Великий сдвиг в теоретической физике нелегко объяснить, пользуясь повседневным языком. Наши концепции формировались в течение тысячелетий различных социальных отношений. Накапливались знания, доступные разуму человека, высекавшего огонь из кремня, и человека, обрабатывающего кусок металла на токарном станке. Философы облекли все эти концепции в форму абсолютных истин, но это не способствовало продвижению вперед.
При изучении связи между наблюдателем и изучаемыми им частицами света и элементарными частицами старые концепции обнаруживали свою непригодность; оказалось, что для этого может быть использован только математический язык. Но и в таком случае требовались большие усилия по обновлению старых представлений. Разве не с такими же трудностями, даже, пожалуй, еще большими, сталкивался человеческий разум еще тогда, когда надо было после открытия Пифагора принять представление о том, что Земля имеет не плоскую, а сферическую поверхность? Геродот издевался над столь абсурдной идеей, а Аристотель осмелился принять ее лишь в качестве гипотезы, которую не следует отбрасывать без проверки. Известно также, что почти через сто лет после Коперника Галилея чуть было не сожгли живым только за его утверждение, что Земля не находится в центре Вселенной.
В то же время мышление наше не сохраняет застывшую форму, как некий генетический признак рода. Напротив, мы заимствуем новые формы в процессе общения с физическим миром и социальной средой в течение первых лет нашей жизни, и впоследствии оказывается весьма затруднительным снова возвращаться к этому первичному обучению. Для того чтобы представить себе, время в виде четвертого измерения пространственно-временного континуума или представить частицу как материальное тело и волну одновременно, приходится разрушать прочно укоренившиеся системы мышления. Этот процесс требует больших усилий, но он возможен, и он окажется, конечно, гораздо более легким для нашей смены, по мере того как новые концепции врастут в культурное наследие.
Молодой физик Семон недавно сделал по этому поводу следующее замечание: «Концепция не является простой совокупностью идей; в то же время это и не результат, связывающий отдельные факты. Непосредственная ассимиляция концепций разумом возможна только у детей или у молодых людей. В зрелом же возрасте концепция формируется лишь в результате многолетнего изучения ее в различных аспектах, сравнения со всеми существовавшими до этого представлениями, а также подкрепления ее аналогиями. Концепция представляет собой систему ассоциаций и понятий, которая формируется во время развития сознания. И само приобретение концепции также является развитием сознания… Таким образом, представление о пространстве-времени и частице-волне привело человечество XX века к более высокому уровню познания. В настоящее время эти идеи приняты безоговорочно, и мы с удивлением констатируем, что молодые люди, заканчивающие теперь университет, воспринимают понятия пространство-время и волна-частица куда более непосредственно и легко, чем их учителя, благодаря тому, что начали изучение этих идей достаточно рано, и это позволило им более глубоко усвоить их сущность».
До конца прошлого века пространство считалось однородным, течение времени через всю Вселенную – непрерывным, а масса тела – неизменной. Теперь мы знаем, какому разрушению подвергла теория относительности эти великолепные принципы определенности.
Еще классическая физика косвенно принимала постулат непрерывности процессов в природе. И даже после того как было признано, что вещество состоит из атомов, в тех масштабах, в которых проводились опыты, установленные законы могли не принимать в расчет эту гипотезу. Так, в проводнике, к которому приложена возрастающая разность потенциалов, количество электричества, переносимого током, увеличивается непрерывно. Световая энергия, излучаемая нитью накала, также возрастает непрерывно по мере повышения температуры нити. Наконец, в соответствии с законом Френеля, для того чтобы толковать свет как колебание, как пакет волн, ньютоновская идея о корпускулярном строении света была отброшена окончательно, как тогда считали, ибо такое представление превосходно объясняло явление интерференции и вообще все известные тогда оптические явления.
Концепция о непрерывности материи оказалась первой, в которой была пробита брешь: с развитием химии представление об атоме приобрело конкретный смысл. Изучение броуновского движения (рассеяние частиц в жидкой среде) показало, что каждый мельчайший осколок вещества приходит в движение за счет собственной энергии; этим объясняется, например, давление, которое производит газ на стенки сосуда, а также температура тела, зависящая от степени возбуждения молекул. Как писал Жан-Луи Детуш, атомная теория расшатала, но не опрокинула традиционную физику: «Вместо того чтобы рассматривать вещество в виде непрерывных систем, оказалось достаточным предположить, что любая физическая система состоит из ансамбля малых систем, с помощью которых можно представить элементы в виде шариков с определенными атомными весами. Таким образом, изменился лишь способ описания структуры физических тел, а принципы механики остались неизменными».
Вслед за принятием гипотезы о прерывности вещества, ее пришлось распространить на электричество. Всякий электрический заряд оказался равным кратному числу одинаковых элементарных зарядов, величину которых определил Милликен. Было обнаружено, что при приложении разности потенциалов между двумя электродами разреженной трубки катод испускает частицы, несущие элементарные отрицательные заряды; масса этих частиц была также измерена. Оказалось, что эти электроны похожи на те, что образуют «свиту» ядра внутри атома,
Однако обстоятельства значительно усложнились, когда классической физике пришлось столкнуться с результатами исследования излучения черного тела. Черным телом называют любую систему, которая поглощает все лучи, попадающие в нее извне, и испускает излучение, зависящее только от собственной температуры. Каждой температуре соответствует строго определенное спектральное распределение излучения. Для определенной температуры максимум интенсивности излучения приходится на красную область спектра, но при повышении температуры максимум интенсивности смещается к более коротким длинам волн (к большим частотам); как известно, при нагреве металла он становится сначала темно-красным, а потом, по мере повышения температуры, белым; газ же, доведенный до высокой температуры, излучает синее свечение.
Электромагнитная теория света, разработанная Максвеллом, дала объяснение температурной зависимости спектрального распределения излучения черного тела, и опыт подтвердил выводы теории для больших длин волн в пределах красной и инфракрасной частей спектра. Однако для более коротких волн результаты эксперимента разошлись с предсказаниями теории. Немецкий физик и математик Макс Планк показал, что это препятствие может быть преодолено, если допустить, что обмен энергией между веществом и излучением не происходит непрерывно. Свет приносит энергию порциями, состоящими из неделимых квантов, величина которых остается постоянной для данной частоты спектра. Каждой длине волны электромагнитного излучения соответствует величина кванта энергии, которая может быть вычислена путем перемножения частоты и константы Планка. Эта универсальная постоянная играет в физике такую же важную роль, как число π в математике. Если выразить физические величины в системе измерений СГС (сантиметр, грамм, секунда), то постоянная Планка будет равна следующей десятичной дроби: ноль, запятая, двадцать шесть нолей, 655. А поскольку квант энергии увеличивается с частотой, то нетрудно понять, что в области более высоких частот спектра прерывистый характер энергии более явно отклоняется от результатов, предсказанных классической теорией.
Классическая физика оказалась в состоянии «переварить» представление о вещественности атома и даже электрического заряда, но принять идею о прерывности обмена энергией между веществом и излучением она не могла. Никто и не предполагая тогда, какого размаха достигнет в дальнейшем квантовая революция.