Текст книги "Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания"

Поиск простоты

Для меня истинная красота физики заключается не только в абстрактных уравнениях или поразительных результатах экспериментов, но и в фундаментальных принципах, которые лежат в основе существования мира. В них не меньше красоты, чем в потрясающем закате или великом произведении искусства – в картине Леонардо да Винчи или сонате Моцарта. Это красота, которая заключена не в удивительной глубине законов природы, а в обманчивой простоте объяснения того, как они работают (если нам это известно)[4]4
  Конечно, красота не обязательно связана с простотой. Как и в случае с великими произведениями искусства, красота может заключаться и в сложности какого-то физического явления.


[Закрыть].

И прекрасный пример тому – поиск основных структурных элементов материи, которым человечество занимается давно и долго. Оглянитесь вокруг. Подумайте об огромном разнообразии материалов вокруг нас: бетон, стекло, металл, пластик, дерево, ткани, пищевые продукты, химические вещества… а еще то, из чего состоят растения, кошки, люди… Миллионы различных веществ, причем каждое обладает своими отличительными свойствами, включая сжимаемость, твердость, текучесть, блеск, гибкость, теплоту, холодность… Если бы мы ничего не знали о физике или химии, то можно было бы представить, что большинство материалов имеют мало общего друг с другом; однако мы знаем, что все вокруг состоит из атомов и число видов этих атомов ограничено.

Однако это не все. О структуре материи размышляли еще в V веке до нашей эры в Древней Греции. Эмпедокл впервые предположил, что материя состоит из четырех основных «элементов» (теория «четырехкратных корней всего»): земли, воды, воздуха и огня. В противоположность этой простой идее и примерно в то же время два философа, Левкипп и Демокрит, высказали предположение, что материя состоит из невидимых глазу «атомов». Однако эти две идеи противоречили друг другу. Демокрит считал, что материя в конечном счете состоит из основных структурных элементов; он думал, что таких атомов может быть бесчисленное множество. Между тем Эмпедокл, который предполагал, что все вокруг состоит из четырех элементов, утверждал, что эти элементы непрерывно перетекают друг в друга и могут бесконечно делиться на более мелкие сущности. И Платон, и Аристотель поддерживали последнюю теорию и отвергали атомизм Демокрита, считая, что упрощенный механистический материализм не объясняет всего разнообразия красоты и форм окружающего мира.

То, чем занимались греческие философы, не было истинной наукой в ее современном понимании. Кроме нескольких известных исключений – Аристотеля, занимавшегося наблюдениями, и Архимеда, проводившего эксперименты, остальные строили отвлеченные и философские теории. Тем не менее сегодня со всем инструментарием современной науки мы знаем, что обе теории (атомистическая и четырех элементов) были, по крайней мере по духу, не так уж далеки от истины. Все вещество, образующее наш мир, включая человеческое тело и все, что мы видим в космосе – Солнце, Луну, звезды, – действительно состоит менее чем из сотни разного рода атомов. Мы также знаем, что атомы обладают внутренней структурой. Они состоят из микроскопических плотных ядер, окруженных электронным облаком, а само ядро состоит из более мелких элементов, протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, образуются из еще более простых элементов под названием «кварки».

Таким образом, несмотря на кажущуюся структурную сложность материи и бесконечное разнообразие веществ, образованных из химических элементов, правда в том, что древние ученые в своих поисках простоты остановились на полпути. В понимании сегодняшней физики вся видимая материя образована не четырьмя элементами, предсказанными еще греками, а тремя элементарными частицами: «верхним» кварком, «нижним» кварком и электроном. И всего-то. Все остальное – детали.

И все же задача физиков не только в классификации того, из чего состоит мир. Она еще и в том, чтобы найти правильные объяснения для наблюдаемых нами природных явлений, а также принципов и механизмов, лежащих в их основе. Хотя древние греки страстно спорили о реальном существовании атомов или абстрактной связи между материей и формой, они никакого понятия не имели о том, почему происходят землетрясения или откуда берется молния, не говоря уже о таких астрономических явлениях, как фазы Луны или периодические появления комет, – хотя они пытались это понять.

