Основы реальности. 10 Фундаментальных принципов устройства вселенной бесплатное чтение

Фрэнк Вильчек
Основы реальности. 10 Фундаментальных принципов устройства вселенной

Информация от издательства

Оригинальное название: Fundamentals. Ten Keys to Reality

Научный редактор Игорь Красиков

На русском языке публикуется впервые

Вильчек, Фрэнк

Основы реальности: 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной / Фрэнк Вильчек; пер. с англ. И. Кагановой, Т. Лисовской; [науч. ред. И. Красиков]. — Москва: Манн, Иванов и Фербер, 2021. — (Интеллектуальный научпоп).

ISBN 978-5-00169-884-5

Все права защищены.

Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Copyright © 2021 by Frank Wilczek. All rights reserved.

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Манн, Иванов и Фербер», 2021

Посвящается Бетси

ОТКРОВЕНИЯ^[1]

Из сотен, тысяч разных элементов

Плетется жизни ткань узорами моментов.

Рожденье, знания, любовь, седые годы —

Всё это крохи, что даны природой,

Даров непрошеных, непознанных оков.

Вселенной ширь, небесных тел движенье —

За гранью разума, игры воображенья,

В законе вечности и языке без слов.

Нам каждый час диктует перемены,

А мы бежим, но видим непременно,

Что далеко тот бег не уведет.

Нас прошлое влечет своим размахом,

Но бой часов нам с трепетом и страхом

Величие его передает,

А Время смотрит вслед и движется вперед.

Но сколько б мир ни открывал я вновь,

Ты мне дороже всех, с тобой моя любовь.

Предисловие. Заново родиться

I

Эта книга об основных уроках, доступных нам благодаря изучению физического мира. Я встречал немало тех, кто интересовался его устройством и жаждал узнать, что говорит о нем современная наука. Среди них были юристы, врачи, художники, студенты, учителя, родители — множество любопытных и умных людей, которым просто не хватало знаний. На этих страницах я попытался рассказать об основных идеях современной физики как можно проще, но не жертвуя точностью. Работая над книгой, я постоянно вел мысленные беседы со своими любознательными друзьями и вспоминал их вопросы.

Для меня ключевые принципы устройства физического мира — нечто гораздо большее, чем голые факты. Безусловно, сами по себе они и убедительны, и удивительно красивы, но и образ мыслей, приведший нас к ним, — тоже огромное достижение. И важно понять, что именно эти принципы говорят о том, как мы — люди — вписываемся в общую картину мира.

II

Я выбрал десять общих принципов устройства физического мира — тех, которые видятся мне ключевыми, — и посвятил каждому по главе. В основной части каждой главы я сначала объясняю тему и рассматриваю ее с разных точек зрения, а затем делаю некоторые обоснованные предположения о ее будущем. Строить эти предположения было увлекательно; надеюсь, что и вас они заинтересуют. Кроме того, с их помощью я стараюсь донести еще одну важную мысль: наше понимание мира не стоит на месте, а постоянно развивается.

Я старательно разграничиваю предположения и факты, а говоря о фактах, указываю способ их наблюдения и вид экспериментов, давших соответствующие результаты. Возможно, наиболее фундаментальный вывод таков: мы и в самом деле очень глубоко понимаем многие свойства физического мира. Альберт Эйнштейн сказал: «То, что [Вселенная] постижима, — это чудо». Это открытие тоже далось человечеству ценой больших усилий.

Именно потому, что постижимость Вселенной так удивительна, ее необходимо доказать, а не просто предположить. И самое весомое доказательство здесь — то, что наше понимание мироустройства, пусть и неполное, открыло нам путь к новым достижениям и делам, великим и невероятным.

Своими исследованиями я пытаюсь заполнить пробелы в нашем понимании мира и придумать новые эксперименты, раздвигающие границы возможного. Создавая эту книгу, я с удовольствием бросил взгляд назад и восхитился успехами, которых сообща достигли целые поколения ученых и изобретателей, живших в разное время и в разных странах.

III

Книга «Основы реальности», кроме того, предлагает альтернативу традиционным религиозным постулатам. Некоторые из затронутых здесь вопросов рассматриваются и в религии, но я обращаюсь к физической реальности, а не к священным текстам или традициям. Многие из моих героев-ученых — Галилео Галилей, Иоганн Кеплер, Исаак Ньютон, Майкл Фарадей, Джеймс Клерк Максвелл — были набожными христианами, представителями своего времени и своей среды. Они постигали и восславляли Бога, изучая Его творения. Взгляды Эйнштейна, человека в общепринятом смысле нерелигиозного, были похожими. Он часто говорил о Боге (или «Старике», как он называл его) в шутливой форме. Известен, например, его афоризм: «Господь Бог коварен, но не зол». Истинный смысл работы этих ученых — как и моей работы при написании этой книги — выходит за рамки догм, как религиозных, так и антирелигиозных. Мне нравится формулировать это так: изучая устройство мира, мы изучаем, как и что творит Бог, и тем самым узнаем, что Он есть. А значит, в каком-то смысле наш поиск знаний — это поклонение, а наши открытия — откровения.

IV

Написание этой книги изменило мое восприятие мира. «Основы реальности» задумывалась как изложение фактов, но переросла в размышление о них. Когда я обобщал материал, передо мной неожиданно возникли две всеобъемлющие темы, ясность и глубина которых меня поразили.

Первая тема — изобилие. Мир большой. Конечно, достаточно вглядеться в ясное ночное небо, чтобы понять, как велико пространство «вне нас». Когда после более тщательного изучения мы отражаем это величие в числах, от их громадности наш мозг вскипает. Но безграничность Вселенной — лишь один из аспектов изобилия Природы, причем не самый важный для человечества.

Прежде всего, как выразился Ричард Фейнман, «внизу полным-полно места»^[2]. В каждом из нас гораздо больше атомов, чем звезд в видимой Вселенной, а наш мозг содержит примерно столько нейронов, сколько звезд в нашей Галактике. Вселенная внутри нас не менее велика, чем Вселенная вовне.

Это касается не только пространства, но и времени. Масштабы космического времени поражают. Время, прошедшее с момента Большого взрыва, несопоставимо больше продолжительности жизни человека. И все же — мы поговорим об этом дальше — за свое короткое существование человек переживает гораздо больше ярких осознанных моментов, чем промелькнуло в истории вселенной человеческих жизней. Нам даровано огромное внутреннее время.

Физический мир также изобилует до сих пор не освоенными ресурсами для созидания и познания. Наука выяснила, что вокруг нас этих ресурсов и энергии гораздо больше, чем мы сейчас используем во всех известных и доступных формах. Осознание этого должно придать нам уверенности и разбудить наши амбиции.

Наши не вооруженные приборами органы чувств позволяют воспринимать лишь часть той реальности, которую могут открыть нам научные исследования. Возьмем, например, зрение. Глаза — наш важнейший, самый информативный канал связи с внешним миром. Но сколько же всего они не замечают! Лишь телескопы и микроскопы открывают нам путь к огромному количеству информации, недоступной простому взгляду. Более того, наше зрение ограничено одной октавой — диапазоном видимого света — из всей бесконечной гаммы электромагнитного излучения: от радиоволн, СВЧ и инфракрасного излучения с одной стороны до ультрафиолета, рентгеновских лучей и гамма-лучей с другой. И даже в пределах этой октавы наше цветовое восприятие размыто. Но хотя от наших чувств и скрыты многие аспекты реальности, разум позволяет нам значительно расширять границы восприятия. И это преодоление природных ограничений — наше грандиозное, нескончаемое приключение.

V

Вторую тему книги я обозначу так: чтобы по-настоящему открыть физической Вселенной сердце, нужно «заново родиться». Когда я работал над текстом, родился мой внук Люк. И пока я писал черновик, я наблюдал за ним первые несколько месяцев его жизни. Я видел, как он, широко раскрыв глаза, рассматривает свои ручки и осознает, что сам ими управляет. Я видел удовольствие, с которым он учился хватать предметы. Я наблюдал его маленькие эксперименты: как он эти предметы ронял и искал их, как повторял это раз за разом, будто бы не очень уверенный в результате, как смеялся от радости, находя их. И я понял, что таким способом (и многими другими) Люк строил модель мира. Он делал это с ненасытным любопытством, ведь базовых представлений у него почти не было. Взаимодействуя с миром, он узнавал то, что почти все взрослые считают само собой разумеющимся. Например, что мир делится на «я» и «не-я», что с помощью мыслей можно управлять своими движениями, а чужими — нельзя, и что, рассматривая объекты, мы не меняем их свойства.

Младенцы похожи на маленьких ученых-экспериментаторов. Но их эксперименты, по меркам современной науки, довольно примитивны. Младенцы «работают» без телескопов, микроскопов, спектроскопов, магнитометров, ускорителей частиц, атомных часов и прочих инструментов, которые мы используем, строя наши самые правильные и точные модели мира. Их опыт ограничен небольшим диапазоном температур; они находятся в атмосфере с особым химическим составом и давлением; гравитация Земли тянет их (и все, что вокруг них) вниз, а поверхность Земли поддерживает их… и еще многое другое. Младенцы конструируют модель мира, которая объясняет то, что они испытывают в границах возможностей их восприятия в заданном пространстве. Для практических целей такое общение с миром необходимо: эти полезные уроки, усвоенные в детстве, помогут нам во взрослой жизни. Но современная наука дает понять, что физический мир сильно отличается от модели, которую мы строим в младенчестве.

Если мы снова откроем сердца, разбудим заснувшее любопытство и отбросим предубеждения — то есть позволим себе как бы родиться снова, — мы придем к другому пониманию мира. Мы должны научиться некоторым вещам. В основе мира лежит несколько ключевых строительных блоков, которые подчиняются строгим, но странным и незнакомым правилам. И чтобы разобраться в них, нам лучше отбросить кое-что из уже выученного.

Квантовая механика показывает, что мы не можем наблюдать объект, так или иначе не изменив его. Каждый из нас получает свои уникальные сообщения из внешнего мира. Представьте, что вы с другом сидите в темной комнате и смотрите на тусклую лампу. Сделайте свет очень, очень слабым, например накрыв лампу несколькими слоями ткани. В конце концов и вы, и ваш друг будете видеть только отдельные вспышки. Но вы увидите вспышки в разное время. Свет разбился на отдельные кванты, а квант нельзя разделить между вами. Уже на этом фундаментальном уровне мы можем ощущать себя в разных мирах.

