Продолжим наш опыт. Теперь уменьшим интенсивность пучка настолько, чтобы электроны вылетали из источника по одному, тогда, вроде бы, должно быть известно наверняка, через какую щель – A или B – прошёл каждый электрон. Однако на практике оказывается, что никакой разницы нет; если проводить опыт достаточно долго, результат будет таким же, как и в эксперименте с двумя щелями. Как же так? Ведь чтобы получилась такая картина, электрону в момент прохождения одной щели должно быть известно, открыта другая или закрыта! Если она открыта, электрон попадёт в одну точку экрана, если закрыта – в другую. Но откуда он знает, открыта или закрыта другая щель? Чтобы ответить на этот вопрос, приходится предположить, что электрон – это волна, которая размазывается перед тем, как попасть в установку, и проверяет, в каком состоянии находится вторая щель, т.е., по сути, один и тот же электрон проходит через обе щели. Но поскольку электрон – это и частица, физически представляется, что он может проходить либо через одну, либо через другую щель.
Попробуем перехитрить электрон. Предположим, что у щелей установлено такое устройство, которое позволяет определить, через какую из них электрон проходит на самом деле. Но здесь в игру вступает принцип неопределённости – проводя измерения, мы вмешиваемся в процесс и влияем на его результат. Пытаясь определить, проходит ли электрон через щель A, мы воздействуем на него, и он проходит через щель B.
Непривычность этого и ему подобных опытов отталкивала Эйнштейна. Он резко выступал против квантовой механики, за что подвергался суровой критике. Но аргументы Эйнштейна основывались на глубоком знании теории и отнюдь не были пустыми придирками. Он очень интересовался этой теорией и, как говорят, постоянно носил с собой книгу Дирака «Принципы квантовой механики». Эйнштейн прилагал массу усилий, чтобы выявить недостатки этой теории. Однажды он сказал: «Вы даже не представляете, с каким упорством я пытался найти удовлетворительный математический подход к квантовой теории, но пока безуспешно».
Усилия Эйнштейна не пропали даром. В 1935 году он указал на один из возможных недостатков теории, и к его идеям до сих пор относятся со всей серьёзностью. Вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном он опубликовал статью «Можно ли считать квантовомеханическое описание физической реальности полным?».
Рассмотрим упрощённый вариант приводимых в статье рассуждений. Предположим, что имеется система из двух частиц, вращающихся в противоположных направлениях. Будем считать, что спин (параметр, характеризующий вращение) одной из частиц направлен вверх, а другой – вниз. Пусть теперь эти частицы каким-то образом разделяются, например разлетаются в противоположных направлениях. Предположим далее, что одна из них улетает в окно, а другая попадает в лабораторную установку, где определяется её спин. Допустим, что спин второй частицы направлен вверх; отсюда следует, что спин первой направлен вниз. Таким образом, мы получаем информацию об одной из частиц, не проведя над ней измерения. Но это противоречит копенгагенской интерпретации, из которой следует, что до тех пор, пока не выполнено измерение, объект не существует – ни одна частица не существует без измерения.
Ясно, что этот парадокс требовалось разрешить. Объяснение ему было дано в середине 60-х годов. Сотрудник ЦЕРН (Европейского центра ядерных исследований) Джон Белл в 1964 году предложил способ разрешения указанного парадокса. Теперь он носит название неравенства Белла.
Первые проверки не дали определённого результата – одни из них, казалось, подтверждали правоту Эйнштейна, другие – Бора. Но в 1983 году эксперименты, проведённые в Парижском университете Аленом Аспеком, дали, по-видимому, решающий результат – неравенство Белла нарушается. Прав оказался Бор.
Означает ли это, что квантовая теория окончательно решает все проблемы и невозможно создать более фундаментальную теорию, о которой говорил Эйнштейн? Видимо, шансов на это мало, но всякое бывает – наука в своём развитии иногда делает странные зигзаги.
