Ми описали електромагнітне поле і зрозуміли, що воно може передаватися як хвилі. Зараз ми побачимо, що насправді ці хвилі поводяться дуже дивно: вони аж ніяк не схожі на хвилі. На високих частотах вони набагато більше скидаються на частинки! Наука, яка вміє пояснювати таку дивну поведінку,— квантова механіка — була винайдена невдовзі після 1920 р. Ще до цього звичну картину тривимірного простору й окремо існуючого часу змінив Ейнштейн; спершу він перетворив її на поєднання, зване «простір-час», а потім, щоб пояснити тяжіння,— ще й на «викривлений простір-час». Отже, «сценою» стало вже простір-час, а тяжіння, ймовірно, є видозміненим простором-часом.
А потім також з'ясувалося, що й закони руху частинок неправильні. Механічні закони «інерції» і «сили», закони Ньютона — всі вони виявилися непридатними у світі атомів. Було виявлено, що поведінка найдрібніших тілець нічим не нагадує поведінки звичайних, великих тіл. Звісно, фізика від цього стає важчою, зате набагато цікавішою. Важчою тому, що поведінка малих тілець зовсім «неприродна»; вона суперечить нашому досвіду, вона взагалі ні на що не схожа, і її не можна описати жодним іншим шляхом, крім аналітичного; а це ж вимагає великої уяви.
У квантової механіки багато особливостей. Насамперед вона забороняє вважати, що частинка може рухатися через певне точно вказане місце з певною точно вказаною швидкістю. Щоб показати, наскільки помилкова звичайна механіка, зазначимо, що в квантовій механіці є правило, згідно з яким ніхто одночасно не може знати і місце, і швидкість руху частинки. Невизначеність в імпульсі і невизначеність у положенні частинки доповнюють одна одну: їхній добуток постійний. Ми поки що напишемо це правило у вигляді ΔxΔp≥h/2π, не заглиблюючись у подробиці. Це правило є поясненням таємничого парадоксу: якщо атоми зроблені з плюс- і мінус-зарядів, то чому б мінус-зарядам просто не всістися на плюс-заряди (адже вони притягуються), чому б їм не зблизитися настільки тісно, щоб вони погасили один одного? Чому атоми такі великі? Чому ядро перебуває в центрі, а електрони — навколо нього? Спершу це пояснювали тим, що ядро дуже велике; але ж це не так, воно дуже мале. Діаметр атома приблизно 10-8см, а ядра—щось близько 10-13 см. Щоб побачити ядро, треба було б збільшити атом до розмірів кімнати, і то ядро здавалося б крихітною, ледь помітною цяткою; при цьому все ж майже вся вага атома припадала б на нескінченно маленьке ядро. Але чому ж електрони не падають на нього? А ось через той самий принцип невизначеності: якби електрони опинилися в ядрі, ми б дуже точно знали їхнє положення і, отже, їхній імпульс неодмінно мав би стати дуже великим (але невизначеним), а, значить, кінетична енергія теж різко зросла б. З такою енергією він би вискочив з ядра. Не дивно, що ядро йде на угоду з електронами: вони лишають собі якесь місце для цієї невизначеності і потім коливаються з якимось найменшим запасом руху, аби тільки не порушити цього правила. (Згадайте ще, що коли кристал охолоджений до абсолютного нуля, ми вважаємо, що атоми все ж не припиняють свого руху, вони все ще коливаються. Чому? Та якби атоми зупинилися, ми б знали і те, що вони стоять, і де стоять, а це суперечить принципу невизначеності. Ми не сміємо знати і де вони, і як швидко рухаються, ось атоми і змушені безперервно тремтіти!)
А ось інша, найцікавіша зміна в ідеях і філософії науки, здійснена квантовою механікою: неможливо ніколи точно передбачити, що станеться за якихось обставин. Наприклад, можна приготувати атом, здатний випромінювати світло; момент випускання світла ми можемо помітити, впіймавши фотон (буде час, ми поговоримо про це). Але ми не можемо передбачити, коли він збирається випромінити, або, якщо атомів декілька, який з них випустить світло. Можливо, на вашу думку, все це через те, що в атомах є якісь внутрішні «коліщатка», яких ми ще не розгледіли? Ні, в атомі немає потаємних коліс; природа, наскільки ми її сьогодні розуміємо, поводиться так, що принципово неможливо робити точні передбачення про те, що саме станеться в даному досліді. Жахливо, чи не так? Адже філософи раніше завжди вчили нас, що одна з основних властивостей науки, невіддільних від неї,— це вимога, щоб за однакових умов завжди відбувалися одні й ті самі події. Але це просто неправильно, це зовсім не основна умова науки. Насправді за рівних обставин однакові події не відбуваються; передбачити їх можна тільки в середньому, тільки статистично. І все ж наука ще не зовсім гине.
