Глава 2 В тени бомбы

В начале XX века Нелли Мельба была всемирно известной примадонной. Благодаря удивительному, серебряному голосу она прославилась далеко за пределами родной Австралии. Мельба блистала на сценах множества оперных театров от Манхэттена до Лондона, не говоря уже о театрах континентальной Европы³⁰. Мачты, возвышающиеся над штаб-квартирой компании Маркони в Челмсфорде (графство Эссекс), должно быть, показались ей весьма устрашающими.

Нелли не хотела ехать сюда. Она с презрением отнеслась к появлению “беспроводных” радиоприемников, выпущенных этой компанией, и не понимала, почему столько людей хочет приобрести эти “магические играющие ящики”. Но дива была дама не промах. Нельзя отказаться от выступления, за которое обещано 10 тыс. долларов, да к тому же к нему приковано внимание репортеров и журналистов всего мира!

Певица колебалась, стоит ли ей начинать петь, а представитель компании, Артур Барроуз, успокаивал ее, но, похоже, не очень удачно. Указывая вверх, он объяснял, как гигантские радиоантенны с высоты сотен футов будут нести божественный голос Нелли на сотни, возможно тысячи, километров к жаждущей услышать его публике в европейских культурных столицах — Париже, Берлине, Мадриде и бог знает где еще. Но певица, видимо незнакомая с принципами новомодной техники, переводила настороженный взгляд с антенн на своего гида. “Молодой человек, — сказала она, — если вы думаете, что я собираюсь туда взобраться, вы сильно ошибаетесь”. В тот день, 15 июня 1920 года, Нелли Мельба стала звездой первого в мире концерта, прозвучавшего в эфире.

Получасовой сольный концерт состоялся в бывшем сарае для хранения тары, превращенном в импровизированную студию. Там, сжимая сумку и наклонившись к микрофону (точнее, к телефонной трубке, оснащенной рупором, сделанным из старой деревянной коробки из-под сигар), Мельба, лучшее в мире сопрано, пела в сопровождении небольшого рояля. По округе тотчас разнесся слух, что приехала звезда, и вскоре на улице начала собираться возбужденная толпа поклонников, которую местные полицейские отчаянно пытались успокоить.

Трансляция имела грандиозный успех. И в Лондонском Императорском военном музее, и в Хрустальном дворце, где проводилась Всемирная выставка 1851 года, инженеры установили беспроводные телефонные аппараты, и любой мог подойти и прослушать концерт. Нелли спела вальс из “Нимфы и Сильвана” Германа Бемберга и “Addio” из “Богемы”, а закончила гимном Великобритании. Ее голос был слышен даже там, где Берроуз и не рассчитывал, — в Персии и на острове Ньюфаундленд. Позже певица рассказала журналистам, что это было самое замечательное приключение в ее жизни.

Истинные масштабы триумфа обнаружились только через несколько дней и даже недель. Письма-поздравления сыпались со всего мира. На приемной станции, установленной на Эйфелевой башне в Париже, голос Мельбы воспроизвелся так чисто, что его записали прямо на граммофонный диск, который позже использовали для изготовления пластинок с записью концерта.

Это уникальное действо финансировал лорд Нортклифф, технофил и собственник газеты “Daily Mail”, слегка страдавший манией величия. На следующий день газета описала это событие так: “Искусство и наука пожали друг другу руки”. (Кстати, именно лорд Нортклифф, большой специалист по рекламным кампаниям, сформулировал один из центральных принципов журналистики: “Новости — это то, что кто-то хочет скрыть, всё остальное — реклама.)” Всплеск интереса к радио в обществе превзошел все ожидания.

Вряд ли Томас Хиггс, живший в другом конце страны, в портовом Бристоле, ничего не слышал об этой исторической трансляции. Незадолго до сего знаменательного события он вернулся домой из Франции, где задержался после окончания Первой мировой войны, в которой участвовал в качестве военного переводчика. Хиггс получил диплом электротехника в Бристольском университете и считал, что будущее за радио. Наверняка трансляция концерта Мельбы вызвала у него восторг, хотя джаз ему нравился больше, чем опера.

Гульельмо Маркони, дедушка радио, говорил, что в один прекрасный день в каждом доме будет установлен беспроводной приемник. Однако, до этого было еще далеко. Концерт Нелли Мельбы стал одной из первых попыток трансляции развлекательных программ. Энтузиастам новых технологий еще предстояло убедить общественность, что по радио можно слушать не только унылые голоса дикторов, читающих мрачные новости, большая часть которых уже появилась в сегодняшних газетах, но и веселые, развлекательные передачи.

Однако любой человек с хорошим слухом понимал, что, когда дойдет дело до трансляций концертов, возникнет множество технических проблем. Дело в том, что качество воспроизведения было пока еще недостаточно хорошо для передачи богатого и сложного звучания оркестра, ансамблей музыкальных инструментов, игры музыкантов в концертном зале или соборе. Поначалу звук фортепиано и других инструментов имел металлический оттенок. Например, Перси Скоулз, редактор старейшего музыкального британского журнала “Musical Times”, так описал трансляцию скрипичного концерта: “Звук инструмента — не протяжный, а громкий и металлический — просверлил в моем черепе дырку, как при трепанации”³¹. Он советовал своим читателям, по крайней мере в ближайшее время, не использовать радио для прослушивания серьезной музыки.

Низкое качество музыкального радиовещания заставило ведущие радиокомпании срочно начать соответствующие исследования. В 1922 году эти компании слились и образовали Британскую радиовещательную компанию ВВС (Би-би-си). Берроуз, назначенный руководителем этих исследований на только что созданной Би-би-си, призвал своих коллег найти способ передачи реальных звуков инструментов и акустики концертных залов. Инженеры переделали микрофоны, улучшили электрические схемы и добавили разные звуковые трюки вроде эха и реверберации. Методом проб и ошибок они нашли способы сбалансировать звучание медных, духовых и струнных инструментов в оркестре. Постепенно радиотрансляции стали воспроизводить красоту и утонченность живых выступлений и дали возможность насладиться ими людям, никогда прежде такой возможности не имевшим³².

