Текст книги "Основы реальности. 10 Фундаментальных принципов устройства вселенной"

Глава 3. Здесь очень мало составляющих

Еще детьми мы познаем разнообразие окружающего мира. Здесь есть другие люди, животные, растения, вода, почва, камни, ветер, Солнце и Луна, звезды, облака, книги, смартфоны и многое другое. Мы постепенно учимся разбираться с этими вещами, понимаем, как они могут воздействовать на нас, а мы – на них. Но мы редко придаем значение важному факту, что все многообразие вещей состоит из небольшого количества первичных строительных блоков. А ведь это одна из ключевых научных истин.

АТОМЫ И ВСЕ, ЧТО ЗА ИХ ПРЕДЕЛАМИ

Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались уничтожены и к грядущим поколениям перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов…[38]38
  Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М. Современная наука о природе. Законы механики. Пространство. Время. Движение. М.: АСТ, 2019. Т. 1. (Фейнмановские лекции по физике). Прим. пер.


[Закрыть]

Ричард Фейнман

У слова «атом» древнегреческий корень, означающий «неделимый». Долгое время ученые думали, что мельчайшие частицы, обмен которыми происходит при химических реакциях, – элементарные и неразделимые. Такие основные строительные блоки стали называть атомами, и это название за ними закрепилось.

Но когда люди начали изучать материю в условиях более разнообразных и не вполне типичных для химии, они обнаружили, что атом можно разделить на более мелкие части. Таким образом, рассматриваемый в химии атом, то есть объект, который так называют в большей части научной литературы, в истинном смысле атомом не является: это не элементарный строительный блок.

Традиционный химический атом состоит из электронов, окружающих ядро. Само ядро можно разделить на протоны и нейтроны. Но и это еще не конец истории. Лучшая современная модель мира строит атомы из электронов, фотонов, кварков и глюонов. И есть веские основания полагать, что это действительно так.

Эти открытия – важная часть основ, о которых я говорю в книге, и по своему духу они продолжают атомную гипотезу. Однако они предлагают изменить ее формулировку, а возможно, и название. Следует говорить не «Все состоит из атомов», а «Вся материя состоит из элементарных частиц». Но как бы ни формулировали эту гипотезу, ее основной вывод ясен: материю следует разобрать на как можно меньшие частицы. Сделав это правильно, вы сможете (мысленно) создать резервную копию и сконструировать физический мир.

Современная научная конструкция физической реальности, состоящая из нескольких простых составляющих, требует переосмысления как того, что мы понимаем под словами «простые составляющие», так и того, что значит «конструкция».

ПРИНЦИПЫ: РЕАЛЬНОСТЬ И ЕЕ КОНКУРЕНТЫ

Основные составляющие физической реальности – несколько принципов и характеристик, проявляющихся в том, что обычно называют элементарными частицами. Однако такие элементарные частицы существенно отличаются от любых объектов, с которыми мы сталкиваемся на опыте. Именно поэтому, чтобы разобраться, начнем с принципов и характеристик – атрибутов[39]39
  В философии атрибут – существенный, неотъемлемый признак предмета. Прим. пер.


[Закрыть] – материи.

Четыре (обманчиво) простых принципа

Функционирование мира строится на четырех простых, но неукоснительно соблюдаемых общих принципах. Сначала я перечислю их конспективно, а затем разъясню более обстоятельно.

1. Фундаментальные законы описывают изменения. Полезно разделить описание мира на две части: состояния и законы. Состояния показывают, что есть, а законы – как это меняется.

2. Фундаментальные законы универсальны. Они выполняются везде и всегда.

3. Фундаментальные законы локальны. Это значит, что поведение объекта в ближайшем будущем зависит только от текущих условий в его непосредственном окружении.

4. Фундаментальные законы точны. Они не допускают исключений. Соответственно, их можно сформулировать в форме математических уравнений.

Простота этих принципов обманчива. Они далеко не самоочевидны, а возможно, даже их истинность не абсолютна. Их особое значение – следствие не логической необходимости, а доказанности. Именно они помогли нам поразительно успешно описать функционирование физического мира, что и призвана задокументировать эта книга.