Психофизика показывает, что сознание не руководит большинством действий, а обрабатывает отчеты о них. Отчеты приходят от «несознательных» областей мозга, которые выполняют эту работу. Используя технику, известную как транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС)^[3], можно стимулировать двигательные центры левого или правого полушария в головном мозге испытуемого. Сигнал ТМС, правильно поданный в правый двигательный центр, вызовет подергивание левого запястья, а сигнал ТМС, правильно поданный в левый двигательный центр, вызовет подергивание правого запястья. Нейрофизиолог Альваро Паскуаль-Леоне^[4] использовал эту технику в простом и гениальном эксперименте, который позволяет сделать глубокие выводы. Он просил испытуемых после получения команды решить, хотят ли они подвигать правым или левым запястьем. Затем им давалось указание после получения дополнительной команды осуществить задуманное действие. В эксперименте использовался сканер мозга, поэтому можно было наблюдать, как двигательные области испытуемых подготавливают движение. Если испытуемый решал подвигать правым запястьем, его левая двигательная область активизировалась; если левым — активизировалась правая. Таким образом, выбор можно было предсказать до того, как испытуемый сделает какое-либо движение. А теперь важный момент. Время от времени Паскуаль-Леоне посылал сигнал ТМС, возбуждающий не тот центр, который соответствовал выбору испытуемого (и, как оказалось, отменяющий этот выбор). В этом случае человек подчинялся сигналу, а не своему изначальному выбору. Интересно то, как люди объясняли случившееся. Они не говорили, что ими руководила какая-то внешняя сила. Они говорили: «Я передумал(а)». Детальные исследования показывают, что наше тело и мозг — физическая основа нашего «я» — вопреки всякой интуиции построены из того же материала, что и «не-я», и неотрывны от него. Мы, как и младенцы, торопимся поскорее во всем разобраться и в результате приходим к неправильным выводам. На пути к более глубокому пониманию мира и себя нам придется многое отринуть, но и многому научиться.

VI

Рождаться заново непросто. Но, как и езда на американских горках, это очень захватывающе. И тех, кто готов почувствовать себя младенцем в науке, ждет награда: мир предстанет перед ними свежим, ясным и удивительно изобильным, таким, каким видел его Уильям Блейк:

Введение

I

Вселенная — странное место, а новорожденному она представляется вовсе непонятной. Пытаясь разобраться в ней, малыш учится различать сообщения, поступающие из его внутреннего мира и извне. Внутренний мир включает как физические ощущения — голод, боль, удовлетворенность и желание поспать, — так и область подсознательного, в частности сновидения. К внутреннему миру младенца относятся и некоторые мысли, которые направляют его взгляд, подсказывают, что можно схватить, а немного позже — как говорить.

Построение модели внешнего мира — сложная умственная работа. Малыш тратит на нее много времени. Он учится распознавать устойчивые образы внешнего мира, которые, в отличие от его тела, не реагируют на мысли. Он формирует из этих образов объекты и постепенно понимает, что они ведут себя более-менее предсказуемым образом. В конце концов наш ребенок — уже не малыш — начинает распознавать в некоторых объектах существ, похожих на него, — тех, с кем он может общаться. Обменявшись информацией с этими существами, он убеждается, что у них тоже есть внутренний мир и, что примечательно, во внешнем мире все они взаимодействуют со множеством общих объектов. И эти объекты подчиняются одним и тем же правилам.

II

Научиться взаимодействовать с общим внешним — физическим — миром — безусловно, жизненно важно, и аспектов у такого навыка много. Например, чтобы преуспеть в обществе наших предков — охотников и собирателей, — ребенок должен был получить знания о том, где добыть воду, какие растения и каких животных можно есть, как всю эту еду найти, вырастить или поймать, а затем приготовить — и еще немало других вещей.

В более высокоорганизованных обществах возникли новые потребности: например, научиться делать специальные инструменты, строить прочные здания и следить за временем. Если находились удачные решения проблем, поставленных физическим миром, ими делились с другими, их передавали из поколения в поколение. Так в каждом обществе закладывались основы технологий.

Сложные технологии могли появиться даже в обществах, не подкованных в науке. Некоторые из этих технологий позволили — и все еще позволяют — людям вполне комфортно выживать в сложных условиях, таких как Арктика или пустыня Калахари. В других обществах делался упор на строительство больших городов и грандиозных памятников наподобие египетских и мезоамериканских пирамид. Тем не менее на протяжении почти всей истории человечества технологии развивались стихийно. Удачные технические решения находились более-менее случайно, и если такое происходило, то их передавали в виде своеобразных ритуалов и традиций. Обычно попытки логически их осмыслить не делались, систематические усилия что-либо усовершенствовать не предпринимались.

Такие прикладные технологии позволяли людям выживать, растить детей, не бедствовать и иногда даже отдыхать. Веками для большинства цивилизаций этого было достаточно. У наших предков не имелось возможности узнать, чего они лишены, или понять, что упускаемое может быть важно. Но теперь мы знаем, что им не хватало многого. Этот рисунок, демонстрирующий рост производительности труда со временем, говорит сам за себя — красноречивее всяких слов.

III

Современный подход к пониманию мира зародился в Европе в XVII веке. Отдельные озарения бывали и раньше, и в других частях света, но именно череда прорывов, получившая название научной революции, показала нам, чего может достигнуть человеческий разум, если творчески займется изучением физического мира. Методы и подходы, которые привели к этим прорывам, стали образцами в будущих исследованиях. Так началась наука, которую мы знаем. И она всегда стремилась вперед.

В XVII веке гигантский теоретический и технический прогресс затронул многие области, в том числе конструирование механизмов и кораблей, оптических приборов (включая микроскопы и телескопы), часов и календарей. Люди смогли получать больше энергии, видеть больше и дальше, лучше справляться со своими задачами. Но по-настоящему уникальной и в полной мере заслуживающей свое название научную революцию делает гораздо менее материальная вещь. Изменилось само представление человека о мире: у людей появились новые замыслы, новая уверенность в своих силах.

Метод Кеплера, Галилея и Ньютона сочетает требование учиться у природы и почтительно относиться к фактам. Он также призывает смело и дерзко использовать то, что, как вам кажется, вы узнали и поняли, всюду, где только можно, даже в ситуациях, выходящих далеко за рамки вашего опыта. Если это срабатывает, значит, вы обнаружили что-то полезное. Если нет, вы узнали что-то важное. Я назвал такой подход радикальным консерватизмом, и для меня это важнейшая новаторская идея научной революции.

Радикальный консерватизм консервативен, потому что требует учиться у природы и уважать факты — это ключевые правила любого научного метода. Но он же радикален, потому что велит применять все, что вы узнали, везде, где это стоит попробовать. Это не менее важная грань науки. И это позволяет ей всегда идти вперед.

IV

К формированию нового подхода привело прежде всего развитие небесной механики — дисциплины, описывающей движение объектов на небесном своде. Уже к XVII веку она была хорошо развита.

Задолго до возникновения письменной истории люди установили многие закономерности — чередование ночей и дней, времен года, фаз Луны, — а также изучили регулярное перемещение звезд. С развитием сельского хозяйства стало важно следить за сменой сезонов, чтобы сажать и собирать урожай в наиболее подходящее время. Еще одну мощную, хотя и ошибочную, мотивацию для точных наблюдений за небесными светилами обеспечила астрология — вера в то, что человеческая жизнь напрямую связана с космическими ритмами. В любом случае по тем или иным причинам, а нередко и просто из любопытства, люди внимательно изучали небо.

Выяснилось, что подавляющее большинство звезд движется довольно простым и предсказуемым образом. Сегодня мы интерпретируем это кажущееся движение как результат вращения Земли вокруг своей оси. «Неподвижные звезды» находятся так далеко от нас, что относительно небольшие их смещения либо из-за собственного движения, либо из-за движения Земли вокруг Солнца невидимы без приборов. Но есть исключения: Солнце, Луна и несколько «странников» (планет) — включая видимые невооруженным глазом Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн — ведут себя иначе.

Древние астрономы веками записывали положение этих особых объектов и в конце концов научились предсказывать его изменения достаточно точно. Эта задача требовала геометрических и тригонометрических расчетов по сложным, но четко определенным инструкциям. Птолемей (ок. 100–170) обобщил все эти сведения и создал на их основе математический текст, получивший название «Альмагест». (Магест — греческое слово, означающее «величайший». Аль — определенный артикль в арабском языке.) Этот труд был огромным достижением, но имел два недостатка. Во-первых, сложность правил расчета и, как следствие, их громоздкость. В частности, формулы, которые Птолемей использовал для расчета движения планет, содержали множество параметров, определявшихся из сопоставления вычислений с наблюдениями, а не из глубоких физических законов. Коперник (1473–1543) заметил, что значения некоторых параметров связаны друг с другом удивительно простыми соотношениями. Эти на первый взгляд загадочные, «случайные» соотношения можно было объяснить геометрически, если предположить, что Земля, как и Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, вращается по орбите вокруг ее центра — Солнца, а Луна еще и вращается вокруг Земли.

Второй недостаток труда Птолемея более очевиден: приведенные данные были неточными. Тихо Браге (1546–1601), предвосхищая наступление сегодняшней эпохи Большой науки^[6], разработал сложные инструменты и потратил много денег на строительство обсерватории, что позволило наблюдать положения планет с гораздо большей точностью. Новые наблюдения выявили явные отклонения от предсказаний Птолемея.

Иоганн Кеплер (1571–1630) задался целью создать геометрическую модель движения планет, которая была бы и простой, и точной. Он использовал идеи Коперника и внес другие важные технические поправки в модель Птолемея. В частности, он заменил форму орбит, по которым планеты движутся вокруг Солнца, с простого круга на эллипс^[7]. Кеплер также предположил, что скорость движения планет вокруг Солнца не является постоянной: чем дальше от Солнца по эллиптической орбите, тем медленнее движение, чем ближе к Солнцу — тем быстрее движется планета^[8]. Новая, более простая модель работала значительно лучше.

А мы тем временем вновь обратим взор на поверхность Земли, где Галилео Галилей (1564–1642) тщательно исследовал простые формы движения, такие как качение шаров по наклонной плоскости и колебание маятников. Такие простые исследования, в которых численные интервалы времени сравнивались с пройденными за это время расстояниями, казалось бы, совершенно не связаны с серьезными вопросами о том, как устроен мир. И безусловно, большинству современников Галилея, размышлявших над важнейшими вопросами философии, эти проблемы виделись тривиальными. Но Галилей стремился к иному уровню понимания. Он хотел нечто конкретное понять точно, а не все приблизительно. Он искал — и вывел — математические формулы, которые всесторонне описывали его скромные наблюдения.

Исаак Ньютон (1643–1727) свел воедино геометрию Кеплера, теорию движения планет и динамическое описание движения земных объектов, сделанное Галилеем. Он продемонстрировал, что и теорию движения планет Кеплера, и теорию Галилея для специальных случаев движения лучше всего считать частными проявлениями общих законов — законов, применимых ко всем телам, везде и всегда. Теория Ньютона, которую мы теперь называем классической механикой, стала триумфом: она в том числе объяснила приливы на Земле, предсказала траектории комет и расширила возможности инженерии.

Работа Ньютона убедительно доказывает, что можно решать грандиозные задачи, опираясь на скрупулезный анализ простых случаев. Ньютон назвал это методом анализа и синтеза и заложил основы научного радикального консерватизма.

Вот что сказал сам Ньютон об этом методе:

Как в математике, так и при испытании природы, при исследовании трудных вопросов аналитический метод должен предшествовать синтетическому. Этот анализ заключается в том, что из экспериментов и наблюдений посредством индукции выводят общие заключения… Этим путем анализа мы можем перейти от целого к его составляющим, а от движений — к силам, их производящим; и вообще от результатов к их причинам, от частных причин к более общим, пока аргумент не придет к самой общей причине. Это метод анализа, а синтез состоит в том, что считается, будто причины обнаружены и утверждены в качестве принципов и посредством их объясняются явления, вызываемые ими, и обосновываются объяснения^[9].

V

Перед тем как покинуть Ньютона, уместно добавить еще одну его цитату, отражающую его духовное родство с Галилеем и Кеплером, а также со всеми нами, идущими по их стопам:

Объяснить всю природу — слишком сложная задача для любого человека или даже для одного века. Гораздо лучше сделать немного, но достоверно, а остальное оставить тем, кто придет за вами^[10].

