В последние десятилетия XIX века физики начали понимать, что, несмотря на значительную предсказательную силу ньютоновской механики (с поправкой на чувствительность к начальным условиям, обнаруженную позже теорией хаоса), она имеет и серьезные концептуальные недостатки. Трудно дать четкое определение даже таким базовым понятиям, как сила и инерция, что признавал и сам Ньютон.
Ньютон представлял себе дальнодействующие силы, подобные гравитации, как невидимые нити, связывающие объекты, иногда на огромных расстояниях. Он понимал, что такие взаимодействующие объекты могут быть самыми разными – от земных до астрономических. Рассказывают, будто его исследование теории тяготения началось с наблюдения за падающим с дерева яблоком, а затем распространилось на другие объекты, обладающие массой. Любой из них – от яблока до Луны – будет испытывать невидимое дальнодействующее притяжение к Земле или другому массивному телу.
Друг Ньютона, археолог и биограф Уильям Стакли, так описывал беседу, состоявшуюся между ними в саду:
После ужина, благо погода стояла теплая, мы вышли в сад и пили чай под сенью яблонь. Он сказал мне, что все было точно так же в тот день, когда ему пришло в голову понятие гравитации. Поводом послужило падение яблока, когда он сидел в созерцательном настроении. «Почему яблоко всегда падает перпендикулярно земле?» – задумался он[27].
Концептуальная проблема в ньютоновском понимании гравитации и других сил – это пространство, разделяющее взаимодействующие тела. Для яблока, падающего с дерева на землю, это пространство невелико, но как быть с огромными расстояниями между Солнцем и обращающимися вокруг него планетами? Как, например, Сатурн и Юпитер чувствуют, что Солнце где-то там, в сотнях миллионов километров от них, и ощущают его притяжение? Если бы Солнце вдруг исчезло, как бы они об этом узнали? Изменилось бы их движение мгновенно или для этого потребовалось бы время? Ньютоновское представление о тяготении и других силах не позволяло ответить на эти вопросы.
Еще одна глубокая концептуальная проблема законов Ньютона связана с понятием инерции как естественного состояния в отсутствие сил (или когда все действующие на тело силы в точности уравновешены). Инерция – это либо движение с постоянной скоростью, либо его отсутствие. В любом случае возникает вопрос: движение или отсутствие движения относительно чего? Не найдя иного объяснения инерции, Ньютон ввел понятия абсолютного пространства и абсолютного времени: гипотетических линеек и часов в пространстве, которые служат системой отсчета. Учитывая, что все в космосе, от комет до звезд, постоянно находится в движении, ученым было непонятно, где искать такую систему отсчета. В частности, австрийский философ конца XIX века Эрнст Мах критиковал концепцию абсолютных пространства и времени как оторванную от материальной реальности и предлагал переопределить понятие инерции, признав ее результатом влияния далеких звезд.
В 1800‐х годах произошел большой прогресс в изучении электричества и магнетизма, кульминацией которого стала единая теория электромагнетизма, разработанная гениальным шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Опираясь на работы Гаусса, Майкла Фарадея, Андре-Мари Ампера и других, Максвелл описал электромагнетизм как локальную теорию поля, а не в терминах сил, действующих на расстоянии. Концепция полей как переносчиков сил через пространство стала долгожданным обновлением работ Ньютона.
Поле – это сущность, которая характеризуется одной или несколькими величинами, заданными в каждой точке пространства. Обычно, если поле задается одной величиной в каждой точке, его называют скалярным. В случае нескольких значений в каждой точке его называют векторным или тензорным полем, в зависимости от определенных математических свойств. При повороте системы координат векторы преобразуются проще, чем тензоры, а скаляры остаются неизменными.
Математическая терминология иногда заставляет людей нервничать. Чтобы успокоиться, представьте себе расслабляющее действие теплого кружащегося водоворота. А теперь вернемся к математике. Если термометры измеряют температуру в каждой точке бассейна, эти значения представляют собой скалярное поле. Каждому месту в воде соответствует одно значение температуры. Даже если обойти бассейн и взглянуть на него с противоположной стороны, карта температур останется прежней, что соответствует скалярному полю. Теперь представьте, что в каждой точке бассейна стоят датчики, регистрирующие скорость и направление движения воды. Карта этих скоростей, задаваемых в каждой точке несколькими значениями – величиной и направлением, – будет представлять собой векторное поле. Далее, если вы повернетесь, то углы, задающие направление, изменятся, но простым единообразным способом – это еще одна характеристика векторных полей. Наконец, чтобы получить тензорное поле, представьте, что в каждой точке бассейна вы надавливаете на воду в ту или иную сторону, и смóтрите, как она реагирует на это воздействие по каждому направлению. Например, попробуйте вообразить, что вы регистрируете, насколько сильно вода сожмется или расширится в левом направлении, если надавить на нее сверху вниз. Поскольку есть три направления для нажатия и три направления для реакции, в каждой точке получается трижды три компоненты. Вуаля, девятикомпонентное тензорное поле! Очевидно, что при смене перспективы эти компоненты преобразуются более сложным образом, чем в случае векторного поля.