Вся эта история выглядела столь заманчивой, что обидно было в ней не поучаствовать, и в 1923 году Томас Хиггс сделал шаг, положивший начало его профессиональной карьеры. Годом ранее ВВС приступила к вещанию из Лондона, а в других крупных городах, таких как Бирмингем и Манчестер, были созданы региональные станции. Вот Хиггс и устроился работать на подобную станцию в Ньюкасле, на северо-востоке Англии. В его функции входило “балансировать и контролировать” — он должен был следить, чтобы музыка аутентично передавалась через эфир.

Это было время невероятного расцвета радиовещания. В течение нескольких лет радиостанцию Би-би-си стали слушать по всей Великобритании. Количество выданных радиолицензий возросло почти до двух миллионов. Такая ситуация сложилась незадолго до того, как вновь созданная вещательная компания вступила в конфликт с правительством. Всеобщая забастовка 1926 года, вызванная экономическим спадом в угольной промышленности, вынудила многие газеты сократить свои тиражи. Это позволило радио — живому и не требующему больших затрат по сравнению с газетами — заполнить информационный вакуум. Радио рассказывало о кризисе — информационные бюллетени выходили в эфир пять раз в день.

Растущая независимость Би-би-си раздражала канцлера Уинстона Черчилля, который призвал премьер-министра Стэнли Болдуина взять компанию под государственный контроль³³. И только умное лоббирование со стороны генерального директора Би-би-си Джона Райта сохранило компанию. В следующем году радиовещательной компании была дарована Королевская хартия, и она стала называться Британской радиовещательной корпорацией.

К 1929 году радиовещание в мире уже вполне утвердилось, и не за горами была новая революция в СМИ — телевизионная. На Лондонской радиотрансляционной станции ВВС 2LO разрабатывались планы по запуску первой ежедневной телевизионной трансляции с использованием несовершенного механического дисплея Джона Лоуги Бэрда со сканированием в 30 линий. Главного инженера ВВС эти планы очень пугали³⁴. Качество движущихся изображений было настолько плохо, что он даже выступил против пробного вещания — побоялся, что зрители разочаруются и не захотят смотреть телевизор.

В среду 29 мая того года все британцы думали только о выборах. Правительство Болдуина было на волоске от провала. Впервые в выборах, которые должны были состояться на следующий день, участвовали три кандидата, кроме того, впервые допускались к голосованию женщины до 30 лет! Но в доме Хиггса о выборах говорили мало. В тот день Томас и его жена Гертруда с которой он познакомился еще в Бристоле, праздновали рождение первого и единственного своего ребенка, Питера.

Радиовещание — яркий пример того, как понимание законов природы может дать толчок техническому прогрессу, меняющему жизнь людей на земле. Если вам когда-нибудь понадобится аргумент в пользу необходимости фундаментальных — оторванных от реальности — исследований, то история создания радиовещания — самый убедительный из аргументов.

Все началось с Дафти — так одноклассники прозвали будущего юного Джеймса Максвелла. Тогда, в годы его учебы в эдинбургской школе, над ним часто посмеивались за сильный дамфрисширский акцент и “эксцентричную деревенскую” внешность, и его грубые самодельные башмаки только усугубляли впечатление³⁵. Но Максвелл был гений. Его работы проложили дорогу всем современным средствам связи, от радио и цифрового телевидения до мобильных телефонов и спутниковой навигации.

Когда мы чествуем великих людей и говорим о замечательном наследстве, которое они нам передали, мы рискуем потерять из виду их реальные достижения. Восторгаясь технологиями, основанными на работах Максвелла, можно не заметить концептуальный прорыв, лежащий в основе его достижений. Максвелл выдвинул две основные идеи, которые во многом сформировали современную физику. Обе они играют ключевую роль в истории с Хигедгсом. Во-первых, это введенное Максвеллом понятие “поля”, которое считалось в то время спорной и бездоказательной концепцией³⁶. Вторая его замечательная идея — способ работы в науке. Максвелл показал, что секрет великих открытий — в установлении связи между, казалось бы, не связанными друг с другом природными явлениями. Идея оказалась настолько плодотворной, что стала рабочей философией ученых.

В 1860 году в возрасте 29 лет Максвелла уволили с должности профессора физики в Маришальском колледже в Абердине (несмотря на то, что он был женат на дочери ректора), после чего молодой ученый перебрался в Королевский колледж в Лондоне, заняв там аналогичную должность. Время, проведенное Максвеллом в Королевском колледже, было, возможно, наиболее плодотворным периодом в его жизни, и именно там он занялся проблемами электричества и магнетизма. Его интерес к ним вызвали эксперименты Майкла Фарадея, которые тот проделал несколькими годами ранее. Фарадей брал катушку с намотанным на сердечник проводом в одну руку и магнитный стержень в другую. Когда он вдвигал магнит внутрь катушки, в катушке возникал электрический ток, а когда держал магнит неподвижно, ток исчезал. Фарадей описал эффект так: “Движущийся магнит создает электрическое поле”.

Из поразительных экспериментов Фарадея было ясно: электричество и магнетизм как-то связаны, но вот как? Этого не знал никто. И тогда Максвелл решил понять, можно ли их связать математически. Формулы, которые он вывел, показали, что электричество и магнетизм не только связаны, но фактически являются двумя сторонами одной медали. На бумаге уравнения Максвелла выглядят экзотичными и абстрактными, но, если подставить в них числа, они начинают жить! Итак, они показывают, что движущийся магнит создает электрическое поле. Но это только начало. Вновь созданное электрическое поле создает собственное магнитное поле, а то, в свою очередь, другое электрическое поле. И так далее. Колебания электрического и магнитного полей провоцируют друг друга, бесконечно распространяясь в пространстве...