Претензии к квантовой теории высказывал не только Эйнштейн. Макс Планк, впервые предложивший идею квантов, так полностью и не принял эту теорию, а Шрёдингер в итоге пришёл к выводу, что она не является окончательной. Совсем недавно, в 1979 году, Поль Дирак заявил: «Ясно, что современная квантовая механика ещё не приняла законченной формы. Очень может быть, что в новой квантовой механике будет присутствовать детерминизм, который имел в виду Эйнштейн… Вполне вероятно, что он окажется прав».
Принстонский физик Дэвид Бом много лет посвятил поискам фундаментальной теории. Он твёрдо убеждён в том, что в ней должны быть скрытые переменные, хотя большинство физиков считает, что это не так. Он уверен, что квантовая механика имеет окончательный вид, и согласен с копенгагенской интерпретацией.
Другая фундаментальная физическая теория – теория относительности – была опубликована в 1905 году. В ней речь шла не о мире атомов, а о понятиях пространства, времени и массы (а также электрического и магнитного полей). За несколько лет до этого учёные Юнг и Френель показали, что свету присущи некоторые явления (интерференция и дифракция), свойственные только волнам. Если свет – тоже волна, то для его распространения нужна какая-то среда; это можно пояснить на таком примере. От брошенного в воду камня во все стороны кругами расходятся волны; если бы в месте падения камня не было воды, не было бы и волн. Очевидно, для распространения волн нужна среда, в данном случае вода. Для света наличие такой среды неочевидно, поэтому физики её придумали и назвали эфиром. Предполагалось, что эфир заполняет всю Вселенную, но свойства эфира (прозрачность, несжимаемость, невосприимчивость к действию тяготения) затрудняют его обнаружение. И хотя изобретением эфира удалось устранить проблему распространения света, тут же появилась новая трудность – эфир оказался системой отсчёта для всей Вселенной. Это означало, что можно использовать его для определения нашей абсолютной скорости относительно Вселенной в целом. Эфир был чем-то вроде гигантского озера, а на озере измерить свою скорость даже без спидометра очень легко. Нужно бросить буй и следить за тем, насколько быстро он удаляется.
Чтобы найти скорость, с которой Земля движется сквозь эфир, два физика, Майкельсон и Морли, выполнили в 1887 году остроумный эксперимент. В качестве буя они использовали луч света, послав его в направлении движения Земли по орбите. Так как свет распространяется в эфире, а Земля имеет некоторую конечную скорость в том же направлении, нам должно было бы казаться, что луч движется от нас с меньшей скоростью, чем от неподвижной Земли (предполагается, что эфир около Земли не испытывает возмущений); однако, выполнив свой опыт, Майкельсон и Морли с удивлением обнаружили, что мы, т.е. Земля, не догоняем свет. Луч света имеет постоянную скорость, не зависящую от нашей; это значит, что с какой бы скоростью мы не гнались за светом, догнать его невозможно. Свет всегда будет двигаться со скоростью 300 000 км/с.
В течение многих лет учёные пытались понять смысл этого загадочного результата. Приближённые формулы независимо получили Г. А. Лоренц в Нидерландах и Ф. Фицджералд в Ирландии, но они не объяснили, что же происходит на самом деле. Лишь в 1905 году с созданием специальной теории относительности загадка была решена. Эйнштейн не знал о результате опыта Майкельсона и Морли; он решил задачу, подойдя к ней с другой стороны. Его интересовало, что происходит с электрическим и магнитным полями при скоростях, близких к скорости света, но созданная им теория описывала гораздо больше, чем поведение этих полей. В ней говорилось, что происходит с пространством, временем и массой, когда тела движутся со скоростями, близкими к световой. Пространство растягивается (движущиеся объекты становятся короче), время замедляется, а масса возрастает. (На самом деле это происходит при всех скоростях, но становится заметным при скоростях, близких к скорости света.) Из этой теории следовало также, что эфир не нужен.
В 1916 году Эйнштейн распространил специальную теорию относительности, касавшуюся только равномерного прямолинейного движения, на все виды движения. В результате получилась общая теория относительности, из которой следует, что пространство может быть не только растянуто, но и искривлено, причём настолько сильно, что перестает существовать во Вселенной. (Речь об этой теории пойдёт в гл. 2.)