В статье 1905 г., заложившей основы специальной теории относительности (в 1916 г. была развита общая теория относительности), Эйнштейн рассмотрел другую характеристику света, а именно скорость, и предположил, что она постоянна для любого наблюдателя независимо оттого, приближается он к источнику света или удаляется от него. Из этого утверждения вытекает целый ряд важных следствий, одно из которых заключается в том, что в системе координат, связанной с наблюдателем, размеры предметов сокращаются, время замедляется, а масса тел увеличивается. При обычных скоростях этот эффект практически незаметен, законы Ньютона выполняются, однако при высоких скоростях, сравнимых со скоростью света или близких к ней, изменения, например замедление течения, времени, становятся заметными. Если бы какое-то тело (скажем, космический корабль) удалось разогнать до скорости света (или большей), то время на корабле остановилось бы, его размеры сократились бы до точки, а масса стала бесконечно большой. Таким образом, теория Эйнштейна демонстрирует невозможность достичь (или превысить) скорость света.

Альберт Эйнштейн (одетый с неожиданным щегольством) за работой в Патентном бюро в Берне, Швейцария, в 1905 г. В этом году он опубликовал первые четыре статьи, сыгравшие очень важную роль в науке XX века и кардинально изменившие привычную ньютоновскую картину строения Вселенной. (Фотография Лотты Джакоби, любезно предоставлена архивом Лотты Джакоби, Университет Нью-Гемпшир.) 

Природа света, о которой размышлял Ньютон, теперь получила свое объяснение, однако при этом выяснилось, что наша Вселенная устроена еще более странно, чем он мог предположить. Модель Вселенной в теории относительности долгое время увлекала и одновременно сбивала с толку писателей-фантастов. Они в сюжетах многочисленных романов и рассказов с восторгом обыгрывали «загадки времени» или необычные ситуации, связанные с космическим путешественниками, которые после длительного полета в другие галактики возвращаются на Землю молодыми, в то время как все их сверстники давно умерли. С другой стороны, даже фантастам было не под силу описать все «загадки скорости», вынуждающие создавать для космических путешествий причудливые устройства типа использованных в известном сериале «Стар Трек».

Идеи Эйнштейна о природе света лишили покоя многих физиков. Ранее предполагалось, что свет подобно гравитации распространяется в мировом эфире, однако эксперименты по измерению скорости света (проведенные в 1889 г. Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли) показали, что никакого эфира не существует и, следовательно, ни свет, ни гравитация не могут распространяться таким образом. Результаты опытов по измерению скорости света оказались совершенно неожиданными для самих экспериментаторов. Майкельсон был одним из самых блестящих молодых ученых Америки (за четыре года до знаменитого эксперимента он был первым в выпуске Военно-морского училища США в Аннаполисе) и ставил своей целью вместе с известнейшим химиком Морли раз и навсегда решить проблему эфира. Для этого он спроектировал оптический интерферометр, в котором одновременно измерялось время прохождения двух пучков света, один из которых двигался вдоль, а второй — поперек предлагаемого «эфирного ветра». Поскольку считалось, что эфирные волны имеют определенное направление, экспериментаторы ожидали, что скорость света вдоль «ветра» будет больше, чем в поперечном направлении (аналогично тому, как скорость корабля при движении по течению превышает его скорость при движении поперек течения). Однако никакой разницы в скоростях обнаружить не удалось.

Исключение эфира из физической картины мира способствовало утверждению идей Планка, Эйнштейна и других основателей квантовой теории. С другой стороны, при этом многие физики потеряли интерес к волновым теориям вообще и стали считать, что природные процессы сводятся исключительно к взаимодействию частиц. Разумеется, нашлись физики, которые не собирались отказываться от волновых представлений, поскольку во многих случаях отрицать волновую природу света было почти невозможно. Например, на границах или поверхностях сред могут происходить отражение, преломление (если свет падает под углом к границе) или дифракция (размытие около края препятствия) света, что свидетельствует о его волновой природе. Свет во всех этих случаях ведет себя аналогично звуковым, морским и любым другим волнам. Таким образом, его следует считать волной в соответствии с известной американской поговоркой «Если ходит, как утка, плавает, как утка, то это и есть утка!».