Более свежая цитата из Джона Робинсона Пирса — пионера современной информатики — прекрасно отражает контраст между современной концепцией научного понимания и всеми другими подходами:

Мы требуем, чтобы наши теории в деталях согласовывались с очень широким кругом явлений, которые они пытаются объяснить. И мы настаиваем на том, чтобы они давали нам полезные советы, а не разумное объяснение^[11].

Как прекрасно понимал Пирс, за этот завышенный стандарт мы должны заплатить немалую цену: отказаться от простоты. «Мы никогда больше не будем понимать природу так же хорошо, как греческие философы. Мы знаем слишком много». Мне кажется, эта цена не слишком высока. В любом случае пути назад нет.

Часть I. Чем изобилен мир?

Глава 1. Здесь много пространства

МНОГО СНАРУЖИ И МНОГО ВНУТРИ

Когда мы говорим, что нечто — большое (будь то видимая Вселенная или человеческий мозг), следует спросить: «По сравнению с чем?» Этот поиск аналогий естественен и связан с нашей повседневной жизнью. Именно так мы в детстве создаем свои первые модели физического мира. Его границы, установленные наукой, — то, что мы открываем, когда позволяем себе родиться заново^[12].

В контексте повседневной жизни понятие «снаружи» поистине обширно. Мы интуитивно ощущаем масштаб этого снаружи, когда ясной ночью смотрим в усыпанное звездами небо. Даже без обстоятельного анализа ясно, что во Вселенной есть расстояния, несравнимо большие, чем размер человеческого тела, и существенно превышающие те, которые нам когда-либо удастся преодолеть. Научные представления не только подтверждают это, но и существенно усиливают ощущение необъятности.

Масштаб мира может подавлять нас. Например, он угнетал французского математика, физика и религиозного философа Блеза Паскаля (1623–1662), писавшего: «…Вселенная захватывает меня и поглощает, как соринку». Подобные мысли — условно говоря, «Я очень мал, для Вселенной я ничто» — красной нитью проходят через литературу, философию и теологию. Они слышатся во многих молитвах и псалмах. И такие ощущения естественны для человека, судящего о своей значимости по собственному размеру.

Хорошая новость: размер — это еще не всё. То, что у нас внутри, менее масштабно, зато столь же содержательно. Мы приходим к этому, когда смотрим на вещи с другого ракурса. Места внизу много. Во всем, что в самом деле имеет значение, мы более чем велики.

Еще в начальной школе мы узнаём, что основная структурная единица всего на свете — атомы и молекулы. В таких единицах наше тело огромно. Число атомов, из которых состоит тело одного человека, примерно равно 10²⁸, а это единица, за которой следует 28 нулей: 10²⁸ = 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000.

Подобное число далеко за пределами того, что мы можем себе представить. Его можно назвать «десять октиллионов» — и, чуть подучившись и попрактиковавшись, можно научиться делать с ним вычисления. Но обычный разум с подобными числами не справляется: нам никогда не представлялась возможность оперировать ими в повседневности. Визуализация такого количества отдельных точек существенно превосходит вместимость нашего мозга.

В ясную безлунную ночь число звезд, которые видны на небе, не превышает нескольких тысяч. А десять октиллионов — это примерно в миллион раз больше, чем число звезд во всей видимой Вселенной. В этом, очень конкретном, смысле внутри нас помещается целая вселенная.

Вдохновенный американский поэт Уолт Уитмен (1819–1892) интуитивно ощущал нашу внутреннюю огромность. В стихотворении «Песнь о себе» он писал: «Я широк, я вмещаю в себе множество разных людей»^[13]. И это радостное прославление изобилия столь же основано на объективных фактах, сколь и космическая зависть Паскаля, но она гораздо больше соотносится с нашим практическим опытом.

Мир велик, но и мы не ничтожны. Правильнее сказать — пространства много, независимо от того, движемся ли мы по шкале размеров вверх или вниз. Незачем завидовать Вселенной только из-за ее масштабов. Мы тоже большие. В частности, мы достаточно большие для того, чтобы наш разум мог вместить всю внешнюю Вселенную. Паскаль это понимал: пожаловавшись на то, что «Вселенная захватывает меня и поглощает, как соринку», он находит утешение в том, что «с помощью мысли я постигаю ее».

Изобилие пространства, его и внешняя, и внутренняя огромность — основная тема этой главы. Бесспорно подтвержденные факты мы рассмотрим подробнее, а затем рискнем продвинуться чуть дальше.

ВНЕШНЕЕ «МНОГО»: ЧТО МЫ ЗНАЕМ И ОТКУДА МЫ ЭТО ЗНАЕМ

Прелюдия: геометрия и реальность

В основе научного разговора о космических расстояниях лежит наше представление о физическом пространстве и о том, как измерять расстояния, то есть геометрия. Именно поэтому мы начнем со связи между геометрией и реальностью.

Непосредственный каждодневный опыт учит нас тому, что объекты, не меняя свойств, могут перемещаться в пространстве. Это наводит на мысль о том, что «пространство» — в некотором смысле хранилище, куда складывает объекты природа.

Развитие таких сфер, как землеустройство, архитектура и навигация, заставили людей измерять расстояния и углы между соседними объектами. Так они выявили закономерности, нашедшие свое отражение в геометрии Евклида.

Хотя со временем практическая деятельность человека становилась все сложнее и обширнее, эта концепция — геометрия Евклида — держалась удивительным образом. Она была столь логична, ее структура была столь стройна, что мало кто пытался проверить правомерность использования этой геометрии для описания физической реальности. Но в начале девятнадцатого столетия один из величайших математиков Карл Фридрих Гаусс (1777–1855) решил устроить такую проверку в реальных условиях. Он измерил углы треугольника, вершинами которого были три стоящие далеко друг от друга высокогорные станции в Германии, и показал, что в соответствии с предсказаниями Евклида их сумма с экспериментальной точностью равна 180°. Работа современной системы глобального позиционирования (GPS) основывается на геометрии Евклида. Каждый день GPS проводит миллионы экспериментов, сходных с экспериментом Гаусса, но в гораздо больших масштабах и с гораздо большей точностью. Посмотрим, как она работает.

Чтобы с помощью GPS выяснить свое местоположение, вы устанавливаете связь с системой передающих сигналы искусственных спутников. Они расположены высоко над Землей и знают свои координаты. (Мы потом расскажем, как это происходит.) Сегодня больше тридцати таких спутников летают по определенным орбитам вокруг земного шара. Их радиосигналы не преобразуются в речь или музыку. Вместо этого в цифровом, приспособленном специально для компьютеров формате спутники посылают простые сообщения о том, где находятся. Эти сообщения включают дату и время отправки (на борту каждого спутника имеются точные атомные часы). Затем происходит следующее.

1. Ваш GPS-приемник перехватывает сигналы некоторых спутников. Это устройство, имеющее еще и доступ к разветвленной сети наземных часов, вычисляет время, которое потребовалось для поступления сигналов от разных спутников. Поскольку сигналы распространяются с известной скоростью (скоростью света), время передачи каждого из них можно использовать для определения расстояния до спутника.

2. Используя эти расстояния, координаты спутников и геометрию Евклида, компьютер с помощью триангуляции (разбиения на треугольники) однозначно определяет положение приемника — то есть ваше.

3. Компьютер сообщает результат, и вы узнаете, где находитесь.

В системе GPS много дополнительных особенностей и возможностей, но основные принципы действия таковы, как описано выше. И они поразительно напоминают мысленный эксперимент Альберта Эйнштейна с системами отсчета, изложенный в его работе по специальной теории относительности. В 1905 году Эйнштейн предложил использовать световые лучи и время их прохождения для определения местоположения. Эйнштейна привлекла эта идея, потому что она опиралась на фундаментальный принцип физики — фиксированную скорость света — для выяснения местоположения предметов в пространстве. Современные технологии позволили реализовать этот мысленный эксперимент на практике.

Потренируйте воображение: представьте, что для определения вашего местоположения достаточно знать расстояния от вас до четырех спутников, координаты каждого из которых известны. Подсказка: точки, расположенные на заданном расстоянии от спутника, лежат на сфере, центром которой он является. Если взять две сферы с разными спутниками-центрами, они, возможно, пересекутся по окружности. Поскольку вы находитесь где-то на пересечении, они обязаны это сделать! Теперь рассмотрите, в каких двух точках пересекается с ними третья сфера. И наконец, сфера, относящаяся к четвертому спутнику, захватит одну из этих точек.

Теперь вернемся к вопросу, откуда спутники GPS знают, где они находятся. Технические детали сложны, но основная идея проста: спутники стартуют из известных точек, а затем отслеживают свое движение. Исходя из этой информации, они рассчитывают свое местоположение.

Более подробно: спутники мониторят свое движение с помощью бортовых гироскопов и акселерометров наподобие тех, которые установлены на вашем iPhone. Исходя из данных этих приборов, компьютер спутника с помощью законов механики Ньютона определяет свое ускорение, а математический анализ позволяет рассчитать, куда спутник переместился. Фактически именно для решения подобных задач Ньютон и изобрел математический анализ.

Если вернуться к сказанному выше, ясно, что разработчики спутниковой навигационной системы основывались на большом числе неочевидных предположений — например, о постоянстве скорости света. Точное время определяется по атомным часам, устройство и интерпретация данных которых основаны на последних результатах квантовой теории. По этим данным положение спутника рассчитывается методами классической механики. А еще вводится поправка на слабую зависимость скорости хода часов от их вращения вокруг Земли. Этот эффект предсказывает общая теория относительности: вблизи Земли, где гравитационное поле сильнее, ход часов замедляется.

В основе спутниковой навигационной системы лежит не только геометрия Евклида. Система GPS устроена очень сложно, так что с ее помощью мы проверяем множество других концепций.

Своим успехом GPS обязана целому набору взаимосвязанных предположений. Любое из них может быть неправильным или, выражаясь более дипломатично, приблизительно правильным. Если бы одно из этих предположений было существенно ошибочным, результаты работы GPS оказались бы несовместимыми, например на разных спутниках расчет координат на основе триангуляции давал бы разные результаты. Сложности при использовании технологии часто могут выявить скрытые недостатки.

Верно и обратное: успех GPS укрепляет нашу уверенность в справедливости всех лежащих в ее основе предположений, включая то, что в земных масштабах геометрия Евклида с достаточной точностью описывает реальную геометрию. И до сих пор GPS работает безупречно.

Если брать шире — наука развивается. Хитросплетение взаимозависимых теорий лежит в основе самых невероятных современных экспериментов и технологий. Доказав свою эффективность, новые смелые разработки укрепляют доверие к вспомогательной базе. Фундаментальные концепции представляют собой клубок взаимно усиливающих друг друга идей — и это еще одна сквозная тема книги.

Заканчивая прелюдию, я должен сделать оговорку. Когда мы рассматриваем пространство огромных космических масштабов, или нам требуется невероятная точность, или мы приближаемся к черным дырам, геометрия Евклида уже не подходит для описания реальности. Альберт Эйнштейн в работах по специальной и общей теории относительности (за 1905 и 1915 годы соответственно) продемонстрировал несостоятельность этой геометрии и показал, как можно выйти за ее рамки. С тех пор большое число экспериментов подтвердило его теоретические построения.