На протяжении всей истории у людей были самые разные точки зрения на то, как устроен мир. В мифах, сказаниях и – до недавнего времени – в трудах образованных ученых, философов и теологов находили отражение идеи, противоречащие одному или нескольким из перечисленных принципов. Например, астрологию, телепатию, ясновидение и черную магию объясняли некими мощными силами, действующими на больших расстояниях и в больших временных интервалах. Другие гипотезы – экстрасенсорика, телекинез, чудодейственность молитв и магическое мышление[40]40
  Магическое мышление – убеждение о возможности влияния на действительность посредством символических психических или физических действий и/или мыслей. Прим. пер.


[Закрыть] – родились из веры в нашу способность влиять на реальность усилием мысли. Большинство этих идей – «рациональное» развитие детских моделей мира. В их основе лежит убежденность, что разум отделим от тела, а наша воля может воздействовать на объекты и события. И подобные модели мира люди выстраивали веками.

За всю историю человечества лишь немногие стремились точно прогнозировать будущее. Мало кто вообще мог помыслить, что такое возможно. Однако именно эта возможность – главное в наших общих принципах, впервые четко сформулированных в семнадцатом столетии. И в этом суть научной революции.

Основная идея первого принципа проста: продуктивнее отвечать на вопрос «Что произойдет дальше?», чем на вопрос «Почему это происходит именно так?». Понять, что произойдет дальше, проще, поскольку благодаря второму и третьему принципам ответ может дать нам эксперимент. Иначе говоря, можно создать точную копию интересующей нас ситуации – то же самое состояние – и наблюдать, что с этой копией происходит.

В соответствии со вторым принципом (принципом универсальности) фундаментальные законы, выявленные в ходе таких экспериментов, всегда будут одними и теми же. А значит, ставить эксперименты можно где и когда угодно.

Третий принцип (принцип локальности) дает нам еще одно существенное упрощение: формулируя фундаментальные законы, нет необходимости принимать в расчет всю Вселенную или всю историю. Следовательно, при соблюдении необходимых мер предосторожности здесь и сейчас можно претендовать на соблюдение всех требуемых экспериментом условий.

И наконец, четвертый принцип (точность) затрагивает наше самолюбие. Он утверждает, что если формулировать фундаментальные законы на основе подходящих гипотез, то можно добиться краткого, но полного и точного описания. А еще это вызов: соглашаться на меньшее мы не должны.

В целом принципы подтверждают: путем экспериментов можно открыть точные, универсальные законы, управляющие изменениями физических объектов. Наука стремится к этому систематически и неустанно.

Эти фундаментальные принципы определяют стратегию совершения открытий. Мы начинаем изучать происходящее в строго определенных, простых ситуациях, которые можем много раз повторить. Затем можно попытаться исследовать что-то более сложное.

Дети, даже детеныши зверей, тоже используют эксперименты для встраивания в физическую реальность. Мы, люди, учимся бросать мяч, подносить ложку ко рту и тысячам других действий, позволяющих изменять физический мир. Мы делаем это, объединяя опыт, накопленный в разных местах и разных условиях. Ученые и люди, приобщившиеся к науке, в каком-то смысле переживают второе рождение. Но таким «детям» двигаться вперед помогают логическое мышление, приборы, расширяющие границы чувственного восприятия, и работа наших предшественников.

Ньютон и локальность

Ньютону не особенно нравилось одно из его величайших открытий. Согласно закону Ньютона, сила притяжения, с которой одно тело (назовем его телом B) действует на другое тело (назовем его A), действует мгновенно, без какой-либо задержки во времени, как бы далеко эти тела ни находились друг от друга. Это предполагает, что движение тела A нельзя предсказать, исходя только из условий в непосредственной близости от A, – в частности, надо знать, где находится тело B. Ньютон был очень разочарован этим выводом. В письме своему другу Ричарду Бентли он писал:

То, что тяготение должно быть врожденным, внутренне присущим материи и существенным для нее, дабы одно тело могло воздействовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства какого-либо агента, посредством и при участии которого действие и сила могли бы передаваться от одного тела к другому, представляется мне столь вопиющей нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее[41]41
  Данилов Ю. А. Ньютон и Бентли // Вопросы истории естествознания и техники. 1993. № 1. Прим. пер.


[Закрыть].

Ньютон понимал, что его закон всемирного тяготения нелокален – иными словами, он не соответствовал нашему третьему принципу, – и ему это очень не нравилось.

