Спичечный коробок, проглотивший сорокатонный грузовик

Собственно говоря, сам факт того, что в определенных обстоятельствах свет ведет себя, как крошечные локализованные частицы, мы должны признать, взяв для примера самый обыденный из всех окружающих нас предметов: электрическую лампочку. Ее нить испускает свет, а наш глаз этот свет поглощает. Причина того и другого должна обнаружиться в том, из чего состоят нить накаливания и наша сетчатка. А они, как и все вещество во Вселенной, состоят из атомов.

Эта идея принадлежит греческому философу Демокриту. Примерно в 440 году до нашей эры он подобрал камень или ветку, а может, это был глиняный сосуд и спросил себя: «Если я разрежу эту штуку пополам, а затем каждую половинку разрежу тоже пополам, смогу ли я заниматься этим разрезанием до бесконечности?» И сам же себе ответил: нет, не смогу. Непостижимо, чтобы вещество можно было резать и резать без конца. Демокрит понял: рано или поздно дело должно дойти до такого зернышка вещества, которое уже невозможно разрезать пополам. По-гречески «неразрезаемый» — «а-томос», поэтому Демокритовы предельные зернышки вещества стали называть «атомами».

На самом деле Демокрит пошел дальше и объявил, что атомы бывают разных типов — сейчас сказали бы, что они вроде микроскопических кирпичиков «Лего», — и, составляя их по-всякому, можно получить, например, розу, или облако, или сверкающую в небе звезду. Главная мысль заключалась в том, что реальный мир в конечном счете зернист и состоит из крошечных твердых ядрышек вещества. Что уж говорить, эта идея, несомненно, выдержала проверку временем [6].

Атомы чрезвычайно малы. Внутри булавочной головки — «по линеечке» — их уместилось бы больше миллиона. Поэтому подтвердить существование атомов оказалось нелегко. В научную эпоху было собрано множество косвенных доказательств. Тем не менее удивительно, что до 1980 года никто так и не умудрился «увидеть» атомы — для этого понадобилось устройство, названное сканирующим туннельным микроскопом (СТМ), которое изобрели два физика из лаборатории «Ай-Би-Эм» в Цюрихе.

СТМ принес Герду Биннигу и Генриху Рореру Нобелевскую премию по физике за 1986 год. По существу, принцип действия устройства таков: микроскоп ведет микроскопическим «пальцем» по поверхности материала, ощущая крохотные подвижки этого «пальца», когда он проходит над атомами, так же, как слепой чувствует неровности чужого лица, когда касается его пальцами. И так же, как слепой рисует в воображении ощупываемое им лицо, СТМ рисует на дисплее компьютера атомный пейзаж, по которому он путешествует.

С помощью СТМ Бинниг и Рорер стали первыми людьми в истории, которые, подобно богам, взглянули сверху вниз на микроскопический мир атомов. И то изображение, что проплывало перед их глазами на экране, было именно тем, что представлялось в воображении Демокриту 2500 лет назад. Атомы походили на крохотные теннисные мячи. Они были точь-в-точь как яблоки, сложенные в коробке. В истории науки нет иного примера, чтобы кто-то сделал предсказание столь задолго до экспериментального подтверждения. Если бы только у Биннига и Рорера была машина времени… Они переместили бы Демокрита в свою лабораторию в Цюрихе, поставили бы его перед этим поразительным изображением и сказали: «Смотри, ты был прав». Как художники, умершие в безвестности, никогда не узнают, что их слава достигла заоблачных высот, а полотна продаются за десятки миллионов фунтов стерлингов, так и ученые могут не дожить до той поры, когда их идеи встретят ошеломляющий успех.

Однако атомы, как стало ясно уже довольно давно, — вовсе не предельные зернышки вещества. Их составляют более мелкие частицы. Тем не менее идея Демокрита о том, что материя не бесконечна в своей делимости и в пределе состоит из зернышек, по сей день жива и здравствует, только ныне в мантию неделимых зерен природы облачились «кварки» и «лептоны». И все же, как выясняется, кварки не столь уж важны, когда дело доходит до встречи света с материей в нашему глазу или в лампе накаливания. Когда свет испускается или поглощается, то испускают или поглощают его именно атомы. И здесь скрывается большая проблема.