Специальная теория относительности Эйнштейна учит: когда мы измеряем расстояние, необходимо вдуматься и понять, что мы измеряем и как. Реальные измерения занимают какое-то время, а предметы могут перемещаться. На самом деле мы можем измерять интервалы между событиями. События локализованы как в пространстве, так и во времени. Геометрия событий должна строиться не просто в пространстве, а в системе координат большей размерности — в пространстве-времени. Далее общая теория относительности устанавливает, что геометрия пространства-времени может искажаться благодаря влиянию материи или распространяющихся в нем волн искажения. (Подробнее об этом мы поговорим в главе 4 и главе 8.)

В рамках более общей концепции пространства-времени и общей теории относительности геометрия Евклида довольно приблизительна. И все же она достаточно точна, чтобы ее можно было использовать на практике, о чем и говорилось выше. Геометрию Евклида предпочитают геодезисты, архитекторы и разработчики космических программ: она легче, и для работы ее пока достаточно. Хотя более продвинутые теории и точнее, пользоваться ими гораздо труднее.

Однако геометрия Евклида не дает нам законченную, полную модель реальности. Это не отменяет ее математическую стройность и не обесценивает ее многочисленные достижения, но подтверждает мудрость принципиально консервативного подхода Гаусса к проверке фактов. Вопрос отношений между геометрией и реальностью лежит в компетенции природы.

Исследуя Вселенную

Присмотревшись к ближнему пространству, перейдем к исследованию космоса. Телескоп — основной инструмент, который поможет нам на этом амбициозном пути.

Кроме привычных оптических моделей, астрономы используют телескопы, которые собирают «свет» из других частей электромагнитного спектра, включая радиоволны, микроволновое радиоизлучение, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, рентгеновские и гамма-лучи. Небо осматривают и более экзотические «глаза», не основанные на электромагнитном спектре. Замечательный факт — недавно к ним добавились детекторы гравитационных волн. В последних главах я расскажу о них подробнее.

Для начала я приведу удивительно простые выводы, сделанные из исследования космоса, а затем расскажу, как астрономы к ним пришли. Это несколько сложнее, но в нашем контексте все еще восхитительно просто.

Первый и наиболее фундаментальный результат: мы убедились, что материя везде одинакова. Более того, на нее везде действуют одни и те же законы.

Второе: мы обнаружили иерархическую структуру материи. Куда бы мы ни посмотрели, везде видны звезды. Обычно они стремятся собираться в галактики, содержащие от нескольких миллионов до нескольких миллиардов звезд. У нашей звезды, Солнца, есть «свита» из планет и лун, а также комет, астероидов, красивых колец Сатурна и всякого космического мусора. Юпитер — самая большая планета, вес которой порядка одной тысячной веса Солнца, тогда как вес Земли — примерно три миллионных веса Солнца. Хотя масса планет и лун весьма скромна, эти небесные объекты особенно дороги нашему сердцу. Ведь на одной из планет мы живем, а возможно, кто-нибудь живет и на других — если не в нашей Солнечной системе, то где-то еще. Астрономы давно предполагали, что планеты есть и у других звезд, но только недавно появилась аппаратура, помогающая их обнаружить. Уже открыты сотни планет вне Солнечной системы, и поступают сообщения о все новых и новых открытиях.

И наконец, третье: выяснилось, что вещество почти однородно распределено по пространству. По всем направлениям и на всех расстояниях мы обнаруживаем примерно одинаковую плотность галактик.

Ниже мы уточним и несколько расширим эти три фундаментальных вывода — главным образом, чтобы рассказать о Большом взрыве, темной материи и темной энергии. Но основная идея не меняется: одинаковая и одинаково организованная материя в невероятном изобилии распределена по всей видимой Вселенной.

Вероятно, теперь вам хочется узнать, как астрономы пришли к столь многообещающим выводам. Постараемся разобраться в этом, опираясь на некоторые методы определения размеров и расстояний.

Не сразу понятно, как измеряются расстояния до очень далеких объектов. Очевидно, что на небе нельзя приложить линейку или растянуть рулетку, не получится и снять показания с радиомаяков. Вместо этого астрономы используют бутстрап-метод^[14], известный как шкала расстояний. Слово «шкала» происходит от латинского scala, что в переводе означает «лестница». Поднимаясь по ступенькам астрономической лестницы, мы переходим ко все большим расстояниям. Знания, приобретенные на одной ступеньке этой лестницы, готовят нас к переходу на следующую.

Начнем с изучения расстояний в непосредственной близости от Земли. С помощью похожих на систему GPS приборов — тех, которые отражают падающий на них свет (или радиосигналы) и измеряют время прохождения сигнала, — можно получить данные о расстояниях на Земле и расстояниях от нее до других объектов Солнечной системы. Для этого есть несколько изощренных, хотя и не очень точных методов, придуманных еще древними греками. Для наших целей достаточно сказать, что все они дают согласованные результаты. Сама Земля — почти идеальная сфера, радиус которой примерно 6400 километров. Сейчас, во времена воздушных путешествий, представить себе такое расстояние легко. Оно приблизительно равно расстоянию между Нью-Йорком и Стокгольмом или чуть больше расстояния между Нью-Йорком и Шанхаем.

Расстояния можно определять и по-другому — а именно через время, за которое световой луч их проходит. Для расстояния, равного радиусу Земли, это время составляет примерно одну пятидесятую секунды. Так что можно сказать, что радиус Земли равен одной пятидесятой световой секунды. Этот способ измерения очень подходит для астрономии и космологии и широко используется в этих науках.

На более высоких ступеньках астрономической лестницы-шкалы расстояния удобнее измерять не в световых секундах, а в световых годах. Для сравнения сначала скажем, что радиус Земли составляет около одной миллиардной светового года. Не забывайте это крохотное число, когда мы продвинемся дальше в изучении мира. Скоро он расширится до сотен, миллионов и, наконец, миллиардов световых лет.

Следующее важное для нас расстояние — от Земли до Солнца. Оно равно примерно 150 миллионам километров, что составляет восемь световых минут или 15 миллионных светового года. Примечательно, что расстояние от Земли до Солнца примерно в 24 тысячи раз больше радиуса Земли. Это впечатляющее число указывает, что даже внутри Солнечной системы Земля, не говоря уже о человеке, действительно «всего лишь песчинка»^[15].

Поскольку размер орбиты вращения Земли вокруг Солнца известен, с помощью геометрии Евклида можно сразу определить расстояния до сравнительно близких звезд. Благодаря движению Земли вокруг Солнца эти звезды за год заметно меняют положение на небе. Этот эффект известен как параллакс. Наше бинокулярное зрение использует параллакс для оценки расстояния до существенно более близких объектов, которые наши два глаза видят под разными углами. Космический телескоп, установленный на спутнике Hipparcos^[16] и действовавший с 1989 по 1993 год, использовал параллакс для каталогизации расстояний примерно до сотни тысяч близких звезд.

По меркам межзвездного пространства наша Солнечная система — маленькое уютное гнездышко. Расстояние до Проксимы Центавра примерно в полмиллиона раз превосходит расстояние от Земли до Солнца.

Основной метод, позволяющий продвигаться вверх по лестнице космических расстояний, опирается на упомянутый выше факт: куда бы мы ни посмотрели, везде обнаружим однотипные объекты и материю. Если удается выявить класс объектов с одинаковой истинной яркостью, мы говорим, что эти объекты дают нам в руки «стандартную свечу». Когда расстояние до одной стандартной свечи известно, расстояние до любой другой мы можем определить, просто сравнивая их наблюдаемые яркости. Например, если один из источников света в два раза дальше другого, нам будет казаться, что его яркость в четыре раза меньше.

Напрашивается вопрос: как убедиться, что объекты, которые мы видим в разных отдаленных местах, будут иметь ту же яркость, если к ним приблизиться? Основная идея состоит в том, что мы ищем класс объектов, обладающих большим числом общих свойств, и, надеясь на лучшее, проверяем их согласованность. Простой пример иллюстрирует этот подход и показывает подстерегающие нас ловушки.

В целом звезды слишком разные, чтобы служить стандартными свечами. Так, звезда Сириус A примерно в двадцать пять раз ярче нашего Солнца, а вот его звезда-компаньон, белый карлик Сириус B, примерно в сорок раз менее ярок, хотя обе звезды, с точки зрения астрономов, находятся приблизительно на одном расстоянии от Земли^[17]. Гораздо правильнее сравнивать звезды одного цвета, или, точнее, звезды с одинаковым электромагнитным спектром^[18]. Когда мы сравниваем идентичные звезды, разумно предположить, что их разная яркость связана с тем, что расстояния до них разные. Теория физики звезд, которая объясняет многие их наблюдаемые свойства, предсказывает именно это. Но как это проверить? Один из способов — найти компактную группу близких друг к другу звезд. Наглядный пример — скопление Гиады, где их сотни. Если звезды с похожим спектром обладают схожей истинной яркостью, то такие две звезды из одного скопления будут казаться одинаково яркими. Главным образом так и находят стандартные свечи.

Профессиональные астрономы должны учитывать и другие факторы — например, влияние звездной пыли. Эта пыль поглощает свет, вследствие чего объекты могут казаться более далекими, чем они есть. Надеюсь, коллеги простят меня за то, что я не останавливаюсь подробно на подобных технических деталях, не меняющих основную идею.

Можно продолжать подниматься по нашей «космической лестнице» и с помощью различных стандартных свечей добраться от ближайших объектов до границ видимой Вселенной. Некоторые из этих свечей больше подходят для сравнительно близких объектов, другие — для очень далеких. Главное проверять, все ли они дают согласующиеся результаты.

Упоминавшийся выше каталог Hipparcos — устойчивая ступенька, позволяющая сделать следующий шаг вверх. Поскольку мы знаем, что истинная яркость похожих звезд одинакова, теперь уже эти звезды можно использовать, чтобы определить расстояния до скоплений, расположенных так далеко, что их параллакс наблюдать не удается.

Так мы смогли исследовать собственную Галактику — Млечный Путь. Оказалось, что звезды Млечного Пути образуют довольно плоский диск с утолщением — балджем (от английского слова bulge, что значит выпуклость) — посередине. И мы измерили диаметр Млечного Пути, который равен примерно ста тысячам световых лет.

Цефеиды — пульсирующие яркие звезды. Генриетта Ливитт (1868–1921), много занимавшаяся изучением цефеид в Магеллановых Облаках, установила, что цефеиды, пульсирующие с одинаковой скоростью, имеют одинаковую яркость и, таким образом, могут служить стандартными свечами. Цефеиды относительно легко обнаружить. Расстояния до многих галактик астрономы измерили, используя именно их.

В распределении галактик нет регулярности. И все же типичное расстояние между галактикой и ее ближайшим большим соседом определить можно. В среднем межгалактические расстояния составляют порядка нескольких сотен тысяч световых лет. В отличие от звезд и планет, которые практически всегда удалены от соседей на расстояние, во много раз превышающее их размеры, характерное расстояние между галактиками не так уж велико в сравнении с размерами самих галактик.

Есть еще несколько полезных стандартных свечей, да и в структуре галактик гораздо больше интересных деталей. Это богатство астрономии добавляет глубины картине, нарисованной мною пунктиром, и подкрепляет концепцию, на которой она зиждется. Но поскольку моя цель — лишь рассказать об основах, нам пора двигаться вперед — к самым дальним границам Вселенной.