Для Ньютона и нескольких следующих поколений ученых этот очевидный недостаток был чисто теоретическим: на практике закон всемирного тяготения выполнялся удивительно точно. Можно сказать, что его недостатки имели эстетический или, для самого Ньютона, теологический характер. Казалось, это упущение Бога, вкус которого обычно безупречен.

Вера Ньютона в третий принцип – принцип локальности – оказалась на удивление провидческой. Начиная с середины XIX века, спустя много десятилетий после его смерти, физики начали заполнять пассивный «вакуум» – Ничто, или Пустоту, на которую жаловался Ньютон, – передающими силу субстанциями, которые мы называем полями. В современной физике фундаментальными кирпичиками, составляющими материю, являются поля, а не частицы[42]42
  Здесь мы вместе с Ньютоном забежали вперед и коснулись главной темы главы 4. Прим. авт.


[Закрыть].

Пример из практики: атомные часы

Атомные часы – великолепный пример действенности фундаментальных принципов.

Их ход задается колебаниями атомов. Физическое состояние определяет, как атомы меняются, а в данном случае – как быстро они колеблются (соблюдение первого принципа). Частота колебаний измерялась в разное время и в разных местах, и результаты всегда совпадали (соблюдение второго принципа), если в лабораториях предпринимались определенные меры предосторожности (использование третьего принципа). И, как уже говорилось раньше, частоты колебаний атомов измерены с удивительной точностью (соблюдение четвертого принципа).

И в этом случае, и в большинстве других экспериментов самое непростое – принять необходимые меры предосторожности. Чтобы получать надежные результаты, мы должны быть уверены: все сложные, точно настроенные приборы (лазеры, охлаждающая аппаратура, вакуумные камеры и большое количество электроники), предназначенные для захвата атомов и наблюдения за их поведением, работают стабильно. Эти приборы нужно предохранять от колебаний почвы, связанных с проезжающими по улице грузовиками и сейсмическим потряхиванием самой Земли. Нельзя позволить детям-шалунам или неосторожным студентам слоняться по лаборатории, прикасаясь к чему попало. Но суть третьего принципа в том, что все эти предосторожности и рутинные проверки температуры, влажности и так далее относятся только к локальным условиям. Например, грузовик может быть далеко, но существенны только колебания, ощутимые в лаборатории. А значит, не надо принимать во внимание далекие галактики, вспоминать, что происходило в прошлом, или думать о том, что произойдет в будущем.

В нашем случае главное – атомы. Какие непредвиденные изменения важно контролировать, чтобы получить воспроизводимые, высокоточные результаты, которыми славятся атомные часы? Во-первых, интересующие нас атомы необходимо удерживать отдельно от других – для этого предназначены охлаждающие аппараты и вакуумные камеры. А во-вторых, мы должны следить за электрическими, магнитными и гравитационными условиями, в которых находится атом, или, как говорят ученые, за значениями полей. Эти поля можно измерить локально, если следить за движением заряженных частиц и скоростью падения тел. Достаточно учесть значения этих величин и сделать соответствующие поправки. Как видите, список невелик. Теперь результатом измерений с очень высокой точностью будет неизменная частота атомных колебаний, а получив что-то другое, вы сделаете великое открытие, упущенное всеми прочими экспериментаторами!

С философской точки зрения важно отметить, что в таком подходе нет места каким-то гипотетическим сверхъестественным сущностям и мистицизму. Наш опыт с тонкими, сверхточными экспериментами создает большие трудности для тех, кто верит в способность разума непосредственно воздействовать на материю. Казалось бы, это прекрасная возможность произнести колдовской заговор, проявить экстрасенсорные способности и заработать вечную славу, продемонстрировав силу молитвы или визуализации желаний: строгий эксперимент помог бы зафиксировать любой малейший эффект. Но никто еще не преуспел на этом пути.

ЧТО МОГЛО ПОЙТИ НЕ ТАК, НО НЕ ПОШЛО

Прежде чем закончить разговор о фундаментальных принципах существования нашего мира, я проведу простой мысленный эксперимент: покажу, что было бы, если бы наши принципы оказались неправильными. Точнее, я опишу вероятные вселенные будущего, где они не соблюдаются.