Однако Максвелл этим не ограничился. Пораженный чудесными колебаниями электромагнитного поля, он пошел дальше. А как быстро поля удаляются от своих источников? Ответ был ошеломляющим: они распространяются со скоростью света! Увидев, что этот ответ получается из расчета, сделанного им в тетрадке, Максвелл, должно быть, почувствовал волнение, известное только тому, кто первым раскрыл какую-либо из глубоких тайн природы, — ведь он предположил, что колебания электромагнитного поля и есть свет.

Благодаря работам Максвелла концепция полей получила твердое обоснование. Этим он заложил необходимую основу для работы Питера Хиггса, использовавшего поля для объяснения природы массы. Позже Эйнштейн воздал должное Максвеллу, открывшему глаза ученым на важность понятия поля, написав: “Это изменение концепции описания реальности является самым глубоким и плодотворным из тех, что физика испытала со времен Ньютона³⁷.”

Ученые получили и другой великий урок от Максвелла³⁸. В поисках связи между двумя разными явлениями — электричеством и магнетизмом — Максвелл раскрыл глубинные тайны природы. То, что началось с попытки объяснить опыты Фарадея, закончилось созданием теории света. Вслед за этим пришло открытие других видов электромагнитных волн, в том числе радиоволн, которые и разнесли голос Нелли Мельбы над Челмсфордом и передали первые нечеткие изображения в телевизионные устройства образца 1920 года.

Работы Максвелла поставили перед учеными, размышлявшими о природе материи, новую задачу. В то время преобладала ньютоновская модель мироздания, то есть считалось, что все в природе может быть объяснено в терминах вещества, принимающего ту или иную форму. Веришь в это — и нет необходимости во введении полей, ведь с помощью законов Ньютона можно описать всю материю и движение космоса как единую гигантскую механическую систему.

Очевидный конфликт идеологий возникал при определении сущности света. Ньютон утверждал, что луч света — поток крошечных частиц, или корпускул, а Максвелл говорил, что свет — волны. Тут возникал вопрос: что такое распространение волн? Какова природа электромагнитного поля? Эти вопросы ставили в тупик и самого Максвелла. Реакция тогдашних ученых показывает, как трудно поколебать хорошо укоренившиеся в науке представления. В поисках ответа было предложено ввести понятие эфира — странной формы материи, которой якобы заполнена вся Вселенная³⁹. Световые волны, говорили защитники сей идеи, — это волны сжатия в эфире, подобно тому как звуковые волны — в воздухе.

Чтобы убедиться в существовании эфира, нужно было провести некоторые исследования. Ученые знали, что звуковые волны распространяются быстрее в жидкостях, чем в воздухе, и еще быстрее в твердых телах. Они также знали о невероятно большой скорости света. Отсюда следовало, что если свет представляет собой волны сжатия в эфире, то эфир — действительно некое экзотическое вещество, причем невидимое и не мешающее движению планет, ведь даже малейшее сопротивление полету этих небесных тел привело бы к их торможению и в конце концов — к весьма грациозному падению по спирали на Солнце.

Многие полагают, что введение эфира было серьезным заблуждением, но не будем столь категоричны. Детально разработанные неверные концепции иногда приносят пользу, заполняя бреши в нашем понимании природы. В лучшем случае заблуждения в науке какое-то время играют положительную роль, в худшем же они существенно тормозят прогресс подобно тому, как удачный выстрел не всегда способен остановить движение солдата, но зато может сделать его продвижение вперед мучительно болезненным и медленным.

Чудеса природы часто приводят в качестве доказательств грандиозной работы Бога, так было и с эфиром⁴⁰. Если бы он реально существовал, то должен был бы иметь немыслимые размеры, обладать абсолютной прозрачностью и другими свойствами, которые трудно согласовать друг с другом. Для людей религиозных взглядов, а Максвелл был верующим человеком, было очевидно — только Господу под силу создать такое вещество. Лорд Кельвин, выдающийся ученый того времени, не сомневался, что свет распространяется в виде волн сжатия в эфире. (Впрочем, он также считал, что у радио нет никакого будущего, и утверждал, что идея создания пассажирских самолетов может прийти в голову только людям с куриными мозгами — понятно, что такие самолеты никогда не оторвутся от земли⁴¹.) Пример Кельвина очень красноречив. Мы видим, что научные теории в будущем часто оказываются неправильными, а кроме того, ученые редко понимают, какую технологию завтра может породить их сегодняшнее открытие.

Максвелловская теория света поставила концепцию поля на прочную основу и тем самым заложила фундамент теории Хиггса. Но, чтобы Хиггс смог совершить свой прорыв в науке, понадобился еще более драматический поворот событий. Квантовая революция началась через двадцать лет после смерти Максвелла, и первый ее этап закончился в год рождения Хиггса. Ни в одну другую эпоху физики не пребывали в таком замешательстве, а сама наука физика никогда не была столь противоречива.

Величайшие научные революции порой начинаются с кажущихся на первый взгляд малозначительными экспериментов. Квантовая физика началась с наблюдения за изменениями цвета печи по мере нагрева. Этот эксперимент был не самым эффектным событием в истории науки, но он породил одну из самых важных теорий в физике XX века. Для обычного ученого этот эксперимент, возможно, так и остался бы незначительным. Но Макс Планк, усатый физик из Берлинского университета, был далеко не обычным человеком — он был просто одержим желанием понять законы природы. Эйнштейн писал, что Планком движет “голод души”⁴². Говорили, что его страсть познания была сродни страсти влюбленного.

В автобиографии Планк, размышляя о своем отношении к науке, писал: “Крайне важно понять, что внешний мир есть нечто совершенно независимое от человека, нечто абсолютное, и поиски законов, которые управляют этим абсолютным миром, всегда казались мне самой возвышенной задачей науки”⁴³. Планк, возможно, лучше, чем кто-либо другой, понимал, что реальность, с которой мы сталкиваемся изо дня в день, является проявлением действия бесчисленных законов, управляющих игрой невидимых микроскопических объектов.