Космический горизонт

В своих первых исследованиях Эдвин Хаббл (1889–1953), основываясь главным образом на наблюдениях за цефеидами, сделал фундаментальное открытие, имевшее большие последствия. Изучая характер света, идущего от дальних галактик, он обнаружил, что их спектры сдвинуты в сторону больших длин волн по сравнению со спектрами ближних. Это называется красным смещением, поскольку, если постепенно увеличивать длину световой волны, цвета полос радуги меняются в направлении от фиолетового ее конца к красному. Этот эффект действует и за границами видимого спектра: вместо ультрафиолета появляется «новая» видимая фиолетовая полоса, а красная полоса превращается в ультракрасную.

Убедительное объяснение наблюдавшегося Хабблом красного смещения произвело революцию в нашем представлении о Вселенной. Оно основано на простом, но поразительном эффекте, впервые описанном Кристианом Доплером в 1842 году. Доплер показал, что, когда источник волн удаляется от вас, каждый последующий гребень этих волн идет к вам с большего расстояния, так что они доходят до вас растянутыми. Другими словами, наблюдаемые волны сдвигаются в сторону больших длин в сравнении с волнами от стационарного источника. Таким образом, интерпретация красного смещения Хаббла прямо указывает на факт, что галактики движутся в направлении от нас.

Хаббл обнаружил простую закономерность: чем дальше галактика, тем больше красное смещение. Точнее, он показал, что величина смещения пропорциональна расстоянию. Это означает, что далекие галактики отдаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до них.

Если, реконструируя прошлое, мы представим себе обратное движение галактик, такая пропорциональность приобретет новый, драматический смысл. Получается, что при обратном движении более отдаленные галактики будут приближаться к нам быстрее и, преодолевая расстояния, соберутся вместе одновременно. Это наталкивает на мысль, что в прошлом плотность материи во Вселенной была гораздо больше, чем сегодня. Возвращаясь к исходному направлению течения времен, мы понимаем: эта картина напоминает космический взрыв.

Могла ли Вселенная возникнуть в результате взрыва? Когда священник-иезуит Жорж Леметр первым предложил такую интерпретацию наблюдений Хаббла, его «Большой взрыв» был смелой и красивой гипотезой, но ей не хватало доказательств и четкого физического обоснования^[19]. Кстати, сам Леметр говорил о «первобытном атоме» или «космическом яйце». Менее поэтичное название «Большой взрыв» появилось позже.

Дальнейшие исследования позволили нам гораздо лучше понять, как ведет себя материя в экстремальных условиях. Сегодня есть невероятное количество свидетельств в пользу теории Большого взрыва. Мы поговорим о них и подробнее обсудим космическую историю в главе 6.

Здесь же, завершая рассказ о космосе, воспользуемся картиной Большого взрыва, чтобы установить границы и протяженность видимой Вселенной. Мысленно запустив фильм о космической истории в обратном направлении, мы увидим, как галактики движутся друг к другу, чтобы встретиться в определенный момент. Как давно это было? Чтобы это вычислить, просто разделим расстояние, которое галактика должна пройти, на скорость ее движения. Поскольку, согласно наблюдениям Хаббла, скорость галактики пропорциональна расстоянию до нее, неважно, какую галактику выбрать. Сделав это, мы получаем, что около 20 миллиардов лет назад все галактики были слиты воедино. Более точный расчет, учитывающий, как меняется скорость из-за гравитации, дает несколько меньший результат. Согласно самой точной современной оценке, с Большого взрыва прошло около 13,8 миллиарда лет.

Глядя на объекты в далеком космосе, мы смотрим на их прошлое. Поскольку скорость света конечна, свет, доходящий до нас от далеких объектов, возник очень давно. Когда мы смотрим на 13,8 (или около того) миллиарда лет назад, возвращаясь к моменту Большого взрыва, мы достигаем границы того, что можем увидеть. Теперь мы «ослеплены светом»^[20]. Изначальный космический взрыв был настолько ярок, что увидеть за ним ничего нельзя — во всяком случае, никто не знает как.

А поскольку мы не можем увидеть то, что происходило раньше определенного времени, мы не можем видеть и то, что происходит дальше определенного расстояния — а именно того, которое может пройти свет за «отведенное» ему конечное время. Какой бы большой ни была Вселенная, ее видимая в настоящий момент часть конечна.

Насколько она велика? Теперь по-настоящему видно, сколь блестящей была идея измерять время в световых годах. Поскольку время ограничено 13,8 миллиарда лет, предельное расстояние равно… 13,8 миллиарда световых лет. Чтобы осознать масштаб, вспомним, что радиус Земли — примерно одна миллиардная светового года.

Указав на этот невообразимый контраст, мы закончим рассказ о космических размерах. Мир велик. В нем немало места, которое люди могут использовать во благо, и очень много всего, чем мы можем восхищаться издалека.

ВНУТРЕННЕЕ «МНОГО»: ЧТО МЫ ЗНАЕМ И ОТКУДА

Теперь заглянем внутрь — и здесь нам также откроется изобилие. Мы опять обнаружим много места, которое можно использовать, и гораздо больше того, которым можно только любоваться.

Различные микроскопы открывают нам глаза на богатство происходящего внутри маленьких тел. Микроскопия — обширная наука со множеством оригинальных и интересных идей. Но здесь я остановлюсь лишь на четырех методах, позволяющих выявить разные уровни внутренней структуры материи.

В самых простых и наиболее привычных микроскопах используется способность стекла и некоторых других прозрачных материалов преломлять свет. Подбирая стеклянные линзы и располагая их нужным образом, можно расширить угол, под которым световые лучи, идущие от рассматриваемого предмета к наблюдателю, достигают сетчатки или светочувствительной пластинки камеры. В результате предмет кажется больше. Эта уловка дает мощный и универсальный метод исследования мира до расстояний порядка одной миллионной метра или даже меньше. Так можно увидеть клетки, из которых состоят живые организмы; можно взглянуть на скопления бактерий, которые как помогают им, так и приносят вред.

Пытаясь с помощью светопреломляющих устройств рассмотреть объекты еще меньшего размера, мы сталкиваемся с фундаментальными проблемами. Подобные приборы основываются на регулировании направления световых лучей. Но поскольку свет распространяется в виде волн, то само понятие прямолинейных лучей очень приблизительно. Использовать волны, чтобы рассмотреть детали, размер которых меньше длины волны самих волн, — все равно что собирать бисер в боксерских перчатках. Длины волн видимого света — порядка половины одной миллионной метра, так что подобные микроскопы при меньших расстояниях бесполезны.

Длины волн рентгеновского излучения в сотни или тысячи раз меньше, так что, в принципе, рентгеновские лучи позволяют добраться до гораздо меньших расстояний. Но для них нет ничего, что было бы эквивалентно стеклу для видимого света, — нет материала, из которого можно сделать линзы для управления лучами. А без линз классические методы увеличения изображений бесполезны.

К счастью, есть другой подход, которым можно воспользоваться, — рентгеновская дифракция, или рентгеноструктурный анализ. Здесь линзы не нужны. Пучок рентгеновских лучей направляется на интересующий нас объект. Сам объект преломляет и рассеивает их, а мы регистрируем выходящий пучок. Чтобы избежать недоразумений, скажу, что это совсем не то, что привычные рентгеновские снимки, используемые врачами, — там мы видим более грубые проекции рентгенографических теней на плоскость. При рентгеновской дифракции используются гораздо лучше контролируемые пучки и направляются они на гораздо меньшие объекты. «Картина», фиксируемая рентгеновской дифракционной камерой, выглядит совсем не как образец — обширная информация о его внутреннем строении представлена в закодированном виде.

С характеристикой «обширная» связана длинная и увлекательная сага, главы которой отмечены Нобелевскими премиями. К сожалению, информации, предоставляемой дифрактограммами, недостаточно, чтобы реконструировать объекты, — математических расчетов для этого мало. Они похожи на искаженные файлы цифровых изображений.

Чтобы справиться с задачей, несколько поколений ученых создавали интерпретационную лестницу, позволяющую переходить от простых объектов к более сложным. Первыми объектами, структуру которых расшифровали по дифрактограммам, были простые кристаллы (наподобие поваренной соли). В примере с солью химические свойства вещества позволяют предположить, как должен выглядеть ответ. Это должна быть упорядоченная решетка из равного числа атомов натрия и хлора. Кроме того, исходя из опытов с большими кристаллами, можно было ожидать, что решетка окажется кубической. Однако расстояния между атомами известны не были. К счастью, можно рассчитать, как будет выглядеть дифрактограмма модельного кристалла, независимо от этого расстояния. Сопоставляя эти результаты с экспериментом, можно не только подтвердить модель, но и определить межатомное расстояние в кристалле.

Когда ученые подошли к изучению более сложных структур, они вновь начали применять бутстрап-метод. На каждом этапе ранее подтвержденные модели использовались для построения более сложных, а те рассматривались как кандидаты для описания материалов с еще более сложными структурами. Затем экспериментальные дифрактограммы сравнивались с рассчитанными для структур-кандидатов. Так интуиция и тяжелый труд иногда позволяли добиться успеха. И с каждым новым достижением становились известны структурные характеристики, важные для построения нового поколения моделей.

Наиболее яркие прорывы в этой области включают определение выдающимся химиком Дороти Мэри Кроуфут-Ходжкин трехмерной структуры холестерина (1937), пенициллина (1946), витамина B₁₂ (1956) и инсулина (1969); а также определение структуры ДНК (1953) — знаменитой двойной спирали — Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном. Они расшифровали дифракционную картину, снятую Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин.

Современные мощные компьютеры используют программы, где учтены все полученные ранее успешные результаты. Это позволяет ученым решать куда более сложные задачи рентгеновской дифракции в рабочем порядке. Так удалось определить структуры десятков тысяч белков и других важных молекул. Искусство создания подобных «картин» остается жизненно важным на передовых рубежах биологии и медицины.

Для меня интерпретационная лестница — одновременно и прекрасный пример, и метафора того, как мы строим модели окружающего мира. В рамках естественного зрения мы должны преобразовать двумерные образы, поступающие на сетчатку глаза, в приемлемые трехмерные объекты. В абстрактной постановке эта задача неразрешима из-за нехватки информации. Компенсируя ее, мы строим предположения о том, как устроен мир. Мы обращаем внимание на резкие изменения цвета, тени и траектории объектов, что позволяет нам опознавать их, а также оценивать свойства и расстояния между ними.

Младенцы и слепые люди, которым внезапно вернули зрение, должны учиться видеть, конструировать разумный мир на основе простых наблюдений. Обучение тому, как «увидеть» объект на рентгеновской дифрактограмме, — по сути, похожий процесс. У него та же цель — выработать набор приемов, позволяющих осмыслить окружающий мир.

Принцип работы нашего третьего устройства — сканирующего микроскопа — на удивление нагляден. Острую иглу с крохотным кончиком подводят к исследуемой поверхности и двигают параллельно ей. На иглу подается небольшой потенциал, благодаря чему возникает ток, идущий от сканируемой поверхности. Чем ближе к ней кончик иглы, тем больше ток. Таким образом можно «считывать» топографию поверхности с субатомным разрешением. На получаемых изображениях видны отдельные атомы, которые напоминают горы, возвышающиеся над плоским ландшафтом.

