Но почему тогда эта заполняющая все пространство субстанция не мешает движению небесных тел, которое веками остается неизменным, хотя для того, чтобы передавать световые волны, эфирная среда должна обладать весьма значительной плотностью? Почему ни в одном эксперименте не удается заметить «эфирный ветер»?
Несколько столетий все это оставалось загадкой. Ответ был найден квантовой механикой совсем недавно — в 20-х годах нашего века. Оказалось, что движение каждой отдельной световой частицы, фотона, настолько сложно и прихотливо, что с определенной вероятностью ее можно обнаружить в самых различных точках пространства. Строгие закономерности проявляются лишь при рассмотрении большого числа фотонов. И вот статистически, в среднем, световые частицы распределяются в пространстве таким образом, что их поведение выглядит как распространение волны. Поодиночке каждый фотон — частица, корпускула, а в совокупности они — волна. И никакой эфирной среды для этого не требуется, квантовые законы, описывающие поведение света, прекрасно действуют и в вакууме.
Для того чтобы сделать картину нагляднее, иногда говорят, что фотоны двигаются в пустом пространстве по нечетко определенным, размазанным траекториям, а «размазка» имеет форму волны. Это очень упрощенное описание того, что происходит на самом деле, но некоторое представление о характере явления отсюда получить можно.
Заметим, впрочем, что такими свойствами обладают не только фотоны, но и все другие микрочастицы. Каждая из них одновременно имеет корпускулярные и волновые характеристики. Таковы законы квантовой механики.
Казалось бы, квантовая механика окончательно «очистила» пространство от эфира. Но все не так просто. По мнению некоторых ученых, квантовую картину волнового движения в абсолютно пустом пространстве еще нельзя считать достаточно ясной. Дело не в том, что сама квантовая механика все еще выглядит странной и парадоксальной. Физики давно уже обжились в мире квантовых образов, а эксперимент убеждает нас в правильности новых законов. Никаких отклонений у них не обнаружено. Неудовлетворенность у некоторых ученых вызывает лишь то обстоятельство, что, научившись хорошо пользоваться квантовой механикой, мы все-таки точно не знаем, что же заставляет тождественные по своим свойствам частицы в совершенно одинаковых условиях вакуума двигаться по-разному.
Может быть, говорят эти ученые, квантовая механика — это всего лишь временная постройка, некое приближенное изображение истинной, скрытой пока от нас картины явлений, где частицы двигаются по строго определенным траекториям, но только эти траектории что-то размазывает, и это «что-то» мы пока еще не нащупали, не можем его выделить? Если это так, то таинственное «что-то» как раз и было бы подлинным материальным содержанием вакуума, так сказать, «заквантовым эфиром».
Было предпринято много попыток построить нестатистическую, «точную» теорию микропроцессов. Еще каких-нибудь 20—30 лет назад в физических журналах нередко можно было встретить статьи, в которых предлагались очередные варианты «заквантовой теории» с точными траекториями частиц. Но все попытки оказались безуспешными. И конечно, не потому, что их авторы были недостаточно искусны. Этой проблемой занимались многие выдающиеся физики. Сам Эйнштейн до конца жизни был убежден в том, что такая теория должна существовать, и пока она не создана, задача физики остается невыполненной. Однако опыт показывает, что чем глубже в микромир мы уходим, тем отчетливее становится статистический характер происходящих там явлений.
Причина этого в том, что микрочастица всегда взаимодействует с окружающей средой. Часто в момент своего рождения она опутана невообразимо сложным переплетением связей с другими микрочастицами, входящими в состав макроскопических тел. Связи эти, а с ними и воздействия на нее усложняются еще более, когда она проходит сквозь различные экраны, линзы и другие устройства, фиксирующие ее состояние. Даже если частицы движутся в вакууме, у каждой из них свои неповторимые начальные условия. Есть еще и другие специфически квантовые связи частицы с ее окружением, о которых здесь трудно рассказать. Вот все эти связи и размазывают, делают вероятностными траектории микрочастиц. Точно учесть все их просто невозможно. Как заметил однажды Вернер Гейзенберг, один из создателей квантовой теории, для этого пришлось бы принять во внимание состояние всей Вселенной. Поэтому можно быть уверенным в том, что любая «заквантовая теория» будет статистической. Такого взгляда в настоящее время держится подавляющее большинство физиков.