Все вокруг нас поглощает и излучает энергию в виде электромагнитных волн. Когда люди выделяют тепло, энергия излучается в виде инфракрасных волн. Эти волны невидимы для человеческого глаза, но могут быть зарегистрированы инфракрасной камерой типа тех, что используются полицией для слежки за преступниками в темноте. В эксперименте, который заинтересовал Планка, использовались печи, специально предназначенные для изучения теплового излучения.

Планк не должен был делать эксперименты сам. Он был физиком-теоретиком и анализировал данные, полученные его друзьями, работавшими в университетской лаборатории. Его задачей было найти объяснение результатов, и для этого он должен был разобраться, почему по мере нагрева печь меняет свой цвет.

Итак, нагреваясь, печь сначала становилась тускло-красной, затем ярко-красной, потом оранжевой, желтой и наконец блестяще-белой. Выходит, цвет напрямую связан с температурой, причем так строго, что по цвету можно определить температуру печи. Значит, размышлял Планк, изменение цвета указывает на “нечто абсолютное” — тут присутствует какая-то фундаментальная тайна природы. Чтобы цвет излучения менялся так, как он менялся, печь, нагреваясь, должна испускать волны со все более короткой длиной (красный свет имеет большую длину волны, чем оранжевый, а тот — большую, чем желтый), при этом диапазон длин волн испускаемого излучения расширяется. При самых высоких температурах печь испускает белый свет — светится сразу всеми цветами радуги.

Время от времени наука совершает скачок лишь благодаря интуиции ученого, а как раз интуиции у Планка было в избытке. Однажды вечером он вывел математическую формулу, почти идеально описывающую экспериментальные результаты по излучению печи. Уравнение Планка оказалось настолько точным, что, когда ученые усовершенствовали установку, результаты, полученные с ее помощью, стали описываться этим уравнением еще лучше.

И тогда Планк задумался: почему его формула так хорошо описывает эксперимент? В чем тут секрет? Он знал, что количество световой энергии, которое печь излучает в равновесном режиме, определяется ее температурой. Чем горячее печь, тем больше энергии она излучает. Планк понял, что вопреки существовавшим ранее представлениям коротковолновый свет должен нести большую энергию, чем длинноволновый. Когда печь едва теплая, она может излучать только красный свет, но при более высоких температурах у нее достаточно энергии, чтобы светиться оранжевым, желтым или даже голубым.

Настоящая магия в открытии Планка обнаружилась позже. Он понял, что его формула работает, только если энергия, излучаемая печью, представляет собой поток крошечных импульсов или пакетов. Количество энергии в каждом волновом пакете зависит от цвета. У пакетов красного света меньше энергии, чем у пакетов синего света. Позже эти волновые пакеты световой энергии стали называть квантами.

Планк опубликовал свои поистине революционные результаты в 1900 году — то был для него весьма неплохой год, а ведь, когда Планку было 17 лет, все советовали ему найти себе занятие поувлекательнее физики, поскольку тогда считалось, что основные задачи этой науки уже решены!

Планк сделал свое открытие случайно. И в тот момент никто, и даже он сам, не понимал, насколько оно важно. Планк считал свою теорию скорее математическим трюком, чем правильным описанием физического явления. Легко понять, почему ученый осторожничал — его теория противоречила общепризнанной работе Максвелла, описывающей свет как непрерывную электромагнитную волну.

А первым оценил значимость теории Планка Альберт Эйнштейн — ему, кстати, тогда было всего двадцать с небольшим. В 1905 году Эйнштейн понял, что если он истолкует понятие кванта буквально, то сможет объяснить одну из загадок физики того времени — так называемый фотоэлектрический эффект⁴⁴. Лабораторные эксперименты показали, что, если освещать светом фотокатод в вакуумном приборе, в нем при замыкании цепи может возникнуть электрический ток, причем наиболее ярко эффект проявлялся при облучении фиолетовым светом, зато полностью отсутствовал при облучении красным.

Эйнштейн рассудил, что электроны не вылетают с поверхности металла, пока количество поглощенной ими энергии меньше определенного значения. Ток возникает только тогда, когда падающий свет состоит из квантов со сравнительно большой энергией, достаточной для преодоления электронами работы выхода. Вы можете направить прожектор на кусок металла, но вам не удастся выбить из него ни одного электрона, если вы освещаете светом неправильного цвета, — его кванты несут слишком мало энергии. Это все равно что играть в ярмарочную игру “бросание шаров в кокосовые орехи” (типа игры в кегли), кидая в мишени мячи для пинг-понга. Бросай сколько хочешь, но кокос не пошевелится, пока вы не запустите в него что-то более весомое. За использование концепции квантов для объяснения фотоэлектрического эффекта Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Его работы ясно показали, что идея представления потока энергии как потока квантов должна восприниматься всерьез. Очень скоро квантовая теория стала основным направлением в теоретической физике. Через четыре года после объяснения фотоэффекта Эйнштейн существенно развил ее и показал: кванты света обладают еще и импульсом, что делает их полноправными частицами. Ученые работали над квантовой теорией еще на протяжении трех десятилетий, пока она не превратилась в стройную теорию, объясняющую процессы, происходящие внутри атомов.

Работы Планка и Эйнштейна показали, что микромир, мир атомов, подчиняется совсем иным законам, чем те, что Ньютон написал для макромира и которые согласуются с нашим повседневным опытом. Законы Ньютона прекрасно годятся для описания больших предметов вроде автомобилей и пушечных ядер, но в мире атомных частиц действуют другие правила — странные и противоречащие общепринятым понятиям. Поведение строительных блоков материи просто невозможно понять без понимания законов квантового мира.