Наконец обсудим, как ученые исследуют самые маленькие расстояния. Первый эксперимент, позволивший заглянуть внутрь атома, был выполнен в 1913 году Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом под руководством Эрнеста Резерфорда. В эксперименте пучок альфа-частиц направлялся на золотую фольгу. Гейгер и Марсден фиксировали, на какие углы отклоняются прошедшие через фольгу альфа-частицы. Изначально они считали, что только небольшая доля частиц, если таковые вообще найдутся, существенно отклонится от курса. Альфа-частицы довольно массивны, так что только непосредственное столкновение с гораздо более тяжелыми объектами может изменить направление их движения. Если масса золотой фольги распределена равномерно, больших отклонений быть не должно^[21].

То, что увидели Гейгер и Марсден, никак не совпало с их ожиданиями: значительное число частиц отклонилось на большой угол. Иногда альфа-частицы даже меняли направление движения на обратное. Позднее Резерфорд вспоминал о своей реакции на эти новости:

Это было самое невероятное событие в моей жизни. Результаты были почти столь же невероятными, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в листок папиросной бумаги, а этот снаряд возвратился бы и поразил вас. При анализе этого я понял, что такое рассеяние назад должно быть результатом однократного столкновения, и, произведя расчеты, увидел, что это никоим образом невозможно, если не предположить, что подавляющая часть массы атома сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда у меня и зародилась идея об атоме с крошечным массивным центром, в котором сосредоточен заряд^[22].

Современное представление об атомах^[23] родилось из детального анализа Резерфордом эксперимента Гейгера и Марсдена. Он нашел объяснение их данным: предположил, что большая часть массы и весь положительный заряд атома сконцентрированы в крошечном ядре. В дальнейшем удалось конкретизировать эти выводы. В ядре сосредоточено более 99% массы атома, хотя радиус ядра составляет всего одну стотысячную долю радиуса атома. Оно, будучи почти сферическим, занимает около одной миллионной от одной миллиардной части его объема. Это поистине астрономические числа. Ядро теряется в объеме атома так же, как Солнце — в окружающем его межзвездном пространстве.

Опыт Гейгера — Марсдена определил научную парадигму исследований субатомного мира, где с тех пор доминируют экспериментальные исследования фундаментальных взаимодействий. Бомбардируя мишени частицами со все более высокими энергиями и анализируя особенности их отклонения, мы изучаем внутреннюю структуру мишени. И здесь мы вновь строим интерпретационную лестницу: знания, приобретенные на каждой ступени, помогают нам ставить новые эксперименты и продвигаться в глубь материи.

БУДУЩЕЕ ПРОСТРАНСТВА

За горизонтом

Мы не можем заглянуть дальше расстояния, которое преодолел свет с момента Большого взрыва. Оно определяет наш космический горизонт. Но с каждым днем Большой взрыв уходит все дальше в прошлое. Пространство, которое вчера было за горизонтом, открывается для обзора.

Несомненно, один день и даже тысяча лет — ничто в космических масштабах, и относительное увеличение видимой Вселенной практически незаметно для нас. Но ведь интересно понять, какую Вселенную смогут наблюдать наши далекие потомки, и задуматься над тем, что происходит за горизонтом. Одиссей в стихотворении Теннисона говорит:

Расширяющийся космический горизонт ставит много вопросов. Например, попадет ли под него вся Вселенная? Если пространство конечно, так однажды и произойдет. Примечательно, что конечное пространство не обязано быть ограниченным. Сфера, которая представляет собой поверхность шара, — пример конечного пространства, не имеющего границ. Поверхность обычного шара двумерна. Хотя это трудно представить наглядно, но для математиков проще простого определить трехмерное пространство, которое, как обычная сфера, конечно, однако при этом не имеет границ. Возможные формы конечной Вселенной следует искать среди подобных пространств.

Видимая Вселенная отличается однородностью. Она состоит из одинаковой материи, подчиняющейся единым законам, организованной схожим образом, равномерно распределенной повсюду. Другой вопрос заключается в том, распространяется ли эта «универсальная» модель на те части Вселенной, которые пока недоступны для нашего взора. Или на самом деле наш мир — мультивселенная, в основе которой много разных структур и законов?

Лучшим способом узнать это было бы наблюдение каких-то странных вещей, происходящих где-то очень далеко. Так, при помощи фактов, указывающих на другие фундаментальные законы и другую космологию, мы могли бы установить существование мультивселенной экспериментально. Как ни печально, эти факты также могут указать на то, что «другие» части мультивселенной станут видимыми только в отдаленном будущем, а пока остаются за горизонтом. Я говорю «печально», поскольку лично для меня это выводит познание мира, где мы живем, на более высокий уровень. Но именно там происходит чудо. Кроме того, поиск истины помогает нам быть честными.

Частицы пространства?

Евклид полагал, что, используя одни и те же концептуальные инструменты, можно измерять расстояние все точнее и точнее. Он ничего не знал об атомах, об элементарных частицах и квантовой механике. Теперь наши знания богаче. Когда мы делим материю на очень маленькие части, все существенно меняется! Капля воды, кажущаяся цельной и спокойной, распадается на атомы и даже на более фундаментальные частицы, исполняющие рок-н-ролл на мотив квантовой механики.

Для измерения межатомных расстояний необходимы устройства, сильно отличающиеся от тех несгибаемых линеек, которыми располагал Евклид. Адаптировать подобные инструменты для новых целей просто невозможно, несмотря на то, что в наших фундаментальных уравнениях геометрия Евклида продолжает свое триумфальное шествие. В рамках этих уравнений элементарные частицы и соответствующие им поля занимают целостный континуум, эквивалентный во всех своих частях, где, как и предполагал Евклид, могут быть измерены длины и углы и где работает теорема Пифагора. Просто поразительно, что природа столь снисходительна к нам. По крайней мере, до сей поры.

Но, возможно, так будет не всегда. В соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна пространство — своего рода материя, динамическая сущность, которая может изгибаться и двигаться. Далее мы поговорим еще о множестве фактов, подтверждающих это мнение. В соответствии с принципами квантовой механики все, что может двигаться, спонтанно движется. В результате расстояние между двумя точками флуктуирует. Комбинируя общую теорию относительности и квантовую механику, мы получим, что само пространство — своего рода подрагивающее желе, находящееся в постоянном движении.

Когда расстояние между частицами не слишком мало, такие предсказываемые квантовые флуктуации составляют ничтожную часть всего расстояния. С практической точки зрения мы смело можем ими пренебречь и вернуться к привычной геометрии Евклида. Но когда мы «опускаемся» до расстояния порядка 10^-33 сантиметров, крошечного расстояния, известного как планковская длина, характерные флуктуации расстояния между двумя точками могут быть сравнимы с самой этой длиной. На ум приходят апокалиптические строчки Уильяма Батлера Йейтса:

Извивающиеся линейки и пляшущие компасы подрывают основы подхода к геометрии как Евклида, так в конечном счете и Эйнштейна. В мире таких малых длин не работают идеи, на которых основана GPS, поскольку на размерах порядка планковской длины орбиты спутников будут зашумлены и непредсказуемы. Что их сменит? Точно сказать не может никто. Надежды на помощь эксперимента нет: планковская длина в тысячи триллионов раз меньше расстояний, которые ученые уже могут «увидеть». Лично мне трудно сопротивляться желанию воспринимать пространство-время как нечто вроде материи, которую мы понимаем существенно лучше. Если принять эту точку зрения, пространство будет состоять из невероятно большого числа одинаковых объектов — частиц. Все они будут рождаться, контактировать с несколькими соседями, обмениваться посланиями, объединяться, расходиться в разные стороны и погибать.

Глава 2. Здесь много времени

ПРЕЛЮДИЯ: ИЗМЕРЕНИЕ И СМЫСЛ

Фрэнк Рамсей (1903–1930) — ярко вспыхнувшая, но быстро погасшая звезда. В 26 лет он умер от болезни печени, но до этого очень многое успел сделать в математике, экономике и философии. Несмотря на молодость, в 1920-х годах он был центральной фигурой интеллектуальной жизни Кембриджа. Рамсей сотрудничал и спорил с такими гигантами, как Джон Мейнард Кейнс и Людвиг Витгенштейн, которых многие признают величайшим экономистом и величайшим философом двадцатого столетия. «Теория Рамсея» — необычный раздел математики, выросший из его работ^[26].

Вот небольшой классический пример, дающий представление о теории Рамсея: в любой группе из шести человек, где все либо попарно дружат, либо враждуют, найдется либо группа из трех человек, которые все между собой дружат, либо группа из трех враждующих между собой людей.

К мыслям Фрэнка Рамсея следует прислушаться. Его возражения против сверхъестественных масштабов физического мира заслуживают серьезного внимания.

Моя картина мира нарисована в перспективе. Она не похожа на модель в масштабе. У меня на переднем плане человеческие существа, а все звезды малы, как трехпенсовые монетки. По-настоящему в астрономию я не верю, считая ее сложным описанием какой-то стороны чувственного восприятия человека и, возможно, животного. Я применяю свою перспективу не только к пространству, но и ко времени. Однажды мир остынет и все умрет; но все это будет еще не скоро, и сейчас, в общем масштабе, значимость этого события практически ничтожна^[27].

Одна из знаменитых обложек журнала New Yorker отражает ту же мысль. На ней изображена «карта мира», где фоном для Манхэттена, занимающего большую ее часть, служит нарисованная пунктиром остальная планета.

Позиция Рамсея — здравый ответ на концепцию «жалкой песчинки». Пространства равных объемов имеют равный потенциал быть заполненными материей и движением, но это не значит, что они равны по значимости. Однообразные пустые области не слишком интересны. То же касается равных интервалов времени: все они одинаково заполняются тиканьем часов, но не все одинаково важны. Большинство из нас сосредоточено в основном на ближайших событиях. Это закладывается с детства: так мы приспосабливаемся к окружающей реальности.

Однако Рамсей, отстаивая подобную точку зрения, заходит слишком далеко. Когда он говорит, что не верит в астрономию, я не верю ему. Напротив, его утверждение наводит меня на мысль, что необозримость космического пространства и времени волнует его так же глубоко, как и Паскаля. К сожалению, отрицая их значимость, он лишил себя источника вдохновения, пренебрег возможностью стать не только великим математиком, экономистом и философом, но еще и великим космологом.

Мы способны воспринять как то, сколь много всего «снаружи», так и то, сколь много всего «внутри». Одно не противоречит другому, и нам не надо выбирать что-то одно. Если оценивать нас с разных сторон, получается, что мы и малы и велики. Обе точки зрения открывают важные истины о нашем месте в мироустройстве. И, приняв их, мы научимся всесторонне и реалистично воспринимать реальность.

ИЗБЫТОК ВРЕМЕНИ

О времени можно сказать то же, что и о пространстве: его много как снаружи, так и внутри. Хотя необъятность космического времени подчеркивает нашу незначительность, бездна времени — и внутри нас.

В романе «Создатель звезд» гениальный родоначальник научной фантастики Олаф Стэплдон пишет: «И вся его [человечества] история с ее миграциями, империями, философскими теориями, гордыми науками, социальными революциями, растущим стремлением к единению была не более чем искоркой в жизни звезд»^[28]. Римский философ Сенека в сочинении «О скоротечности жизни» высказывает противоположную точку зрения. «Большинство смертных жалуется… на коварство природы, — пишет он. — <…> Жизнь дана нам достаточно долгая, и ее с избытком хватит на свершение величайших дел, если распределить ее с умом»^[29].