Со времен древних греков мы прошли большой путь, однако есть еще многое, что нам предстоит понять и объяснить. Физика, о которой я расскажу в этой книге, – это в основном то, в чем мы уверены. Я все время буду пояснять, почему мы в этом уверены, и отмечать то, что еще требует уточнения. Естественно, я понимаю, что в какой-то своей части эта книга скоро устареет. Действительно, может случиться, что на следующий день после ее публикации будет сделано какое-нибудь открытие, которое заставит нас отчасти пересмотреть свои идеи. Но такова уж природа науки. В основном же все, о чем идет речь в книге, описывает мир таким, как он есть, и это уже, несомненно, установлено.

В следующей главе я исследую понятие масштаба. Ни одна наука не обращается так смело, как физика, с таким диапазоном масштабов, параметров времени и энергий, от мельчайшего мира квантов до огромного космоса или от мига до вечности.

После того как мы получим некоторое представление о масштабе явлений, с которыми имеет дело физика, мы пустимся в настоящий путь, начав с трех столпов современной физики: теории относительности, квантовой механики и термодинамики. Чтобы нарисовать картину мира, которую мы получили с помощью физики, мы должны сначала приготовить холст – а в данном случае это пространство и время. Все во Вселенной берет начало из событий, которые происходят где-то в пространстве в определенный момент времени. Однако, как мы увидим в главе 3, нельзя отделить холст от картины. Пространство и время сами по себе являются нераздельной частью реальности. Вы будете поражены, когда узнаете, насколько понимание пространства и времени у физиков отличается от обычного, бытового их понимания, поскольку оно опирается на общую теорию относительности Эйнштейна, которая описывает природу пространства и времени и определяет, как мы представляем себе космическую ткань. Когда готов холст, можно переходить к краскам. В главе 4 я расскажу, что имеет в виду физик под материей и энергией, основными элементами Вселенной; из чего они состоят, как они создаются и как себя ведут. Эта глава дополняет предыдущую, поскольку здесь речь пойдет и о том, как материя и энергия неразрывно связаны с пространством и временем, в которых они существуют.

В главе 5 мы погружаемся в мир чрезвычайно малого, подвергая его многократному увеличению, чтобы исследовать фундаментальные структурные элементы материи. Это квантовый мир, в котором материя ведет себя совершенно не так, как в нашей обыденной жизни, а наше понимание реально существующего становится не совсем однозначным. И все же… то, как мы понимаем квант, – это нечто гораздо большее, чем взлет воображения или просто интеллектуальная абстракция; без определенного знания законов, действующих для структурных элементов материи и энергии, мы не смогли бы построить современный высокотехнологичный мир.

В главе 6 мы снова уберем увеличение, оставим квантовый мир и посмотрим, что получится, если соединить много частиц в единое целое, формируя более крупные и сложные системы. Что имеют в виду физики, когда говорят о порядке, беспорядочности, сложности, энтропии и хаосе? Здесь я познакомлю вас с третьим столпом физики – термодинамикой, которая занимается исследованием тепла, энергии и свойств массивов материи. Перед нами неизбежно встанет вопрос: что же делает особенной жизнь как таковую? Чем живая материя так отличается от неживой? В конце концов, жизнь должна подчиняться тем же законам, что и все остальное. Другими словами, может ли физика помочь нам понять разницу между химией и биологией?

В главе 7 я исследую одно из самых сложных физических понятий – унификацию. Оно связано с тем, как мы искали и неоднократно находили универсальные законы, которые объединяют на первый взгляд несовместимые явления природы в рамках единой универсальной теории. В заключение этой главы я дам обзор первых попыток создания всеобъемлющей физической теории всего.

В главе 8 мы доберемся до границ того, что мы сейчас понимаем о физической Вселенной, и сможем наконец обратить свой взор на неизведанное. Я расскажу о некоторых тайнах физической Вселенной, над которыми сейчас бьются физики в разных странах мира, и о том, насколько мы близки к их раскрытию.