Когда рождалась квантовая физика, ученые еще мало что знали о структуре атома. В модели, предложенной Эрнестом Резерфордом и Нильсом Бором, атомы состояли из твердых ядер, окруженных электронами, которые вращались вокруг ядер по концентрическим орбитам. В 1913 году Бор понял, что квантовая интерпретация движения электронов по орбитам позволяет объяснить длину волны (цвет) света, поглощаемого и излучаемого газообразным водородом. Это была очень специальная работа, но она окончательно убедила физиков, что идея квантов дает ключ к пониманию строения материи.

На протяжении более чем десяти лет работы в области квантовой физики носили фрагментарный и отрывочный характер, а ученым требовалась полная квантовая теория, объясняющая поведение любой частицы в любом атоме или молекуле. Успех принесли четыре года, с 1925-го по 1929-й, четыре года интенсивной работы, завершившиеся созданием “квантовой механики” — раздела квантовой теории, описывающей процессы, происходящие в мире атомов.

Вернер Гейзенберг, 24-летний физик из Геттингенского университета, был первым, кто добился тогда серьезных успехов. В конце мая 1925 года Гейзенберг жестоко страдал от сенной лихорадки. Нужно было срочно уехать — туда, где ничего не росло и не цвело. Отпросившись у своего руководителя Макса Борна в отпуск на две недели, Гейзенберг отправился на Гельголанд, небольшой остров в Северном море, который милостью Божьей был лишен всяческих цветов и трав. Когда он приехал — с жутко распухшим лицом и слезящимися глазами, — хозяйка гостиницы решила, что его избили в драке, и предложила подлечить молодого постояльца. Из окна его номера на втором этаже Гейзенбергу открылся чарующий вид на деревню, песчаные дюны и бескрайнее море.

К этому времени Гейзенберг разочаровался в результатах физиков, бьющихся над проблемами квантовой теории, и решил начать все заново. Единственное, что он использовал в своих расчетах, — это свойства атомов, полученные в лабораторных экспериментах, например длины волн света, поглощаемого или испускаемого газами, или иначе — атомные спектры⁴⁵. Расположив данные в виде таблицы, Гейзенберг решил описывать процессы поглощения и излучения света с помощью прыжков электронов с одних энергетических уровней в атоме на другие. Поглощая свет, электроны прыгают на более высокий уровень; падая вниз, испускают его снова.

Это была блестящая идея — использовать атомные спектры для понимания структуры атома. Облучи атом светом, и он будет поглощать волны, длина которых соответствует энергии, необходимой, чтобы забросить электроны на более высокую орбиту. А когда электроны снова падают вниз, выделяется энергия и испускается свет той же длины волны, что и при поглощении. По длинам волн поглощенного и излучаемого света можно определить энергетическую структуру электронных орбит атома.

По мере того как работа Гейзенберга продвигалась вперед, стала проясняться механика атома⁴⁶. Волнуясь, он делал множество ошибок, нервничал. “Я был сильно взволнован, — писал он о своем пребывании на Гельголанде. — У меня было ощущение, что сквозь пелену множества беспорядочных атомных явлений я увидел удивительно красивую картину, и тогда я почувствовал легкое головокружение”. Наконец Гейзенберг завершил первый расчет, выполненный с помощью своей новой (матричной) техники. Случилось это в 3 часа ночи. Слишком возбужденный, чтобы спать, он вышел из дома и побрел к южной оконечности Гельголанда, вскарабкался на скалу, которая торчала над морем, и дождался восхода солнца.

Когда Гейзенберг вернулся в Геттинген, Макс Борн просмотрел его математические выкладки и понял, что теория верна. Вскоре они втроем (третьим стал молодой теоретик Паскуаль Иордан) доработали теорию, превратив ее в то, что потом стало известно как матричная механика. Называлась она так потому, что используемые термины записывались в виде таблиц или матриц.

Работа Гейзенберга была первым настоящим вариантом квантовой механики, а вскоре появился на свет и второй. В преддверии Рождества 1925 года австрийский физик Эрвин Шрёдингер, тогда работавший в Университете Цюриха, снял на несколько недель живописный заснеженный домик в Австрийских Альпах. Там он начал работать над собственной квантовой теорией. Шрёдингер, как всегда, пригласил с собой в путешествие свою старинную подругу, оставив жену Анни дома⁴⁷. Анни была не из тех, кто любит жаловаться, да и Шрёдингер для нее всегда был выше критики. Кроме того, у нее тоже был любовник — ближайший друг и коллега мужа по университету математик Герман Вейль.

Шрёдингер использовал совершенно иной подход, чем Гейзенберг. Его отправной точкой была идея, выдвинутая годом ранее французским физиком Луи де Бройлем, который утверждал, что электроны ведут себя как волны⁴⁸. Шрёдингер провел в трудах все рождественские каникулы — каждый шаг вперед давался ох как нелегко! 27 декабря он написал своему другу мюнхенскому физику Вилли Вину, лауреату Нобелевской премии 1911 года: “На данный момент я борюсь с новой атомной теорией. Если бы я знал лучше математику! Однако я настроен весьма оптимистически в отношении этой штуки и рассчитываю, что, если только... смогу справиться с ней, будет очень красиво”.

Ко времени возвращения в Цюрих Шрёдингер превратил расплывчатую концепцию де Бройля в новую версию квантовой механики. Вместо непонятных гейзенберговских матриц Шрёдингер в своей теории использовал известное физикам уравнение, очень похожее на волновое. Впервые ученые получили точную квантовую формулу, которую они могли бы использовать для описания частиц в любом атоме или молекуле. (Кем бы ни была спутница Шрёдингера в то Рождество, трудно удержаться и не поразмышлять, на такое ли романтическое приключение она рассчитывала...)