Как мы увидим, правы оба — и Стэплдон, и Сенека.

ЧТО ТАКОЕ ВРЕМЯ?

Чтобы не погрязнуть в неясностях и бессмыслице, остановимся на минутку, вдохнем поглубже и зададим себе принципиальный вопрос: «Что такое время?» Как философское понятие, время представляется менее осязаемым, чем пространство. Мы не можем свободно в нем перемещаться, не можем даже вернуться в какой-либо выбранный момент. Время, которое прошло, — прошло навсегда. То самое мгновение не поймать: вот оно есть, а вот его нет — и оно никогда не повторится.

Христианский философ Аврелий Августин так сформулировал это свойственное всем чувство замешательства: «Что же такое время? Если никто меня об этом не спрашивает, я знаю, что такое время; но если бы я захотел объяснить кому-либо — нет, я не знаю, что это»^[30].

На наш вопрос есть остроумный, но несерьезный ответ: «Время — это то, что не дает всему случиться одновременно». Эти слова часто приписывают Эйнштейну, но на самом деле они принадлежат автору научно-фантастических романов Рэю Каммингсу.

Другой многозначительный ответ гласит: «Время — это то, что измеряется часами». Хотя сначала он кажется столь же несерьезным, зерно правды здесь есть. Эта мысль и станет нашей отправной точкой.

В природе много регулярно повторяющихся явлений. О циклической смене дня и ночи, фазах Луны, временах года и биении сердца знают все по собственному опыту. Например, если в состоянии покоя сравнить пульс двух человек, то (при достаточном числе биений) мы получим примерно равное соотношение. А в каждом лунном цикле — почти одинаковое количество дней.

На первый взгляд цикличность времен года в контексте капризов погоды представляется не столь четкой. Чтобы предсказывать смену сезонов точнее, некоторые цивилизации разработали методику астрономического хронометража. Люди пришли к мысли день за днем следить за движением Солнца на небосводе: где оно восходит, где садится, как высоко поднимается. Подобные изменения гораздо более предсказуемы, чем колебания погоды. Наблюдая за траекторией Солнца, люди смогли гораздо точнее определить такие понятия, как год и времена года, что оказалось очень полезно. Астрономические времена года отсчитываются от точек солнцестояний (зимнего и летнего), отмечающих экстремальные склонения Солнца к северу или югу относительно экватора Земли, и равноденствий (весеннего и осеннего), когда положение Солнца меняется наиболее быстро. В периоды солнцестояния разница между продолжительностью дня и ночи максимальная, тогда как в периоды равноденствия она практически отсутствует. Год — это интервал, проходящий между полными циклами изменений.

Наметив эти ориентиры, люди обратили внимание, что год за годом на каждый сезон приходится одно и то же количество дней или лунных месяцев. Они сконструировали календари, значительно облегчившие им жизнь. Так, календари помогали земледельцам принять решение о начале посевов и оценить сроки уборки урожая, а охотникам — понять, когда ожидать миграции животных.

Подобным образом синхронизировано множество разных циклических процессов, психологических и астрономических. Они маршируют под звуки одного и того же барабана. Любой из процессов можно использовать, чтобы измерить другой^[31]. Осознание существования общей скорости изменений, универсального темпа позволяет далеко продвинуться в понимании физического мира. Чтобы как-то описать этот темп, мы говорим, что нечто устанавливает связь между всеми циклическими процессами, указывает им, когда повторяться. По определению это нечто и есть время — барабанщик, определяющий развитие событий.

Есть еще два свидетельства реальности времени, ключевых для человека. Одно можно объяснить на примере музыки. При совместном исполнении произведения, танца или песни мы полагаемся на синхронность действий участников. Хотя это так привычно, что воспринимается как нечто само собой разумеющееся, подобная синхронность убедительно свидетельствует, что с высокой степенью точности представление о течении времени у нас общее.

Еще одно, возможно самое важное для нас, проявление времени относится к циклу человеческой жизни. Почти все новорожденные развиваются по одному графику: начинают ходить, говорить, проходят другие важные этапы развития по прошествии определенного числа месяцев (или дней, или недель). Рост людей увеличивается, они достигают пубертатного возраста, мужают и стареют — все происходит закономерно и тесно связано с количеством прожитых лет. Каждый из нас словно часы, хотя определить по ним точное время трудно.

Как видно из истории человечества, время контролирует нециклические процессы точно так же, как и циклические. По мере развития науки, систематического изучения движения и других изменений физического мира люди снова и снова (во всяком случае, до сих пор) обнаруживали некие общие ритмы. Изменение положения астрономических тел, изменение положения тела под действием силы, протекание химических реакций, распространение световых лучей — все это и многое другое разворачивается в темпе^[32] единого времени.

Сформулируем это по-другому: есть величина, которую обычно обозначают буквой t. Она входит в фундаментальные уравнения, описывающие изменения в физическом мире. Ее же люди имеют в виду, спрашивая: «Который час?» Вот это и есть время. Время — это то, что измеряют часы, а все, что меняется, может быть часами.

ИСТОРИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ: ЧТО МЫ ЗНАЕМ И ОТКУДА

В предыдущей главе, оглядываясь на Большой взрыв, мы уже измеряли космическое время. С тех пор прошло 13,8 миллиарда лет. Это и в самом деле очень много; в такой невообразимый срок вместились бы сотни миллионов человеческих жизней. Но Большой взрыв мало соотносится с нашим опытом. Чтобы почувствовать, насколько огромно это время, рассмотрим несколько более близкую к нам историю.

Есть два способа измерения больших временных интервалов: датирование с помощью радиоизотопов и звездная астрофизика — оценка по времени жизни звезд. Обсудим их по очереди.

Радиоактивное датирование основано на существовании изотопов, то есть атомов одного вещества, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Атомы с такими ядрами обладают почти одинаковыми химическими свойствами, но многие из них нестабильны. Их ядра распадаются, причем каждое имеет характерное время жизни — и нередко у разных изотопов одного вещества оно различается очень существенно. Эти две характеристики — одинаковые химические свойства и разное время жизни — используют для радиоактивного датирования.

Остановимся на одном важном примере радиоактивного датирования — с использованием углерода. Наиболее распространенный изотоп углерода ¹²C («углерод-12») содержит шесть протонов и шесть нейтронов; его ядра очень стабильны. А вот другой важный изотоп — ¹⁴C («углерод-14») — нестабилен, или «радиоактивен».

Время полураспада изотопа ¹⁴C составляет примерно 5730 лет. Это значит, что, если образец материала содержит атомы ¹⁴C, через 5730 лет половина из них исчезнет. Распадаясь, ядра ¹⁴C испускают электроны и антинейтрино и превращаются в ядра азота (¹⁴N). Процессы такого типа — радиоактивность и слабое взаимодействие — мы обсудим подробнее ниже.

Конечно, мы не должны ждать 5730 лет, чтобы свериться с этой картиной. Даже очень маленькие органические образцы содержат много атомов углерода, и за малые интервалы времени можно зафиксировать много радиоактивных распадов. Изучая выход электронов, мы видим, что за равные промежутки времени распадается равная доля имеющихся в образце ядер ¹⁴C.

Поскольку возраст Вселенной гораздо больше 5730 лет, возникает вопрос: почему этот изотоп вообще еще существует? Ответ таков: под действием космических лучей в атмосфере образуются новые ядра ¹⁴C. Так компенсируется его распад и поддерживается определенный баланс между изотопами ¹⁴C и ¹²C^[33].

Живые существа поглощают углерод либо непосредственно из атмосферы, либо вскоре после того, как он растворился в воде. Усвоенный ими углерод отражает текущее соотношение ¹⁴C/¹²C в атмосфере. Но после того как углерод встраивается в тела живых существ, количество распадающегося изотопа ¹⁴C больше не пополняется, и со временем его доля предсказуемо уменьшается. Таким образом, измеряя в биологическом образце соотношение ¹⁴C и ¹²C, можно определить, когда существо, «поставившее» данный образец, было живым и могло усваивать углерод.

Есть два способа измерить это соотношение на практике. Поскольку изотопа ¹²C всегда гораздо больше, чем ¹⁴C, хорошую оценку количества ¹²C можно получить, просто взвесив весь углерод. Чтобы оценить имеющееся количество ¹⁴C, можно измерить радиоактивность, то есть скорость испускания электронов. Поскольку относительное количество распадов ядер ¹⁴C за конкретный интервал времени известно, это измерение позволяет сделать вывод о содержании изотопа ¹⁴C.

Более современный метод — поместить образец в ускоритель, где, используя разницу в движении изотопов ¹⁴C и ¹²C в сильных электрических и магнитных полях, их можно разделить механически. Оба метода дают согласующиеся результаты.

Датирование с использованием углерода широко применяется в археологии и палеобиологии. Так удалось определить возраст египетских и неандертальских артефактов, в том числе мумий. Время создания некоторых египетских памятников можно проверить по историческим источникам, и такая проверка согласуется с датировкой углеродным методом. Неандертальцы не оставили исторических документов, но благодаря углеродному методу датирования мы знаем, что они населяли Европу в течение нескольких сотен тысяч лет и жили там еще совсем недавно, всего около сорока тысяч лет назад.

Мы также можем датировать кости и артефакты, оставленные нашими далекими предками — Homo sapiens. По ним мы узнаём, что человек разумный существует уже около трехсот тысяч лет. Самые ранние свидетельства очень редки, что указывает на малочисленность Homo sapiens: поначалу наш вид был не слишком успешным.

Есть много способов проверить такую датировку. Можно построить лестницу времени, сходную с лестницей расстояний, о которой речь шла выше. Простой, классический и очень красивый пример — старые деревья. Поскольку в разные сезоны клетки непосредственно вблизи коры функционируют по-разному, у деревьев каждый год образуются новые, хорошо заметные кольца. По ним можно убедиться, что с помощью углеродного метода мы правильно определяем как относительный возраст каждого кольца, так и возраст дерева.

Кроме углерода ¹⁴C и ¹²C есть много других пар изотопов с сильно различающимся временем полураспада — и они позволяют измерять гораздо большие периоды. Например, изотопы урана и свинца помогли определить возраст минерала (гнейса) в образцах из Западной Гренландии. Оба изотопа показали, что возраст этих образцов порядка 3,6 миллиарда лет. Отсюда вывод, что горная порода образовалась около 3,6 миллиарда лет назад и с тех пор ее химический состав практически не менялся. Так мы узнали, что возраст Земли как твердой планеты составляет значительную часть — более четверти — возраста Вселенной.

В астрофизической теории есть метод, позволяющий определять возраст звезд. При сжигании ядерного топлива звезды генерируют энергию. По мере расходования топлива они меняют размер, форму и цвет. Например, приблизительно через пять миллиардов лет наше Солнце должно превратиться в красного гиганта. Оно захватит Меркурий и Венеру, и жить на Земле станет довольно неприятно. Еще примерно через миллиард лет Солнце сбросит внешнюю оболочку и превратится в горячий, размером с Землю белый карлик. Затем белый карлик начнет медленно остывать и постепенно, за несколько миллиардов лет, погаснет.