Согласно нашей теории материи, атомы — это мельчайшие, локализованные в пространстве штучки, похожие на крошечные бильярдные шары. Свет же — это совсем другая штука: он размыт, распределен в пространстве, как рябь на поверхности пруда. Возьмем видимый свет. Удобная мера для определения его «величины» — это длина волны: расстояние между двумя ближайшими точками волны, находящимися в одинаковой фазе колебания — это если говорить строго, — или по-простому — расстояние между двумя соседними гребнями. Длина волны видимого света примерно в пять тысяч раз больше атома. Представьте, что у вас есть коробок спичек. Вы открываете его, и из него на вас выезжает сорокатонный грузовик. Или же сорокатонный грузовик проезжает мимо, вы открываете коробок, и грузовик исчезает внутри. Смешно? Но это в точности тот самый парадокс, который происходит на границе, где свет встречается с материей.

Как атом в нашем глазу может поглотить нечто, в пять тысяч раз большее, чем он сам? Как атом в нити накаливания электрической лампочки может выдавить из себя нечто, в пять тысяч раз превышающее его размеры? В одной из своих телепрограмм Рэй Мирс, британский путешественник, писатель и эксперт по выживанию в условиях дикой природы, сказал: «Ничто не входит в змею так хорошо, как другая змея». Применим эту логику к границе между светом и материей. Если свету суждено «войти» в маленький, конкретно расположенный атом, то он сам должен быть маленьким и конкретным. Проблема в том, что существуют тысячи примеров (самый известный — это эксперимент Томаса Юнга[7]с двумя прорезями), когда свет проявляет себя как распространяющаяся волна.

Вот в первые десятилетия двадцатого века физики и нарезали круги вокруг этой проблемы, отчаянно пытаясь разрешить парадоксы подобного рода. Как писал немецкий ученый Вернер Гейзенберг: «Я вспоминаю многие дискуссии с Бором, длившиеся до ночи и приводившие нас почти в отчаяние. И когда я после таких обсуждений предпринимал прогулку в соседний парк, передо мною снова и снова возникал вопрос, действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах»[8].

Парадокс, возникающий, когда некая теория предсказывает при определенных обстоятельствах один результат, а другая теория при тех же условиях диктует нечто совершенно иное, зачастую бывает весьма и весьма плодотворен. Он показывает, что по крайней мере одна теория ошибочна. И чем крупнее, чем обоснованнее теории, которые вступают в драку, тем революционнее последствия такой схватки. Вот случай, когда свет испускается лампочкой или поглощается вашим глазом: на этот счет есть две теории, которые предсказывают прямо противоположные вещи, — волновая теория света и атомная теория строения вещества. И это две крупнейшие и наиболее обоснованные теории из всех известных.

Какая же из них ошибочна? Физики пришли к совершенно невероятному заключению: ошибочны — обе. А можно сказать и так: не ошибается ни та, ни другая. Свет — это одновременно и волна, и частица. Или, скорее, это некая сущность, для описания которой у нас просто нет слов, и в окружающем нас мире нет ничего, с чем его можно было бы сравнить. Свет принципиально непостижим — как для существ, скованных двухмерным миром листа бумаги, непостижим трехмерный объект: у этих существ нет понятий «вверх»/«над» или «вниз»/ «под». Все, что они могут познать, — это «тень» объекта, однако «двухмерники» никогда не постигнут трехмерный предмет во всей его полноте. Таким же образом и свет — не волна и не частица, а «нечто иное», чего нам никогда не постичь полностью. Все, что мы видим, — не более чем «тени» света; в одних обстоятельствах этот «объект» поворачивается к нам волновой гранью, в других — корпускулярной.

Совершенно очевидно: атомы испускают свет. Но столь же очевидно, что видимый свет в тысячи раз больше атомов, которые его испускают. Оба факта неопровержимы. Таким образом, единственный способ разрешить сей парадокс — это принять нечто, что звучит как чистейшее безумие: свет одновременно в тысячи раз больше атома и меньше его. Он одновременно рассеян в пространстве и локализован в нем. Он одновременно и волна, и частица. Когда свет несется в пространстве, он ведет себя как рябь на поверхности пруда. Однако же когда свет поглощается или испускается атомами, он ведет себя, как очередь крошечных пулек, выпущенных из микроскопического автомата. Вообразите, что вы стоите возле пожарного гидранта на нью-йоркской Таймс-сквер и одновременно, подобно туману, растекаетесь по Манхэттену. Смешно? Да. Тем не менее свет именно таков.

Картина волновой природы света оказалась верна. Однако и картина корпускулярной природы света тоже оказалась верна. Как ни парадоксально, но свет — это и волна, и частица.