Новый, более широкий подход к описанию и пониманию явлений природы начинается с осознания ограниченной применимости самих понятий абсолютного пространства, времени и причинности, на которых основывалась механическая картина природы. Первым толчком к этому, как известно, послужили утонченные оптические измерения. С их помощью было показано отсутствие эффектов, ожидаемых в связи с движением Земли вокруг Солнца, и установлено, что наблюдатели, движущиеся друг относительно друга с большими скоростями, воспринимают явления по-разному. Фактически такие наблюдатели не только получают различные представления о положении и форме твердых тел; события в разных точках пространства могут казаться одному из них одновременными, в то время как другой будет считать их происходящими в разные моменты времени.
Осознание того, в какой степени описание физического явления зависит от точки зрения наблюдателя, не вызвало замешательства или затруднений, но побудило заняться выяснением фундаментальных физических законов, общих для всех наблюдателей. Вряд ли необходимо напоминать об открытии Эйнштейном универсального соотношения между массой и энергией или глубоком переосмыслении идей Ньютона на основе подчёркивания эквивалентности действия гравитационных полей и ускорения системы с точки зрения наблюдателя. Общая теория относительности, которая расширила наш кругозор и придала нашей картине мира такое единство, какого ранее нельзя было и вообразить, несомненно, является одним из величайших триумфов рационального человеческого мышления.
Для обсуждаемой мною темы принципиальный интерес представляет тот факт, что математические обобщения, которые развивались вне связи с практическими применениями, а просто для достижения логической гармонии, оказались очень удобным инструментом для осуществления грандиозной программы Эйнштейна. Отказавшись не только от представлений об абсолютности пространства и времени, но и от эвклидовой геометрии в качестве основы физики, Эйнштейн обратился к рассмотрению криволинейной четырёхмерной римановой метрики, что автоматически привело его к объяснению гравитационных эффектов и особой роли скорости света, которая представляет собой верхний предел логически последовательного применения скорости как физического понятия. Математики к этому времени уже постепенно привыкли к абстракциям такого рода, разрабатывая неэвклидову геометрию и её различные модели.
Несмотря на все эти новые особенности, в теории относительности оказалось возможным сохранить и даже уточнить детерминистическое описание, характерное для классической физики. Однако в последние десятилетия в результате исследований атомной структуры материи, проведение которых стало возможным на основе новейших достижений экспериментальной техники, обнаружилась внутренняя ограниченность самого представления о причинности. Интересно отметить, что, хотя предположение об ограниченной делимости вещества восходит к древности, оно до недавнего времени рассматривалось как гипотеза, для которой не могут быть получены никакие прямые подтверждения. Большой прогресс химии и физики за последние столетия сделал атомистические идеи ещё более плодотворными; в частности, оказалось возможным разработать методы математической статистики для описания усреднённого поведения систем, состоящих из большого числа частиц, и таким образом объяснить эмпирически установленные законы термодинамики. Важным шагом в этом направлении было выяснение Больцманом общего соотношения между понятием энтропии и вероятностью того, что такая система характеризуется определённой степенью упорядоченности.
Это огромное достижение явилось ключом к анализу закономерностей теплового излучения, который был проведен Планком и в первый год нашего столетия привёл его к эпохальному открытию универсального кванта действия. Это открытие Планка, говорившее о том, что все физические процессы характеризуются несвойственными механистической картине природы чертами прерывности, вскрыло тот факт, что законы классической физики являются идеализациями, которые применимы к описанию явлений лишь тогда, когда участвующие в них величины размерности действия достаточно велики, чтобы можно было пренебречь величиной кванта. В то время как в явлениях обычного масштаба это условие выполняется с большим запасом, в атомных процессах мы сталкиваемся с закономерностями совершенно нового типа, которые не укладываются в рамки наглядного детерминистического описания. Прекрасными иллюстрациями этому служат известные дилеммы относительно свойств электромагнитного излучения и материальных частиц, основанные на том обстоятельстве, что в обоих случаях для полного описания экспериментальных данных в равной мере необходимы такие противоречащие друг другу картины, как волны и частицы.