Один из моих любимых мысленных экспериментов воплотился во многих научно-фантастических рассказах и в фильме «Матрица»[43]43
  «Матрица» (англ. The Matrix) – научно-фантастический боевик, снятый братьями Вачовски. Фильм вышел на экраны США в 1999 году и положил начало трилогии фильмов, а также комиксам, компьютерным играм и аниме по мотивам. Прим. ред.


[Закрыть]. Речь идет о неких разумных существах, игнорирующих свою физическую реальность. Для убедительности представим себе, что правы сторонники мощного искусственного интеллекта, допускающие нечто подобное в перспективе. Учитывая успешное развитие виртуальных технологий, звучит не так уж невероятно.

Пусть «органы чувств» таких гипотетических созданий – это не порталы в физический мир, а подаваемые на вход электрические сигналы. Таким образом, «внешний мир» наших существ – информационный поток, который они интерпретируют как ощущения, – на самом деле представляет собой длинные серии сигналов, генерируемых компьютерной программой. Поскольку «внешний мир» следует ее инструкциям, он может подчиняться любым правилам, навязанным программистом. В таком мире все наши принципы можно просто выбросить в корзину.

Мы можем также представить себе разумную, самостоятельно мыслящую версию Super Mario[44]44
  Super Mario – серия компьютерных игр в жанре платформер, издаваемых компанией Nintendo; часть медиафраншизы Mario. Первая игра в серии – Super Mario Bros. – вышла в 1985 году. Прим. ред.


[Закрыть], чья чувственная вселенная сосредоточена внутри мира игры. Наш Super Mario живет во вселенной, управляемой законами, зависящими от того, где он находится, – а именно от уровня, которого он достиг. В более общем случае это вселенная, где законы меняются в соответствии с непредсказуемыми сюрпризами, встроенными в игру программистом. Здесь не только странные правила, но есть еще и так называемые пасхальные яйца, которые намеренно эти правила нарушают.

Мы можем сконструировать мир, где истинна астрология: характер и судьба человека определяются положением звезд и планет в момент его рождения. Мы можем вставить это в программу. Мы можем запрограммировать существование монстров, неожиданно выпрыгивающих во время солнечного или лунного затмения. Мы можем разрешить персонажам произносить заклинания, немедленно поражающие находящихся на расстоянии врагов, – и к черту локальность. Используя случайные числа, мы можем ввести в программу шумы, делающие правила непредсказуемыми и неточными. Создатели компьютерных игр обожают подобные штучки.

Мы можем вообразить миры, где возможны чудеса и где они происходят в самом деле. Или миры, история которых, в соответствии с написанным сценарием, достигает предопределенной кульминационной точки. В основу всех таких миров ляжет теория разумного замысла[45]45
  Разумный замысел (англ. intelligent design, ID) – одно из направлений креационизма, в рамках которого утверждается, что живые организмы были созданы неким «разумным творцом» в их нынешней (или близкой к нынешней) форме. Научным сообществом «разумный замысел» признается псевдонаучной концепцией. Прим. ред.


[Закрыть].

Таким образом, в наших воображаемых мирах первый принцип будет вести к ошибочным умозаключениям, а другие окажутся в корне неверны. Подобные эксперименты напоминают, что сформулированные принципы необязательно справедливы и уж никак не очевидны. Тот факт, что физический мир, в котором мы сейчас живем, им подчиняется – поразительное открытие. Сделать его было нелегко, как нелегко и принять.

Каждый раз, когда я решаю поднять руку, происходит нечто, как будто бы противоречащее этим принципам. Даже грамматика предложения «Я решил поднять руку» говорит сама за себя: есть некое «я» – дух или воля, – которое диктует, как должна себя вести часть физического мира. Это иллюзия или по крайней мере взгляд на вещи, от которого трудно отказаться. Но сформулированные принципы требуют от нас думать иначе.

СВОЙСТВА: ЧТО ТАКОЕ МАТЕРИЯ?

[Лишь] в общем мнении существует цвет, в мнении – сладкое, в мнении – горькое, в действительности же [существуют только] атомы и пустота[46]46
  Демокрит в его фрагментах и свидетельствах древности / под ред. и с коммент. Г. К. Баммеля. М.: ОГИЗ; Государственное социально-экономическое издательство, 1935. Прим. пер.


