Благодаря Бору мы получили ясное и понятное представление об атоме, но без ответа оставалось еще слишком много вопросов. Например, вопрос о фотонах. Излучение происходило в определенном направлении и в определенный момент, но что определяло этот момент и это направление? Почему электрон, двигаясь по стационарной орбите, не излучает энергию, а при переходе с орбиты на орбиту делает это?

Модель Бора объединяла подходы классической и новой физики. Вернер Гейзенберг (1901-1976) пришел к выводу о том, что необычность этой модели является ее преимуществом, а ее недостатки объясняются как раз использованием в ней понятий из классической физики. Словом, впереди науку ожидали еще более странные открытия.

К этим открытиям приложил руку и сам Гейзенберг. В разгар лета 1925 года жестокий приступ аллергии застал его на острове Гельголанд в Северном море. Антигистаминных препаратов тогда еще не было, поэтому физик упорно боролся с ринитом и одновременно обдумывал специальную теорию относительности. Как правило, Эйнштейн отбрасывал любой концепт, если он не согласовывался с видимыми явлениями, – даже если этот концепт казался логичным с точки зрении интуиции. Гейнзенберг решил пойти по стопам знаменитого коллеги. Да, ученые наблюдали спектр атомного излучения, но кто-нибудь когда-нибудь наблюдал электрон во время его перехода с одной орбиты на другую? Боровские орбиты с их заданными радиусом и периодом невозможно было наблюдать, потому модель требовала уточнения. Гейзенберг заявил: «Я приложу все усилия на то, чтобы уничтожить понятие орбиты». А затем заложил основы новой теории – принципа неопределенности. Ученый полагал, что природные явления на атомном уровне «поддаются пониманию только тогда, когда исследователь по мере возможностей оставляет попытки представить их наглядно». Вместо образов Гейзенберг предложил абстрактное, чисто математическое представление, основанное на использовании принципиально наблюдаемых величин, таких как частоты спектральных линий.

Фотография, сделанная 28 июня 1929 года. Макс Планк вручает Эйнштейну медаль со своим именем. Эти двое ученых стали первыми лауреатами премии Немецкого физического общества, которая вручалась за особые достижения в области теоретической физики.

Для того чтобы проанализировать материю, необходимо взаимодействовать с ней. И в этом случае квантовый мир ставит перед нами вопрос: до какой степени наше вмешательство в качестве наблюдателей влияет на исследуемое явление? Возможно ли, что те данные, которые мы считаем объективным результатом анализа, модифицированы самим актом измерения? Представим себе, что мы стреляем по статуе резиновыми пулями, чтобы проанализировать, в каком направлении они отскакивают. Пули, не отскочившие от поверхности, позволят довольно точно определить размеры статуи. Если вместо пуль использовать надувные мячи, выводы будут лишь весьма приблизительными, но с уменьшением размера снаряда информация становится все более детальной. Связь между кривизной поверхности наших снарядов и информацией о скульптуре, которую мы хотим получить, оказывается критической.

Фотоны видимого света имеют гораздо меньший размер, чем доступно нашему зрению, кроме того, они не имеют жесткой поверхности и едва ли способны изменить состояние материи, взаимодействуя с ней. Аналогию, приведенную выше, не стоит воспринимать буквально, ведь свет не имеет обыкновения отскакивать от освещаемого предмета рикошетом, однако она позволяет дать интуитивное представление о процессе.

На атомном уровне снаряды, которые раньше казались нам крохотными, становятся такими же огромными, как статуя, которую мы собрались изучать. Если для того чтобы, например, обнаружить электрон, мы начнем бомбардировку атома фотонами с низким энергетическим зарядом и большой длиной волны, получится, что мы бросаемся надувными шарами того же размера, что статуя. Чтобы получить точную информацию, придется увеличить энергию фотона, а это значит, что наши пули станут тверже. И это будет означать не только возможность разглядеть детали статуи, но и риск ее разрушить. Траектория отскока в этом случае будет говорить не столько о рельефе объекта, сколько о процессе его фрагментации. Как видите, наша попытка изучить феномен полностью меняет его суть.

«Второстепенные» изыскания Эйнштейна можно назвать таковыми только в сопоставлении с громадой теории относительности, но в действительности они сделали бы честь любому физику. В этих исследованиях главным героем снова выступает свет.

– При освещении металлической пластины ультрафиолетовым светом наблюдается высвобождение электронов. В 1902 году Филипп Ленард (1862-1947) обнаружил, что скорость испускаемых частиц растет с увеличением частоты света, но не его интенсивности. Эйнштейн объяснил этот феномен, названный фотоэлектрическим эффектом: энергетический заряд, переносимый каждым из фотонов, зависит от частоты света, и более интенсивное излучение приводит к увеличению числа испущенных поверхностью электронов, но не их энергии.

– Электроны взаимодействуют с фотонами, спонтанно повышая и понижая энергетическую шкалу. В 1917 году Эйнштейн задумался о возможности форсировать излучение. Необходимых условий было два: наличие атома с возбужденным электроном (характеризуется избыточной энергией) и фотона, энергетический заряд которого совпадал бы с уровнем заряда орбиты электрона. При выстреле фотоном в атом последний испускает два фотона с равной энергией и в одном направлении. Так было заложено понятие вынужденного излучения (или, по- английски, SER – stimulated emission of radiation), которое используется в работе лазеров (от англ. LASER – light amplification by stimulated emission of radiation, или «усиление света посредством вынужденного излучения»).

– В 1924 году в руки Эйнштейну попала статья Шатьендраната Бозе (1894-1974), физика из Калькутты, в которой говорилось о новом подходе к статистическому описанию света (на иллюстрации – фото индийского ученого, сделанное в 1925 году). Бозе делал акцент на том, что фотоны, в отличие от электронов, могут терять свою идентичность. Эйнштейн предположил, что газ может вести себя точно так же. При понижении температуры до абсолютного нуля атомы лишаются единственной своей отличительной черты – энергии – и переходят в новое состояние материи – состояние конденсата Бозе – Эйнштейна, в котором атомы замедляются, словно объединяясь в один суператом, и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. В 1995 году конденсат Бозе – Эйнштейна был впервые получен в лаборатории.

Ограниченная четкость изображения – вещь неизбежная, поскольку мы используем волны и частицы для изучения собственно волн и частиц, и одни влияют на другие. Еще хуже то, что не всегда ясно, где пролегает граница между одним явлением и другим, поскольку частица может вести себя как волна и наоборот. Какой бы ни была природа квантовых сущностей, невозможно раз и навсегда определить их как волну или как частицу, потому что в зависимости от обстоятельств они проявляются как одним образом, так и другим.