Предпоследняя глава посвящена тому, как взаимодействие теории и практики в физике привело к возникновению технологий, которыми мы активно пользуемся сегодня. Например, без квантовой механики мы не смогли бы понять работу полупроводников или изобрести силиконовый чип, на котором основана вся современная электроника, а я бы не печатал эти слова на своем ноутбуке. Я также попробую предсказать, как современные исследования в области квантовых технологий могут самым неожиданным образом революционизировать мир.

В последней главе я исследую понятие научной истины, особенно в нашем обществе «постправды», когда многие относятся к науке с подозрением. Как процесс научного исследования отличается от прочих видов человеческой деятельности? Есть ли такая вещь, как абсолютная научная истина? И если задача науки заключается в том, чтобы прояснить картину окружающего мира, то как ученым убедить остальных членов общества в ценности научного поиска, состоящего в формировании и проверке, а также отказе от гипотез, если данные их не подтверждают? Придет ли науке конец в один прекрасный день, когда мы узнаем все, что можно узнать? Или поиск ответов и далее будет заставлять нас работать над все более широким кругом проблем?

Во введении я обещал вам, что постараюсь не увлекаться философскими размышлениями, и все-таки именно этим я сейчас занимаюсь, а ведь я даже не завершил еще введение. Так что сейчас я сделаю глубокий вдох, и мы отправимся в путь, соблюдая всяческую осторожность и учитывая необходимый масштаб явлений.

Глава 2. Масштаб

В отличие от философии, логики и чистой математики физика является наукой одновременно эмпирической и количественной[5]5
  Для полноты картины я должен добавить, что пару десятков лет назад появилась новая дисциплина под названием «экспериментальная философия».


[Закрыть]. Она основывается на тестировании и верификации научных идей посредством воспроизводимых наблюдений, измерений и экспериментов. Хотя физики могут периодически выдвигать экзотические и диковинные математические теории, их подлинная эффективность и потенциал определяются тем, в какой мере они описывают явления реального мира, которые, в свою очередь, могут использоваться для их тестирования.

Именно поэтому Стивен Хокинг так и не получил Нобелевскую премию за свою работу об излучении энергии черными дырами – явлении, известном как излучение Хокинга, – опубликованную им в середине 1970-х; ведь Нобелевские премии присуждаются только за теории или открытия, которые получили экспериментальное подтверждение. Точно так же Питеру Хиггсу и другим, кто высказал предположения такого же рода, пришлось ждать целых полвека, когда существование бозона Хиггса было подтверждено с помощью Большого адронного коллайдера.

Именно в этом причина того, что физика как научная дисциплина начала по-настоящему развиваться только тогда, когда были изобретены приборы и инструменты, необходимые для проверки верности физических теорий посредством наблюдения, экспериментов и количественных измерений. Возможно, древние греки и были прекрасными мыслителями, развившими такие науки, как философия и геометрия, до уровня сложности, который практически соответствует сегодняшнему, но – за исключением Архимеда – они не особенно известны своей склонностью к экспериментам. Физика как наука достигла настоящей зрелости только к XVII веку – в большой степени благодаря двум приборам, имеющим решающее значение для всех точных наук: телескопу и микроскопу.

Если бы мы могли понимать только тот мир, который виден невооруженным глазом, мы бы недалеко ушли в изучении физических явлений. Диапазон волн, который «видит» глаз человека, – это лишь небольшая область всего электромагнитного спектра. Причем наш глаз может воспринимать только такие объекты, которые не слишком малы по размеру и находятся на ограниченном расстоянии. Хотя при условии, что до нашего глаза доберется достаточное количество фотонов (и при условии, что у них нет для этого ограничений по времени), мы должны быть способны видеть до бесконечности – это вряд ли позволило бы нам разглядеть все необходимые детали. Однако изобретение микроскопа и телескопа открыло нам окно в мир, увеличив все слишком малое и приблизив все слишком далекое. И это стало прорывом в науке. Наконец-то мы получили возможность проводить наблюдения и подробные измерения, проверять верность наших теорий и уточнять их.

Седьмого января 1610 года Галилей направил свою усовершенствованную трубу на небо и навсегда опроверг постулат, что мы являемся центром Вселенной[6]6
  Конечно, историки науки будут спорить с этим утверждением. Галилей предложил свою гелиоцентрическую теорию не сразу, он сначала высказал только некоторые положения, наводящие на эту мысль (например, о лунах Юпитера).