До речі, філософи часом багато говорять про речі, нібито конче потрібні науці; і це завжди, як можна в тому переконатися, вельми наївно і, судячи з усього, помилково. Наприклад, деякі філософи, і не тільки філософи, стверджували, що для наукових відкриттів суттєво, щоб один і той самий дослід, зроблений, скажімо, у Стокгольмі й у Кіто, приводив до одних і тих самих результатів. Але ж це абсолютно неправильно. Для науки ця умова необов'язкова; вона може бути встановлена після досліду, але не можна цього вимагати до досліду. Якщо, наприклад, у Стокгольмі проведено дослід зі спостереження північного сяйва, то з якого дива він має вдатися в Кіто? Ви там і сяйва-то не побачите. «Але це ясно,— скажете ви.— Нічого іншого й не могло бути, якщо ви досліджуєте щось зовнішнє, далеке від нас. А от заберіться в Стокгольмі в ящик і закрийте в ньому шторки, чи отримаєте ви тоді хоч якусь відмінність?» Безперечно. Підвісьте в ящику маятник на шарнірному підвісі, його площина під час хитань почне в Стокгольмі повільно повертатися, а в Кіто — ні, хоча шторки і там, і там опущені. І цей факт зовсім не призведе до загибелі науки. Адже в чому її основне припущення, її фундаментальна філософія? Ми вже сказали про це в розд. 1: єдине мірило справедливості будь-якої ідеї — це дослід. Якщо з'ясовується, що більшість експериментів у Кіто приводять до того самого, що й у Стокгольмі, то з цієї «більшості експериментів» можна вивести загальний закон, а про ті експерименти, які не приводять до однакових результатів, ми скажемо, що на них вплинув характер місцевості поблизу Стокгольма. Ми можемо різними способами підсумовувати досліди, але хай нас завчасно не вчать, що це за способи. Якщо нам кажуть, що одні й ті самі досліди завжди повинні приводити до одних і тих самих результатів,— це чудово; але коли перевірка покаже, що це не так, отже, це не так. Вірте тільки своїм очам, а решту своїх ідей формулюйте вже на основі досліду.
Повернемося знову до квантової механіки й до основ фізики. Ми поки не будемо заглиблюватися в деталі квантовомеханічних принципів, їх не так просто зрозуміти. Ми просто приймемо їх такими, які вони є, а зупинимося на деяких їхніх наслідках. Ось один з них: те, що ми зазвичай вважаємо хвилями, може поводитися як частинка; частинки ж поводяться як хвилі; те саме стосується і будь-яких тіл. Між хвилею і частинкою просто немає відмінності. Квантова механіка об'єднує ідею поля, хвиль поля і частинок в одне. При низьких частотах хвильові властивості виявляються виразніше і тому виявляються кориснішими для наближеного опису в образах нашого повсякденного досвіду. Але в міру того, як частота зростає, стає дедалі очевиднішим, що крізь прилади, які вимірюють наше явище, проходить не хвиля, а частинка. Насправді, хоч ми й говоримо про високі частоти, хвильові явища, якщо їхня частота перевищує 1012 гц, помітити вже не можна. Ми тільки доходимо висновку про наявність високої частоти, знаючи енергію частинок і припускаючи, що вірна ідея квантової механіки про частинку-хвилю.
Виникає до того ж і новий погляд на електромагнітну взаємодію. На додачу до електрона, протона і нейтрона з'являється нова частинка, звана фотоном. Саме це нове бачення взаємодії електронів і протонів, тобто електромагнітну теорію, правильну в квантовомеханічному сенсі, називають квантовою електродинамікою. Цю фундаментальну теорію взаємодії світла і речовини, або електричного поля і зарядів, слід вважати найбільшим досягненням фізики. У ній одній ховаються головні правила всіх звичайних явищ, крім тяжіння і ядерних процесів. Наприклад, з квантової електродинаміки виводяться всі відомі електричні, механічні й хімічні закони: закони зіткнень більярдних куль, руху провідників у магнітному полі, питомої теплоємності чадного газу, кольору неонових літер, густини солі і реакції утворення води з водню й кисню. Усе це піддається розрахунку, якщо умови, за яких протікає явище, прості. Практично цього ніколи не буває, але все ж ми більш чи менш розуміємо, що відбувається. І досі не було знайдено жодного винятку із законів квантової електродинаміки, тільки в атомних ядрах її виявляється недостатньо; та й про них ми не можемо сказати, що тут спостерігаються якісь винятки, просто ми не знаємо, що там відбувається.
Далі, квантова електродинаміка — у принципі це також теорія всієї хімії і всіх життєвих процесів, якщо припустити, що життя зводиться врешті-решт до хімії, а значить, і до фізики (сама хімія вже звелася до фізики, і та частина фізики, яка охоплює хімію, вже розроблена). Мало того, та сама квантова електродинаміка, ця велична наука, передбачає чимало й нових явищ. По-перше, вона говорить про властивості фотонів дуже високих енергій, гамма-випромінювання і т. д. Вона передбачила ще одне дуже оригінальне явище, а саме, що, крім електрона, повинна існувати інша частинка з тією самою масою, але з протилежним зарядом, так званий позитрон, і що електрон і позитрон, повстрічавшись, можуть один одного знищити, випромінивши при цьому світло або гамма-кванти (що, власне, одне й те саме; світло і γ-випромінювання — лише різні точки на шкалі частот).
Мабуть, справедливе й узагальнення цього правила: існування античастинки для будь-якої частинки. Античастинка електрона носить ім'я позитрона; в інших частинок назви присвоєні за іншим принципом: якщо частинку назвали так-то, то античастинку називають анти-так-то, скажімо, антипротон, антинейтрон. У квантову електродинаміку вкладають лише два числа (вони називаються масою електрона і зарядом електрона) і вважають, що всі інші числа у світі можна вивести з цих двох. Насправді, однак, це не зовсім правильно, бо існує ще ціла сукупність хімічних чисел — ваг атомних ядер. Ними нам і слід зараз зайнятися.