Появление двух версий квантовой механики привело к тому, что новая эра в физике началась некрасиво⁴⁹. Между Гейзенбергом и Шрёдингером всегда существовала неприязнь. Увидев матричную механику, Шрёдингер сказал, что ее вид “обескуражил, если не отвратил его”. Оценка Гейзенбергом теории Шрёдингера, известной под названием “волновая механика”, была не более лестной: “Чем больше я думаю о ней... тем более отталкивающей ее нахожу”. Теории раскололи физическое сообщество на два враждующих лагеря, причем без серьезной на то причины. Выяснилось, что, хотя теории выглядели на бумаге очень разными, по существу они различались мало. Математик может вывести одну из другой. Судьба оказалась более благосклонной к теории Шрёдингера, и она была принята большинством физиков — не в последнюю очередь потому, что математический аппарат, использованный в ней, был им уже хорошо знаком.

При всей своей красоте уравнение Шрёдингера имело существенный недостаток. Казалось, оно не согласуется со специальной теорией относительности Эйнштейна, которая совершила революцию в умах ученых в 1905 году. Недостаток был серьезным: если использовать уравнение Шрёдингера для описания частиц с очень большими энергиями, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, результаты будут заведомой чушью.

Объединение квантовой механики с теорией относительности считается одним из наиболее важных достижений физики XX века. Эту заключительную высоту взял Поль Дирак, сын эмигранта из Швейцарии, который изучал инженерное дело в Бристольском университете на год раньше Томаса Хиггса⁵⁰. Когда Томас Хиггс переехал в Ньюкасл и начал работать на Би-би-си, Дирак был приглашен в Кембриджский университет и там с головой погрузился в изучение работ Эйнштейна и пионеров квантовой механики — Гейзенберга и Шрёдингера.

В конце 1927 года в возрасте 25 лет Дирак вывел уравнение, которое многие физики считают одним из самых красивых в истории науки. Его и сейчас можно увидеть высеченным на мемориале Дирака в Вестминстерском аббатстве. Оно примирило квантовую механику с теорией относительности, а также объяснило важное свойство электронов — спин (магнитный момент). Уравнение даже содержало намек на существование частиц с таким загадочным свойством, как отрицательная энергия (масса). Несколько лет спустя, в 1932 году, Карл Андерсон, физик из Калифорнийского технологического института, подтвердил озадачившее всех предсказание Дирака, открыв положительно заряженные электроны — позитроны. Это был первый пример того, что мы сейчас называем антиматерией⁵¹.

Дирак — неудавшийся инженер, ставший выдающимся физиком, — совершил один из величайших переворотов в истории квантовой механики⁵². В это время Фримен Дайсон был маленьким мальчиком и жил в Винчестере, в Южной Англии. Позже, когда он вырос и сам стал ученым, он возвел Дирака на пьедестал. Его открытия Дайсон описывал так: “В великих работах других пионеров квантовой физики было больше изъянов, они были менее совершенными. Его великие открытия были похожи на изысканные мраморные статуи, падавшие с неба одна за другой. Казалось, он был в состоянии сотворить чудо — вывести законы природы из чистой мысли, и именно эта его способность сделала его уникальным”.

Благодаря работам Дирака стало возможно описание всех известных в настоящее время видов материи во Вселенной. Его открытия позволили физикам разработать “квантовую теорию поля”, определившую поведение электронов и фотонов, и создать Стандартную модель, описывающую все известные сегодня элементарные частицы.

Работа на Би-би-си означала каждодневную готовность переезда туда, где вы нужны в тот или иной момент. Через год после рождения Питера семья Хиггса перебралась в Бирмингем, а затем вернулась в Бристоль, куда Хиггсы прибыли за несколько дней до бомбардировки в Страстную пятницу 1941 года. Когда руководство Би-би-си снова перевело Томаса Хиггса в другое отделение, Питер и его мать остались в Бристоле. Там Питер поступил в Котамскую городскую среднюю школу, которая оказала на него большое влияние, в частности при выборе специальности.

Когда Великобритания вступила во Вторую мировую войну, Питер Хиггс решил пойти по стопам своего отца. Он любил языки, и больше всего ему нравились математика и химия, а уроки физики он считал неинтересными. Это было вызвано в основном тем, что многие из молодых и более продвинутых преподавателей ушли на фронт, и Питер и его одноклассники попали в руки старых, закосневших в рутине учителей. Когда дело дошло до сдачи экзаменов на аттестат, Хиггс получил награды по английскому, французскому, латыни, математике и химии — только в физике он не преуспел.

День в школе обычно начинался с утреннего собрания. Хиггс привык стоять в задних рядах, где коротал время за чтением имен, выбитых на огромном стенде, занимавшем большую часть стены. То были имена самых известных выпускников школы. Как-то Питер заметил, что одно имя значилось среди отличников по разным дисциплинам. Это был Поль Дирак, единственный лауреат Нобелевской премии, когда-либо закончивший это учебное заведение. Символично, что, когда Хиггс поступал в школу, ее директор собирался в отставку, а когда Дирак заканчивал школу, он только что занял этот пост.

Хиггс восхищался Дираком. Своей страстью к физике Хиггс обязан Дираку больше, чем любому из отцов-основателей квантовой механики. В школе его учитель английского языка призывал читать больше, особенно популярные книги Артура Эддингтона, Джеймса Джинса и Альберта Эйнштейна.

Одна из историй, описанная Эддингтоном, произошла 29 мая 1919 года, за десять лет до рождения Хиггса⁵³. У Эддингтона созрел гениальный план. Он понял, что природа сама дает способ проверки общей теории относительности Эйнштейна, которая утверждает, что массивные объекты создают гравитационные поля, искривляя пространство вокруг себя. Эддингтон быстро собрался и отправился в плавание на крошечный остров Принсипи у западного побережья Африки. Он и его коллеги прибыли как раз вовремя, чтобы стать свидетелями полного затмения Солнца.