[Закрыть]. Он увидел четыре спутника Юпитера и сделал совершенно верный вывод, что гелиоцентрическая модель Коперника истинна и Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Наблюдая космические тела на орбите Юпитера, он доказал, что не все небесные тела вращаются вокруг нас. Земля является не центром Вселенной, а просто одной из планет, вращающихся вокруг Солнца наряду с Юпитером, Венерой и Марсом. Этим открытием Галилей положил начало современной астрономии.

Но его открытие стало прорывным не только в астрономии. Оно позволило подвести основательный фундамент под само понятие научного метода. Отталкиваясь от работы средневекового арабского физика Ибн аль-Хайтами, Галилео «математизировал» саму физику. Разрабатывая математические отношения, которые описывают – а по сути, предсказывают – движение тел, он однозначно доказал, что книга природы «написана на математическом языке»[7]7
  Цитата из знаменитой книги Галилея «Пробирных дел мастер» (итал. Il Saggiatore), опубликованной в Риме в 1623 году.


[Закрыть].

В это же время Роберт Гук и Антони ван Левенгук с помощью микроскопа открыли новый мир совершенно иного толка. Знаменитая книга Гука под названием «Микрография», опубликованная в 1665 году, содержит поразительные изображения миниатюрных объектов, которые до этого никто никогда не видел, – от глаза мухи и волосков на спине вши до отдельных клеток растений.

Сегодня линейка масштабов, доступных для научного исследования, поражает воображение. Электронные микроскопы позволяют видеть отдельные атомы размером в одну десятую миллионной доли миллиметра в поперечнике, а гигантские телескопы дают возможность заглянуть в самые дальние уголки видимой Вселенной, находящиеся на расстоянии 46,5 миллиарда световых лет[8]8
  Самый дальний видимый с Земли свет с самого края видимой Вселенной достигает Земли за 13 миллиардов лет и показывает нам, какова была Вселенная, когда она была моложе. Однако из-за расширения Вселенной источники этого света находятся уже гораздо дальше, чем 13 миллиардов световых лет.


[Закрыть]. Никакая другая наука не изучает явления в таком широком диапазоне. Да что там разрешение до отдельных атомов – ученые из Университета Сент-Эндрюс в Шотландии недавно показали мне нечто сногсшибательное. Они придумали способ измерения длины световой волны с помощью прибора под названием «волномер», причем с точностью до одного аттометра, то есть одной тысячной диаметра протона. Они пропустили лазерный луч через отрезок оптического волокна, что придало лучу зернистую фактуру, а затем проследили, как эта фактура меняется в зависимости от мельчайших изменений длины световой волны.

Между тем физика охватывает не только огромный диапазон размерностей; мы можем в этом же смысле говорить о времени, от мельчайших долей мгновения до космической бесконечности. Вот пример, поражающий воображение. В эксперименте, проведенном в 2016 году в Германии, физики измерили настолько короткий период времени, что его просто трудно себе представить. Они изучали явление под названием «фотоэлектрический эффект», при котором фотоны высвобождают электроны путем выбивания их из атомов. Этому процессу впервые дал правильное объяснение Эйнштейн в своей знаменитой работе, за которую много лет спустя он получил Нобелевскую премию (а не за открытие теории относительности, как вы, вероятно, думаете). Сегодня этот процесс выбивания электронов из различных материалов называется фотоэмиссией и используется для превращения солнечной энергии в электричество в солнечных батареях.

В эксперименте 2016 года были использованы два лазера. Первый, испускающий неимоверно короткий импульс ультрафиолетового диапазона, направили на струю газообразного гелия. Длительность этого импульса составляла всего десятитысячную долю триллионной части секунды, или 100 аттосекунд (10^–18 секунды)[9]9
  В одной секунде больше аттосекунд, чем прошло секунд после Большого взрыва.


