Уравнение Бога. В поисках теории всего - [14]

Поиски единой теории

В конечном итоге Эйнштейн создал две важнейшие теории. Первая – это специальная теория относительности, которая описывает свойства световых лучей и пространства-времени и вводит понятие симметрии, основанной на вращении в четырех измерениях. Вторая – общая теория относительности, которая представляет природу гравитации как искривление пространства-времени.

Но после двух этих монументальных достижений Эйнштейн попытался добиться третьего, еще более монументального. Он жаждал создать теорию, которая объединила бы все взаимодействия Вселенной в одном уравнении. Он хотел воспользоваться языком теории поля для создания уравнения, в котором сочетались бы теория электричества и магнетизма Максвелла и его собственная теория гравитации. Несколько десятилетий он бился над объединением этих двух теорий и потерпел неудачу. (На самом деле первым объединить гравитацию с электромагнетизмом предложил Майкл Фарадей. Он, бывало, приходил на Лондонский мост и бросал с него магниты, надеясь обнаружить какое-то измеримое влияние гравитации на магнит, но ничего не нашел.)

Одной из причин, по которым Эйнштейну не удалось добиться цели, было то, что в 1920-е гг. в наших представлениях об окружающем мире зияла громадная дыра. Потребовалась совершенно новая теория – квантовая, чтобы физики осознали наконец, что в головоломке не хватает по крайней мере одной детали: ядерного взаимодействия.

Но Эйнштейн, будучи одним из основателей квантовой теории, стал, как ни парадоксально, величайшим ее противником. Он без устали обрушивал на квантовую теорию град критики. За прошедшие десятилетия эта теория выдержала все мыслимые экспериментальные испытания и привнесла в нашу жизнь множество чудесных электрических устройств, которые мы теперь встречаем повсюду и дома, и на рабочих местах. Однако, как мы увидим, глубокие и тонкие философские возражения Эйнштейна против квантовой теории находят отклик даже сейчас.

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?