Солнце имеет большую массу, чем все остальные небесные тела в Солнечной системе. Если бы это было не так, планеты вращались бы вокруг другого небесного тела. Если Солнце действительно искривляет пространство, то, когда Луна на короткое время затмит Солнце, эффект должен проявиться в сдвиге в обычном расположении звезд. Звезды, конечно, останутся на своих местах, но лучи света, испускаемые ими, вслед за пространством также искривятся, проходя вблизи Солнца, что и создаст видимость сдвига звезд. Так оно и получилось. Наблюдения Эддингтона были опубликованы через год, и на первых полосах всех газет появились сообщения об убедительном доказательстве теории Эйнштейна.

Хиггс читал запоем. Рассказы Эйнштейна, Эддингтона и других физиков захватили его воображение. А ведь физика, которую он учил в школе, казалась такой скучной! Видно, все интересное, думал Хиггс, в школьную программу не вошло...

За годы войны приоритеты науки изменились настолько, что в результате она оказала непосредственное влияние на исход войны. Сначала, когда в Германии победил нацизм, еврейские ученые либо потеряли работу, либо переехали в другие страны и стали работать там. Европейские физические школы в Берлине, Геттингене и Копенгагене фактически были уничтожены. Из других городов ученые тоже уехали. Эйнштейн переехал в Принстон, штат Нью-Джерси. Макс Борн — в Кембридж, а затем в Эдинбургский университет, Нильса Бора тайно перевезли в бомбовом отсеке бомбардировщика Королевских воздушных вооруженных сил в Великобританию, а затем он перебрался дальше — в Америку⁵⁴. Эрвин Шрёдингер надеялся обустроиться в Оксфорде, но его туда не пустили — университетским властям не понравилось, что он живет с двумя женщинами одновременно. А Гейзенберг, который родился в Вюрцбурге, в Северной Баварии, остался в Германии. Впоследствии он стал директором Института кайзера Вильгельма в Берлине.

Фундаментальные физические исследования на время войны были фактически приостановлены. В обоих воюющих лагерях ученые участвовали в технических проектах, призванных помочь военным. Немцы занимались ракетами, британцы изобретали радар. Компьютерная техника выросла на задворках разработок алгоритмов взламывания шифров. Впервые стали производить в массовых количествах пенициллин, что спасло бесчисленное количество жизней.

За время войны ученые сильно продвинулись в ядерной физике. Уже было известно, что в реакциях деления при расщеплении атомов урана и других элементов выделяется энергия и при соответствующем умении можно инициировать цепную реакцию, в которой выделится огромная энергия из бесчисленного количества атомов, и тогда возникнет разрушительный взрыв.

Поль Дирак провел военные годы в Кембридже — был профессором математики на кафедре Лукаса. Это та самая должность, которую более чем за 250 лет до него занимал Исаак Ньютон, а 40 лет спустя — Стивен Хокинг. Вначале Дирак некоторое время работал над секретной технологией изготовления оружейного урана, который отправляли ученым, участвовавшим в Манхэттенском проекте — программе по созданию американской атомной бомбы. Руководителем проекта был Роберт Оппенгеймер. Работы велись в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико. Дирак всячески старался избегать исследований, связанных с военной тематикой. В то время в Кембридже ему сильно досаждал чрезвычайно способный, но вечно нарушающий общепринятые нормы поведения студент по имени Фримен Дайсон. Он обожал во время отключения электричества при воздушной тревоге забираться на крышу колледжа. А еще — забрасывать Дирака самыми разными вопросами. Иногда казалось, что это для него любимый вид спорта. Однажды Дирак даже прервал свою лекцию на середине и отправился искать ответ на очередной дайсоновский вопрос.

Теория деления ядра была разработана в 1938 году, почти за год до того, как началась Вторая мировая война. Немецкие ученые во главе с Отто Ганом, бомбардируя уран пучками нейтронов, обнаружили, что его атомы делятся и возникает два более легких элемента⁵⁵. В реакции высвобождалась энергия, а также образовывались нейтроны, причем их было больше, чем в падающем пучке. Но тогда эти нейтроны могут быть использованы для расщепления еще большего числа атомов урана, при этом испустится еще больше нейтронов. Важно, что в каждом акте реакции деления выделяется все больше и больше энергии.

Работа Гана основывалась на экспериментах итальянского физика Энрико Ферми, выполненных несколькими годами ранее в Риме. Ферми обнаружил, что в лаборатории можно создать радиоактивные элементы при бомбардировке урана нейтронами, но, насколько он мог видеть, ни в одном из его экспериментов не возникало деления урана. В то время большинство физиков думали, что нейтроны слишком “слабы”, чтобы расщепить атом на два более легких элемента, — они просто “осядут” в атомах и утяжелят их. За свою работу по “наведенной радиоактивности” в 1938 году Ферми был удостоен Нобелевской премии. В том же году он и его жена — еврейка Лаура — покинули Италию и направились в Нью-Йорк, сбежав от фашистского режима Бенито Муссолини.

Прибыв в Америку, Ферми стал участником Манхэттенского проекта. Теперь местом его работы была лаборатория с ничем не примечательным на званием — Чикагская металлургическая лаборатория. Ферми и его новые коллеги должны были построить под старым университетским стадионом ядерный реактор. 2 декабря 1942 года Джеймсу Конанту, руководителю комитета национальных оборонных исследований, поступил звонок от директора Чикагской лаборатории Артура Комптона У него были потрясающие новости! Комптон произнес: “Итальянский мореплаватель только что высадился в Новом Свете”. Эта фраза могла означать только одно — в реакторе Ферми получена цепная реакция, высвободившая энергию атома. Начиналась эпоха атомной энергии.

