейший научный проект в истории – Манхэттенский проект.

В Германии же нацисты назначили главой атомного проекта Вернера Гейзенберга, которого многие считали лучшим квантовым физиком планеты. По мнению некоторых историков, страх, что Гейзенберг сумеет опередить союзников в создании атомной бомбы, был так велик, что Управление стратегических служб – предшественник ЦРУ – разработало план его убийства. В 1944 г. это задание было поручено Мо Бергу, бывшему профессиональному бейсболисту-кетчеру команды «Бруклин Доджерс». Берг пришел на лекцию, которую Гейзенберг читал в Цюрихе, с приказом убить физика, если ему, Бергу, покажется, что германский проект создания атомной бомбы близок к завершению. (Эта история подробно рассказана в книге Николаса Давидоффа «Этот кетчер был шпионом».)

К счастью, нацистский атомный проект значительно отставал от союзнического. Он плохо финансировался и постоянно сдвигался по срокам; кроме того, его базу бомбили союзники. А главное, Гейзенберг еще не решил тогда принципиальную для создания атомной бомбы задачу – не определил количество обогащенного урана или плутония, необходимое для запуска цепной реакции, то, что называют критической массой. (На самом деле требовалось примерно 10 кг урана-235, иначе говоря, такое количество урана, которое может поместиться в пригоршне.) После войны мир начал понимать, что мудреные, непонятные уравнения квантовой теории являются ключом не только к атомной физике, но и, возможно, к судьбе рода человеческого.

Физики, однако, постепенно возвращались к вопросу, который перед войной ставил их в тупик: как создать полную квантовую теорию вещества.