Пространство вокруг таких тел — планет, звезд и т. д. — искривлено, а степень искривления зависит от массы тела. Поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества воздействует и на время. Поэтому в разных частях Вселенной время течет с разной скоростью. Общая теория относительности Эйнштейна полностью отвергает понятия абсолютного пространства и времени. Относительны не только все измерения; сама структура пространства-времени зависит от распределения вещества во Вселенной, а понятие «пустого пространства» теряет смысл.

Классическая же физика рассматривала движение твердых тел в пустом пространстве. Такой подход и сегодня возможен, но лишь по отношению к так называемой зоне средних измерений, т. е. в области нашего повседневного опыта, где классическая физика по-прежнему полезна. Оба представления — о пустом пространстве и твердых материальных телах — настолько укоренились в нашем мышлении, что нам трудно представить себе физическую реальность, где они неприменимы. И всё же современная физика, выходя за пределы зоны средних измерений, заставляет нас мыслить иначе. Выражение «пустое пространство» утратило смысл в астрофизике и космологии — науках о Вселенной, а понятие твердого тела было уничтожено атомной физикой — наукой о бесконечно малом.

В начале XX в. было обнаружено несколько явлений, связанных со структурой атома и необъяснимых с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей — нового вида излучения, быстро нашедшего применение в медицине. Но это не единственный вид излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия стали известны и другие, испускаемые атомами радиоактивных веществ. Явление радиоактивности дало доказательства составной природы атомов, продемонстрировав, что те не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы других элементов.

Эти явления не только активно изучались, но и использовались для глубокого проникновения в тайны природы, что было невозможно ранее. Так, Макс фон Лауэ при помощи рентгеновских лучей исследовал атомную структуру кристалла, а Эрнест Резерфорд[52] обнаружил, что альфа-частицы, исходящие от радиоактивных веществ, можно использовать в качестве высокоскоростных снарядов субатомного размера для исследования внутренней структуры атома. Атомы подвергались обстрелу альфа-частицами, а по траекториям их «отскока» после столкновения можно было делать выводы о том, как устроен атом.

В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц ученые увидели невероятно мелкие частицы — электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Они были привязаны к ядрам электрической силой. Непросто представить себе микроскопические атомы — настолько далеки они от наших обычных макроскопических представлений. Диаметр атома — примерно одна миллионная сантиметра. Представьте апельсин, увеличенный до размеров земного шара. Тогда атомы увеличились бы до размеров вишен. Мириады соприкасающихся вишен, упакованные в шар размером с Землю, — такова увеличенная картина атомов, из которых состоит апельсин.

Таким образом, атом во много раз меньше любого известного нам предмета, но гораздо больше ядра, находящегося в его центре. Ядро атома, увеличенного до размеров вишни, футбольного мяча или даже комнаты, было бы невидимо вооруженным глазом. Чтобы лицезреть его, нам нужно было бы увеличить атом до размеров купола собора Святого Петра в Риме. Тогда ядро было бы величиной с крупицу соли, а электроны — с пылинки.

Вскоре после появления этой «планетарной» модели атома было обнаружено, что химические свойства элемента зависят от числа электронов. Сегодня мы знаем, что можно составить периодическую таблицу химических элементов, последовательно добавляя протоны к ядру самого легкого атома — водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, а также соответствующее число электронов к «оболочке». Взаимодействие между атомами порождает различные химические процессы, и вся химия сегодня может быть представлена на основе законов атомной физики.

Их было нелегко открыть. Они были сформулированы лишь в 1920-е физиками разных стран: датчанином Нильсом Бором, французом Луи де Бройлем, австрийцами Эрвином Шредингером и Вольфгангом Паули и англичанином Полем Дираком. Объединив свои усилия наперекор всем государственным границам, они положили начало одной из самых волнующих эпох в современной науке: эпохе знакомства со странной и неожиданной реальностью мира атома. Каждый раз, когда ученые задавали природе вопрос в рамках очередного эксперимента, она отвечала им загадками. И чем больше они стремились прояснить ситуацию, тем более загадочными становились головоломки природы. Далеко не сразу физики поняли, что эти загадки и противоречия объясняются стремлением описывать явления атомной реальности в понятиях классической физики. Но, убедившись в этом, они стали иначе задавать природе вопросы, чтобы избежать противоречивых ответов. По словам Гейзенберга, «они как-то соприкоснулись с духом квантовой теории» и смогли четко и последовательно сформулировать ее в математическом виде.

Но даже после этого понятия, которыми оперировала квантовая теория, оставались неясными. Они потрясали воображение физиков. Раньше в своих экспериментах Резерфорд обнаружил, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из пустого пространства, в котором движутся очень маленькие частицы. Теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы тоже не имеют ничего общего с твердыми объектами классической физики. Субатомные частицы материи обладают двойной природой. В зависимости от того, как мы наблюдаем их, они могут представать перед нами и как волны, и как частицы (рис. 5). Такую же природу демонстрирует и свет, способный принимать вид как электромагнитных волн, так и частиц.

Рис. 5. Частица и волна

Это свойство материи и света очень необычно. Кажется невероятным, что что-то может одновременно быть частицей — единицей чрезвычайно малого объема, замкнутой в ограниченном пространстве, — и волной, «размазанной» по большому участку.

Это противоречие породило большинство напоминающих коаны парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Всё началось с открытия Макса Планка, показавшего, что энергия теплового излучения испускается не непрерывно, а «пакетами». Эйнштейн назвал их «квантами» и увидел в них основополагающий элемент природы. Он утверждал, что электромагнитное излучение может существовать не только в форме волн, но и в форме квантов. С тех пор кванты света рассматриваются как реальные частицы и называются фотонами. Они лишены массы и всегда движутся со скоростью света.