В следующем году Фримен Дайсон покинул Кембридж — он получил место аналитика в оперативном исследовательском отделе командования бомбардировочной авиации Королевских военно-воздушных сил, расположенном в лесу на холме недалеко от Бекингемшира и занимавшем несколько зданий из красного кирпича. Дайсон снял жилье в соседней деревне и каждое утро проезжал пять миль на мотоцикле; иногда его обгонял лимузин Королевских военно-воздушных сил, возивший в офис его босса, сэра Артура Харриса, прозванного Бомбардировщиком. Работа Дайсона состояла в том, чтобы сделать бомбардировочные рейды безопаснее, увеличить эффективность бомбежек старинных городов Германии, дабы нанести им максимальный ущерб. Позже он признавался, что эта работа сделала его экспертом в том, “как более экономно убить еще сто тысяч человек”.

Хиггсу было почти (без нескольких недель) 16 лет, когда в Великобританию пришла весть о капитуляции Германии. Премьер-министр Уинстон Черчилль в присущем ему драматическом стиле, но при этом с благородной сдержанностью объявил согражданам о прекращении огня. “Мы можем позволить себе короткий период ликования, но давайте не забывать ни на минуту, что нас ждет впереди много дел, поскольку вероломная и алчная Япония остается непокоренной”, — сказал он. Бристоль и другие британские города захлестнула волна ликования. Когда в пабах кончилось пиво, люди, одетые в красные, белые и синие одежды, продолжили празднества на улицах — до поздней ночи они танцевали и пели вокруг костров.

А еще через три месяца наступил настоящий финал — страшный, трагический, с демонстрацией нового ужасного оружия. Утром 6 августа 1945 года американский бомбардировщик “Энола Гэй” освободился от своего 9000-фунтового груза над портовым городом Хиросима на крупнейшем японском острове Хонсю. Груз падал 43 секунды и взорвался на высоте 2000 футов. Внутри бомбы сначала взорвался небольшой обычный заряд вблизи хвостового стабилизатора. Взрыв продвинул к металлическому цилиндру с ураном, расположенному вблизи носовой части бомбы, урановую трубу, соединенную с передней частью снаряда. Когда они встретились и была достигнута критическая масса, из сжатого взрывом инициатора в уран полетели нейтроны. Началась цепная реакция. Первые нейтроны расщепили несколько ядер урана, получившиеся вторичные нейтроны расщепили следующие ядра, нейтронов стало еще больше. По мере того как реакция набирала обороты, высвобождалась огромная энергия, и в конечном итоге бомба разорвалась в небе. “Энола Гэй” отлетел уже почти на двенадцать миль когда его тряхнуло взрывной волной. Через несколько секунд она отразилась от земли, и пришла вторая ударная волна. Экипаж оглянулся назад — город был накрыт облаком, похожим на огромный гриб.

Новости о бомбардировке в тот же день стали известны немецким ученым, которые в начале года были взяты в плен и интернированы в Фарм-Холл, расположенный на окраине Кембриджа. Среди них были Отто Ган и Вернер Гейзенберг. Ган был безутешен. Он чувствовал себя ответственным за гибель сотен тысяч людей. Позже он говорил, что хотел покончить жизнь самоубийством, узнав, что его работы по делению ядер воплотились в реальную бомбу. Расшифровки прослушанных разговоров других ученых, чьи работы сделали возможным создание бомбы, также свидетельствуют об ужасе, их охватившем, и нежелании верить в то, что произошло⁵⁶.

Вернер Гейзенберг слушал и не верил. Он думал, что потребуются годы, чтобы создать бомбу, и был убежден, что сообщение американцев — пропагандистский трюк. Но оказалось, что он сделал серьезные ошибки в расчете критической массы урана, необходимой для цепной реакции и поэтом переоценил трудности в создании бомбы. В хиросимской бомбе в реакции участвовал только килограмм, или около двух процентов заложенного в нее урана, но этого было достаточно, чтобы уничтожить часть города в несколько квадратных миль и убить десятки тысяч человек.

Обсуждения в Фарм-Холле показали, что пережили ученые, когда выяснились последствия их работы. Отто Ган утешал другого немецкого ученого, Вальтера Герлаха: “Зря вы расстраиваетесь, что не мы сделали урановую бомбу. Я на коленях благодарю Бога за это”. На что Герлах ответил: “Вы не могли остановить работу над бомбой. Я боялся думать о ней, но все-таки думал как об угрозе будущему миру, ведь человек, который угрожает бомбой, сможет добиться всего, что угодно”.

В своем интервью в телевизионном документальном фильме 1980 года Фримен Дайсон, описывая смешанные чувства, испытываемые им в отношении бомбы, как обычно, был честен и беспристрастен: “Я сам чувствую притягательность идеи ядерного оружия. Этому нельзя сопротивляться, если вы подходите к проблеме как ученый. Чувствуете, что это в ваших руках. Получить энергию, питающую звезды. Подчинить ее вашей воле. И для сотворения этих чудес запустить миллионы тонн руды в небо — все это дает людям иллюзию безграничной власти, и все наши беды — в некоторой степени — плата за это. Я бы сказал, что наши чувства можно назвать “техническим тщеславием, которое охватывает людей, когда они видят, что могут сделать мощью своего интеллекта”⁵⁷.

Бомбардировки Хиросимы, а позже — Нагасаки — привели к тому, что в Бристольском университете был прочитан курс лекций по физике деления ядер и научным аспектам атомной бомбы. Эти лекции посещал и Питер Хиггс. Часть студентов была в восторге от того, какое воздействие работы по ядерной физике оказали на ход истории. Других это отвратило. “Бомбы, сброшенные на Японию некоторых людей втянули в занятия теоретической физикой, но масса других бросили науку”, — говорил позже Хиггс. — Тогда я начал понимать, что происходит, и решил в будущем избегать всего, что имеет отношение к вооружению”.

В конце войны на физику стали смотреть по-новому. Война показала, что открытия в этой области науки непосредственно влияют на ход исторических событий. Цена медлительности, неспособности совершить открытие или использовать его оказалась чрезвычайно велика. Когда народы пришли в себя после войны, физика была возведена на пьедестал. Пришло время новому поколению ученых двинуться дальше в изучении квантового мира и взяться за разгадку природы массы.