[Закрыть].

Демокрит, фрагмент (ок. 400 г. до н. э.)

Можно сказать, что этот отрывок закладывает основы атомизма. Его вторая часть – «в действительности же [существуют только] атомы и пустота» – по сути, слова Фейнмана о том, что все состоит из атомов.

Утверждение Демокрита крайне смелое. Он отрицает объективную реальность того, что дано нам в ощущениях, – вкуса, тепла, цвета – всего, что непосредственным образом открывает нам доступ к физическому миру. Несомненно, он имел в виду, что реальность можно объяснить, используя как отправную точку базовые элементы: для него это были атомы, для нас – элементарные частицы, которые сами по себе не сладкие и не горькие, не горячие и не холодные и не цветные. Эти ощущения, полагал он, – тщательно обработанное краткое сообщение от элементарных частиц, занимающихся своими делами за кулисами. Но рассказывая нам, каких свойств у элементарных частиц нет или, по крайней мере, может не быть, Демокрит ставит важный и очень интересный вопрос: какие же свойства у них есть?

Собственный ответ Демокрита примерно таков: элементарным частицам присущи только форма и движение, ничего более. В целом он представлял их твердыми телами с крючочками. Наличие крючочков объясняло, как атомы, цепляясь друг за друга, образуют твердые тела или какие-то другие материалы. Демокрит считал, что элементарные частицы могут как спонтанно двигаться, иначе говоря «отклоняться», так и находиться в определенных предпочтительных положениях, – а жизнь в мире поддерживает результирующее напряжение между неугомонностью атомов и их стремлением к объединению. Поскольку из трудов Демокрита сохранилось только несколько фрагментов, точно установить, как он все это себе представлял, невозможно. Но я думаю, что суть мы уловили.

Современная наука дает свой ответ на этот вопрос. От ответа Демокрита он существенно отличается в деталях, но не менее дерзок, а в своей простоте даже более радикален. А главное, этот ответ зиждется на невероятном количестве экспериментальных свидетельств.

Итак, в соответствии с современными представлениями у материи три основные характеристики:

1) масса,

2) заряд,

3) спин,

которые и определяют все ее остальные свойства. И это все.

С философской точки зрения основной вывод таков: число характеристик очень мало и каждую можно точно измерить. И еще: как и предвидел Демокрит, связь между основополагающими свойствами материи – глубинной структурой реальности – и повседневным обликом вещей достаточно отдаленная. И хотя утверждение, что «[лишь] в общем мнении существует» сладость, горечь, тепло, холод и цвет, кажется мне слишком сильным, проследить непосредственную связь перечисленных свойств с первоисточником – массой, зарядом и спином – сложно.

Подробный рассказ о массе и заряде, как электрическом, так и цветном[47]47
  Цветной заряд – квантовое число в квантовой хромодинамике, приписываемое глюонам и кваркам. Название не имеет отношения к цветам, которые мы видим в повседневной жизни. Прим. ред.


[Закрыть], я перенес в приложение. Здесь же я расскажу немного о, возможно, наименее привычной характеристике – спине.

Если вы когда-нибудь играли с волчком, вам будет легче понять, что такое спин. Основная идея такова: спин элементарной частицы – идеальный, без трения волчок, который никогда не перестает вращаться.

Движение волчка, или гироскопа, вызывает у нас интерес, поскольку оно необычно для нашего повседневного опыта. Если говорить конкретнее, быстро вращающийся гироскоп противодействует попыткам изменить направление своей оси вращения: чтобы сделать это, нужно приложить большую силу[48]48
  Заметим, что при этом изменение направления оси вращения оказывается перпендикулярным приложенной силе. Прим. ред.


[Закрыть]. Мы говорим, что гироскоп обладает моментом инерции относительно оси вращения. Этот эффект используют для навигации самолетов и космических аппаратов, на борту которых есть гироскопы, помогающие им сохранять ориентацию.

Чем быстрее вращается гироскоп, тем эффективнее он сопротивляется попыткам изменить его ориентацию. Сравнивая силу с откликом на ее воздействие, можно определить меру момента инерции относительно оси вращения. Она называется угловой момент. Угловой момент больших, быстро вращающихся гироскопов большой, и они мало реагируют на приложенную силу.