Ко времени Максвелла физики уже давно поняли, что векторные поля идеально подходят для описания электричества и магнетизма. Возьмите стержневой магнит, накройте его плоским листом бумаги, рассыпьте по нему железные опилки и чуть встряхните. Замечательным образом опилки станут выстраиваться вдоль четких кривых, расходящихся от полюсов магнита. Проследите каждую из этих кривых от северного полюса магнита к южному – это и есть линии магнитного поля. Напряженности поля в каждой точке соответствует густота его линий, а направлению – их ориентация. Таким образом, очевидно, что магнетизм хорошо описывается векторным полем. Аналогично и электричество вблизи заряженных объектов тоже может быть описано векторным полем. Сила возникает не благодаря таинственным нитям, связывающим удаленные объекты, а в результате прямого воздействия электрических и магнитных полей на тела. Поместите движущийся заряд в любое сочетание электрического и магнитного полей, и он будет испытывать действие электрических и магнитных сил соответственно. Как правило, эти силы будут перпендикулярны друг другу. Эффект будет локальным, зависящим исключительно от окружающих заряд условий, а не от воздействия чего-то далекого.
Ознакомившись с многочисленными экспериментами, которые демонстрируют связь электричества и магнетизма (например, электрические катушки создают магнитные поля), Максвелл решил описать их в виде объединенного электромагнитного поля. Он также понял: как брошенный в озеро камешек вызывает на воде рябь, так колеблющиеся заряды порождают электромагнитные волны, в которых электрические и магнитные компоненты перпендикулярны друг другу. Это понимание привело его к объединению разнородных уравнений, описывающих порождение электрических и магнитных полей, в единое волновое уравнение, которое определяет распространение электромагнитных полей в пространстве. Рассчитав скорость таких электромагнитных волн, он обнаружил, что она совпадает со скоростью света. Так он пришел к потрясающему выводу, что электромагнитное излучение – это и есть свет в его различных видимых и невидимых формах.
Сегодня мы говорим о скорости света в вакууме, причем под вакуумом подразумевается пустота, настолько близкая к абсолютной, насколько мы можем себе это представить. Однако когда Максвелл выдвинул идею электромагнитных волн, большинство ученых придерживалось мнения, что все волны – это колебания, распространяющиеся в каком-то веществе. Океанские волны распространяются по воде. Порывы ветра и бризы – по воздуху. Дрожь землетрясений передается по земле. Гипотетическая субстанция, по которой распространяется свет в виде электромагнитной волны, была названа светоносным эфиром – или, для краткости, просто эфиром.
Если бы пространство заполнял эфир, Земля встречалась бы с эфирным ветром, дующим навстречу ее движению. Подобно тому, как скорость парусника зависит от его движения относительно воздушных и водных течений, так, по логике вещей, движение света, когда Земля летит навстречу эфирному ветру, должно отличаться от движения по ветру. Однако многочисленные эксперименты, призванные обнаружить такие различия, не дали никаких результатов. Самым известным и впечатляющим среди них стал интерферометрический (измеряющий разность хода световых волн) эксперимент, проведенный в 1887 году польско-американским физиком Альбертом Майкельсоном и американским химиком Эдвардом Морли. В нем не обнаружилось никаких различий в скорости света, когда он движется в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Ожидалось, что эфирный ветер, если он существует, повлияет на результат, но этого не произошло. Этот факт стал похоронным звоном для концепции светоносного эфира, хотя научному сообществу потребовалось много десятилетий, чтобы полностью от нее отказаться.
Теория Максвелла гласила, что значение скорости света в вакууме должно быть постоянным, каковы бы ни были обстоятельства наблюдения. Эксперимент Майкельсона – Морли и другие точные измерения подтверждали эту точку зрения. Однако идея, что свет имеет одинаковую скорость в пустом пространстве независимо от скорости наблюдателя, вопиюще противоречила давно признанному принципу относительности Галилея. Он получил название в честь отраженного в законах Ньютона наблюдения, согласно которому относительные скорости движущихся объектов отличаются от их абсолютных скоростей (по отношению к неподвижной системе отсчета). Если два пассажира в терминале аэропорта стоят друг напротив друга на параллельно движущихся с одинаковой скоростью траволаторах, они будут казаться друг другу неподвижными. Однако применение этого принципа к свету вело к противоречию. Галилеева относительность предсказывает, что человек на сверхскоростном траволаторе, который каким-то образом умудряется не отставать от луча света, будет воспринимать его как неподвижный. Теория Максвелла, напротив, требует, чтобы скорость света оставалась постоянной независимо от скорости наблюдателя. В 1894 году юный пятнадцатилетний Альберт Эйнштейн представил, что пытается угнаться за световой волной, и начал искать решение этой дилеммы. Спустя десять лет это привело к созданию специальной теории относительности.
И все же, несмотря на эксперимент Майкельсона – Морли, вера в невидимый эфир сохранялась. В определенных кругах обсуждение эфирных течений смешивалось с разговорами о роли невидимых высших измерений в исследованиях природы сознания и царства духа. Задолго до появления представлений о мультивселенной научное сообщество разделилось во мнении о роли ненаблюдаемых сфер в естественнонаучных исследованиях.