Итак, квантовая механика вернула вакууму статус абсолютной безэфирной пустоты, тем более что это подтверждалось и экспериментальными данными: в своих лабораториях физики научились создавать в сотни триллионов раз более разреженное пространство, чем окружающая нас атмосфера, а изучение процессов, происходящих в космосе, говорило за то, что межзвездное пространство практически совсем пустое — на каждый кубический сантиметр там приходится менее одного атома. Это такое же разрежение, как если бы в объеме земного шара имелась одна-единственная бактерия!
Стрелка научного знания сделала полный оборот — от пустоты к мировому эфиру и снова к полной пустоте.
Однако в самой квантовой механике было спрятано нечто такое, что вскоре буквально вывернуло наизнанку все представления о пустом и непустом. И стрелка побежала по новому витку спирали.
Оказалось, что пустое пространство «дышит»!
Каждому понятно, что если пространство пустое, то в нем не должно быть не только материальных тел, но и никаких полей — ни электромагнитных, ни каких-либо других. Ну а поскольку источником полей служат материальные тела, то, удаляясь на достаточно большое расстояние, можно было бы надеяться сделать эти поля какими угодно малыми. Чем дальше от фонаря, тем темнее. Казалось бы, все логично и все ясно.
И вот квантовая механика неожиданно показывает, что это совсем не так. Из ее формул следует, что в любом очень малом объеме пространства на очень короткое время может произойти флюктуация и «из ничего» выплеснется и снова быстро исчезнет электромагнитное или какое-нибудь другое поле. Это как раз тот процесс рождения виртуальных частиц — квантов спонтанно образующихся полей, о котором неоднократно и упоминалось выше. Виртуальные процессы действуют на движущиеся в вакууме частицы: экранируют их заряды, изменяют массы этих частиц, смещают уровни в атомах и так далее. Взаимодействие частиц с вакуумными флюктуациями — одна из причин размазывания их траекторий Под действием флюктуационных толчков микрочастица все время изменяет свое положение, как бы кружится вокруг положения равновесия. Это сложный нелинейный эффект, крепко связанный узел явлений: неопределенность траекторий делает возможными вакуумные флюктуации, а те, в свою очередь, порождают размазку траекторий.
Таким образом, пространство лишь кажется пустым и безжизненным. Такой вид оно имеет, когда его рассматривают «в среднем», имея в виду достаточно длительные временные интервалы и области значительно больших размеров, чем элементарные частицы. А при большом увеличении оно похоже на густой туман спонтанно рождающихся и тут же лопающихся частиц-капелек. Все это дрожит, мелькает, переливается световой радугой. И чем больше увеличение, тем насыщеннее становится вакуум. Представление о пространстве как об абсолютной, ничего не содержащей в себе пустоте оказывается совершенно неверным. При воздействии внешних полей такая «пустота» ведет себя как материальная среда. Например, в электрическом поле она поляризуется подобно диэлектрику в конденсаторе: положительно заряженные флюктуационные частицы смещаются в одну сторону, отрицательно заряженные — в другую. Такой эффект проявляется во многих экспериментах. Более того, выясняется, что вакуум кое-какими своими свойствами напоминает сверхпроводник — совсем уж, казалось бы, невероятная идея, если вспомнить, что сверхпроводимостью чаще всего обладают металлы. Сверхпроводящая пустота! Трудно придумать более противоречивое явление, но таковы факты. Как показывают расчеты, хорошо согласующиеся с опытом, в «газе» микрочастиц, которым «дышит» вакуум, устанавливаются коллективные, упорядоченные связи — подобно тому, как это происходит в электронном «газе» внутри охлажденного металла.