[Закрыть].Второй лазер был менее мощный (с частотой в инфракрасном спектре), а длительность его импульса была несколько больше, чем у первого. Его задача – захват выбитых электронов, что позволило исследователям вычислить, сколько времени понадобилось для того, чтобы выбить эти электроны. Оказалось, что этот период еще короче и составил всего десятую долю первого импульса. Что интересно, выбитые электроны на самом деле слегка тормозили. Дело в том, что в каждом атоме гелия содержится два электрона, и те, что выбиваются из атома, ощущают воздействие своего оставшегося партнера, что пусть и ненамного, но все же тормозит процесс испускания. Поразительно, что длительность физического процесса, занимающего всего несколько аттосекунд, можно таким образом измерить в лаборатории.

В близкой мне области ядерной физики наблюдаются еще более скоростные процессы, хотя их скорость нельзя измерить непосредственно в лаборатории. Чтобы проанализировать различные структуры атомных ядер и процессов, происходящих при взаимодействии двух ядер, мы пользуемся компьютерными моделями. Например, первая стадия ядерного синтеза – когда, подобно двум каплям воды, сталкиваются два тяжелых ядра, образуя при этом еще более тяжелое ядро, – подразумевает стремительную перестройку протонов и нейтронов из обоих ядер в единое ядро. Этот квантовый процесс занимает менее цептосекунды (10^–21 секунды).

На противоположном конце временной шкалы космологам и астрономам удалось с поразительной точностью выяснить возраст (нашей области) Вселенной, и теперь мы совершенно уверены, что Большой взрыв произошел 13,8242 миллиарда лет назад (плюс-минус несколько миллионов лет). Некоторые могут считать нашу уверенность в точности этой цифры слишком большой смелостью – а тем более те, кто продолжает цепляться за средневековое представление о том, что Вселенной всего шесть тысяч лет; поэтому позвольте мне объяснить, как мы ее установили.

Для начала два допущения, которые я подробнее проанализирую позже; пока же скажу только, что оба они имеют убедительное практическое подтверждение: (1) законы физики работают одинаково во всей Вселенной и (2) пространство во всех направлениях неизменно (в смысле плотности и распределения галактик). Это придает нам уверенность в том, что для изучения всего космоса можно пользоваться наблюдениями, сделанными с Земли или со спутников на земной орбите. Это и позволило нам вычислить возраст Вселенной, используя несколько различных методов.

Например, многое можно узнать, изучая звезды в нашей Галактике. Мы знаем, сколько живут звезды в зависимости от их яркости и размера, что предопределяет, насколько быстро они выгорят в результате реакции термоядерного синтеза. Это значит, что можно вычислить возраст самых древних звезд и определить максимальный возраст Вселенной. Поскольку возраст самых древних звезд во Вселенной составляет около 12 миллиардов лет, наша Вселенная не может быть моложе.

Затем, измеряя яркость и цвет света далеких галактик, достигающего наших телескопов, можно вычислить, с какой скоростью расширяется наша Вселенная и как эта скорость менялась во времени. Чем дальше мы заглядываем, тем дальше уходим в прошлое, поскольку свету, который мы наблюдаем, нужны миллиарды лет, чтобы достигнуть Земли; таким образом, мы получаем информацию о далеком прошлом. А если мы знаем, с какой скоростью расширялась Вселенная, можно вернуться во времени к тому моменту, когда все было сжато в одной точке пространства, – это и есть момент рождения Вселенной.

С другой стороны, изучая мельчайшие температурные отклонения в далеком космосе (так называемый космический микроволновый фон), можно получить довольно точное представление о том, какой Вселенная была еще до образования звезд и галактик, всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Это дает возможность еще точнее определить ее возраст.

Однако одно дело – утверждать, что физика позволяет нам больше узнать о Вселенной в кратчайших и величайших временных и пространственных масштабах, другое дело – это то, что мы открыли законы, работающие везде, и это я считаю столь же замечательным. Возможно, вам это не кажется удивительным; возможно, для вас само собой разумеется, что законы природы работают не только в человеческом масштабе, но и в других пространственных, временных и энергетических масштабах. Однако это совсем не столь очевидно.

Чтобы рассмотреть этот вопрос более подробно, я введу еще три понятия, которые не всегда известны изучающим физику при всей их обязательности: понятия универсальности, симметрии и редукционизма.