С другой стороны, развитие экспериментальной техники позволило физикам за последнее столетие открывать одну элементарную частицу за другой, причем существование многих из них удалось предсказать задолго до их обнаружения, что очевидно доказывало правоту квантовой теории. Правило «утиной походки» работает и в этом случае. Впрочем, следует говорить, по крайней мере, о двух «утках», поскольку двойственность имеет место, и справочник QPB Science Encyclopedia (1998), например, определяет фотон как «элементарную частицу или сгусток энергии, в виде которых испускаются свет и другое электромагнитное излучение. Фотон обладает одновременно характеристиками и частицы, и волны».

В каких условиях фотон ведет себя как частица, а в каких — как волна? Вообще говоря, при распространении в пустом пространстве свет представляет собой обычную волну, которая «превращается» в частицу при взаимодействии с каким-либо объектом. Волновая природа света широко используется астрономами при определении «красного смещения», которое, в свою очередь, позволяет определить расстояние от Земли до звезды или галактики. С другой стороны, квантовая природа света проявляется в работе лазеров. Некоторых физиков подобная двойственность продолжает беспокоить. Некоторые из них считают свет «скорее волнами, чем частицами», а другие — «скорее частицами, чем волнами». Между тем обе точки зрения справедливы, но относятся к поведению света в разных ситуациях. Разумеется, многие ученые мечтают разрешить эту проблему раз и навсегда, что, кстати, было бы весьма полезным в педагогических целях, поскольку сейчас большинство студентов-физиков обучается в соответствии с «точкой зрения» руководителя факультета или заведующего соответствующей кафедрой. Академические веб-сайты в Интернете, естественно, по той же причине дают противоречивые определения всех понятий, связанных с природой света.

В описанной ситуации нельзя никого винить. Физик Сидней Перковиц в книге «Empire of Light» («Империя света», 1996) подробно описывает, как эксперименты со светом, осуществленные в течение XX столетия самыми выдающимися учеными, весьма убедительно демонстрировали, что свет представляет собой и волны, и частицы. Дело заключается в том, что характер эксперимента может влиять на его результаты, хотя каждый из экспериментов в отдельности отвечает самым строгим научным стандартам. Эта ситуация просто отражает основной парадокс квантовой теории, который рассматривается в следующей главе и в соответствии с которым поведение электронов и фотонов непосредственно связано с влиянием приборов.

Волна или частица? Имеет ли это какое-нибудь значение? Если свет ведет себя «непоследовательно», стоит ли спорить о терминах? Возможно, проблема возникает из-за навязчивого стремления ученых дать строгие определения всем наблюдаемым предметам и явлениям. Упомянутая выше книга Перковица посвящена природе света, но имеет любопытный подзаголовок «История открытий в науке и искусстве». Автор одинаково серьезно и глубоко обсуждает проблемы искусства и физики, что делает рассматриваемые им противоречивые дуальности более очевидными. Например, Перковиц завершает главу, посвященную спорам о корпускулярной и волновой природе света, следующим глубокомысленным афоризмом известного художника Жоржа Брака, который наряду с Пикассо был одним из основателей кубизма: «Истина существует, изобретаются лишь вымыслы». Перковиц считает, что «этот принцип должен быть основополагающим в наших попытках понять природу света. Свет есть нечто реальное, а все научные истории, которые мы придумываем, чтобы объяснить связанные с ним необычные явления, всего лишь отражают степень нашего неведения. Реальность спокойно существует и функционирует в соответствии со своими законами независимо от наших измышлений. Если сознание и материя действительно связаны, то афоризм Брака приобретает важный смысл. Может оказаться, что связанная со светом истина и наши вымыслы взаимно дополняют друг друга».