Есть много способов проверить теорию эволюции звезд. Рассмотрим, например, какое-нибудь их плотное скопление. Разумно предположить, что многие из этих звезд образовались примерно в одно время (в космическом масштабе). Если так, их возраст должен быть одинаков. Старея, звезды предсказуемо меняют цвет и яркость. С помощью теории эволюции звезд можно рассчитать отдельно возраст каждой. Астрономы показали, что во многих случаях рассчитанные возрасты звезд действительно согласуются, одновременно и подтверждая теорию, и датируя образование того или иного скопления.

Так, выяснилось, что возраст самых старых звезд почти совпадает с возрастом видимой Вселенной. Иными словами, звезды начали рождаться через один или два миллиарда лет после Большого взрыва. С другой стороны, некоторые звезды довольно молоды и мы также видим области, где они все еще образуются.

Подводя итог, можно сказать, что:

• формирование звезд и планет началось на ранней стадии истории Вселенной, примерно тринадцать миллиардов лет назад; новые звезды продолжают рождаться, хотя и медленнее;

• Солнце и Земля существуют в состоянии, близком к сегодняшнему, около пяти миллиардов лет;

• время существования людей, похожих на нас, гораздо короче — около трехсот тысяч лет. Это соответствует примерно десяти тысячам поколений или пяти тысячам человеческих жизней.

ВНУТРЕННЕЕ ВРЕМЯ: ЧТО МЫ ЗНАЕМ И ОТКУДА

Изобилие внутреннего времени можно осознать, сравнивая продолжительность жизни человека со скоростью основных электрических и химических процессов, позволяющих ему мыслить. Такое сравнение показывает, что за время жизни человек накапливает огромный опыт и невероятное количество представлений и идей.

Скорость мысли

Вольфганг Амадей Моцарт умер, когда ему было тридцать пять лет, Франц Шуберт — в возрасте тридцати одного года, великий математик Эварист Галуа — в двадцать лет, а физик Джеймс Клерк Максвелл — в сорок восемь. Их достижения говорят о том, что за время жизни человек может оставить миру много гениальных идей и творений. Сколько же?

Вопрос поставлен не слишком четко: нет меры скорости, применимой к нашим невероятно разнообразным мыслительным процессам. И все же, я думаю, на него можно дать приблизительный ответ.

Один из фундаментальных факторов, ограничивающих нашу способность обрабатывать сигналы, — время задержки (латентность) импульсов электрической активности (потенциалов действия), с помощью которых нейроны связываются друг с другом. Этот восстановительный период ограничивает число импульсов до нескольких десятков или сотен за секунду. Не случайно частота кадров, при которой мы замечаем, что на самом деле фильм — просто последовательность фотографий, — порядка сорока за секунду. Такова объективная скорость, с которой мы можем обрабатывать визуальные сигналы, превращая их в образы, воспринимаемые мозгом. За жизнь мы обрабатываем около ста миллиардов образов.

Вероятно, число осознанных мыслей, посещающих нас, значительно меньше, но все еще чрезвычайно велико. Например, средняя скорость речи — порядка двух слов в секунду. Если значимую мысль оценить в пять слов, то за всю жизнь мы можем передумать около миллиарда мыслей.

Эти оценки показывают, что для исследования мира нам предоставляется около миллиарда возможностей. В этом смысле внутреннего времени у нас предостаточно. Даже такая оценка может оказаться слишком консервативной, поскольку в мозгу возможна параллельная обработка данных. Иногда, главным образом бессознательно, мы обдумываем несколько вещей одновременно.

В «Песни любви Дж. Альфреда Пруфрока» Томас Элиот говорит о том же с иронией: «Мгновенье на сомненья — и мгновенье / Решимости на мнимую решимость»^[34].

Благодаря достижениям предыдущих поколений мы можем значительно увеличить наши мыслительные ресурсы. Нам не надо с нуля искать способы удовлетворить базовые потребности в еде, питье или тепле. Не надо опять открывать математический анализ, основы современной науки, технологии. Изобретение компьютера и интернета избавило нас от необходимости производить кропотливые вычисления и запоминать большие массивы информации. Мы можем передать часть мыслительного процесса «на аутсорсинг» и освободить больше нашего внутреннего времени для других целей.

Природа не ограничена быстротой человеческой мысли. События могут происходить с гораздо большей скоростью, чем наша скорость обработки образов — сорок за секунду, даже если зрительно воспринимать их мы не можем. А вот «тактовая частота» современного информационного процессора, такого как у высокоскоростного ноутбука, — примерно 10 гигагерц. Это соответствует 10 миллиардам операций в секунду. Транзисторы компьютеров используют движение электронов под действием электрического поля вместо гораздо более медленных процессов диффузии и химических реакций, управляющих нашими нейронами. Именно поэтому искусственный интеллект «соображает» примерно в миллиард раз быстрее, чем естественный.

ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ

История часов и измерений времени внесла большой вклад в физику. Сначала часы представляли собой довольно простые приборы: солнечные измеряли время по положению солнца, песочные основывались на пересыпании песка, а в сходных с ними устройствах использовались перетекание воды, горение свечей и многое другое. Такие легендарные ученые, как Галилей и Христиан Гюйгенс, изобрели механические часы с маятником, которые затем совершенствовались в течение многих десятилетий и вплоть до двадцатого века были эталоном точности.

В двадцатом веке появились более надежные часы, основанные на совершенно других принципах. Маятники и раскручивающиеся пружинки уступили место сначала колеблющимся кристаллам, а затем колеблющимся атомам. Эти крохотные осцилляторы меньше подвержены грубому воздействию извне, а трение в них очень мало. В результате сегодня самые точные атомные часы невероятно стабильны^[35]: их стабильность лучше, чем 10^-18. Это значит, что время, которое покажут двое таких часов, работающих в течение всей жизни Вселенной, будет различаться примерно на секунду. Современные, относительно дешевые компактные (размером с микрочип) атомные часы могут верно показывать время с точностью до 10^-13. Это значит, что они отстанут или уйдут вперед на одну секунду за миллион лет.

Такая невероятная точность может показаться излишней, но на самом деле она очень полезна. В случае спутниковой навигационной системы именно этим обеспечивается точность измерения расстояния. Обратите внимание, что когда речь идет о скорости света, то даже крошечная ошибка при измерении времени приводит к заметной ошибке при вычислении расстояния.

Создание еще более точных часов — сложное и перспективное направление современной физики. Один из недавних результатов в этой области мне особенно дорог: нашлась возможность создать из большого числа взаимодействующих атомов физическую систему, которая увеличит точность одноатомных часов. Идею существования такой системы — темпорального или квантового «кристалла времени» — выдвинул я, а затем ее реализовали физики-экспериментаторы.

Измерение коротких промежутков времени

Как и в контексте пространства, если нас интересуют чрезвычайно короткие временные промежутки, измерения надо проводить другими, не столь прямыми методами. Мы видели, что при измерении расстояния рентгеновская дифракция и рассеяние атомов дают информацию, которую можно конвертировать в карты (то есть в изображения) атомного и субатомного мира. Эти методы связаны с изучением того, как мишени — объекты, которые мы хотим отобразить, — изменяют движение падающих рентгеновских лучей или частиц, бомбардирующих образец.

Чтобы определить временную структуру быстрых событий, используются сходные методы, но теперь существенны изменения энергии, а не направления движения. Мир быстрых событий полон чудес и сюрпризов. Я остановлюсь на нескольких основных моментах и сделаю это настолько кратко, насколько позволяет суть вопроса.

Благодаря мощным лазерам можно изучить последовательность событий, происходящих во многих химических процессах. Фемтохимия создает временные шкалы с шагом, достигающим 10^-15 секунды (одна фемтосекунда). Ведь чем лучше что-то понимаешь, тем лучше можешь это контролировать. Лазерная коррекция зрения использует фемтосекундные лазерные импульсы для операций на роговой оболочке.

Еще большее временное разрешение удается получить, используя ускорители высоких энергий. Позднее мы более подробно займемся этим вопросом. Бозон Хиггса, открытие которого стало триумфом физики двадцать первого столетия, крайне нестабилен. Его время жизни — всего 10^-22 секунды. Это значит, что для получения свидетельств его существования физикам потребовалось реконструировать события такого временного масштаба.

БУДУЩЕЕ ВРЕМЕНИ

Прикладное физическое время

Общая теория относительности Эйнштейна двигалась от триумфа к триумфу, как теория гравитации. Она учит нас, что пространство-время может изгибаться и деформироваться. Это подогревает мечты о путешествиях в прошлое и будущее, порталах, кротовых норах и варп-двигателях^[36]. Могут ли эти фантазии стать инженерной реальностью?

У меня мало надежды, что в обозримом будущем мы сможем манипулировать физическим временем. По иронии судьбы обнаружение LIGO гравитационных волн — возможно, наиболее убедительное подтверждение общей теории относительности — также подкрепляет мое мнение.

Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) — превосходный прибор, разработанный специально для того, чтобы фиксировать малейшие искривления пространства-времени. Он реагирует на изменения относительного положения разнесенных на четыре километра зеркал, которые в тысячу раз меньше ядра атома. Однако даже при такой чувствительности ему едва удалось обнаружить искажения, возникшие при коллапсе двух черных дыр, каждая из которых в несколько раз массивнее Солнца. Вывод прост: деформировать пространство-время можно, но работа эта очень трудная.

Прикладное психологическое время: прыжки и развороты

Физическое время нельзя изогнуть: оно непрерывно течет в одном направлении и одинаково для всего сущего. Психологическое время — это совсем другое. Оно может извиваться, ветвиться и довольно резво скакать. С помощью памяти можно возвращаться в прошлое и двигаться по нему быстро или медленно, перепрыгивать с события на событие, менять их, представляя себе, как все могло бы сложиться. Мы запросто придумываем различные варианты будущего и планируем свои действия так, чтобы реализовать желаемый. Возможно, это и есть основная задача наших лобных долей — массивных извилистых выступов мозга, которые значительно отличают нас от животных.

Кстати, компьютеры, по сути, неподвластны времени. Они могут возвращаться в прежние состояния и выполнять параллельно несколько программ. Искусственный интеллект, основанный на таких технологиях, сможет конструировать свое психологическое время с большой точностью и вариативностью. Вероятно, у него даже будет возможность «проживать» доставляющие удовольствие моменты вновь и вновь, причем так же остро, как и в первый раз.

Прикладное психологическое время: скорость

Как мы уже говорили, существует огромная пропасть между скоростью нашего мышления и скоростью «мышления» современного компьютера — эти скорости различаются в миллиарды раз. Фундаментальные фемтосекундные атомные процессы происходят еще во много тысяч раз быстрее. Таким образом, есть временное пространство, куда в каждый момент может поместиться гораздо больше событий.

Перед умело объединенными разумами человека и машины или полностью искусственным интеллектом открываются значительные возможности увеличить стандартную скорость мышления. Если не случатся катастрофическая ядерная война или потепление климата, именно это вскоре и произойдет — по моим оценкам, за несколько десятилетий.

Возможна и более фантастическая картина. Представьте себе сверхбыстродействующий интеллект на основе субатомных процессов. Эта тема обыгрывается в романе «Яйцо дракона» Роберта Лалла Форварда, написанном в жанре «твердой» научной фантастики^[37]. Форвард придумал разумную цивилизацию, чила, живущую на поверхности нейтронной звезды. Здесь царствует ядерная, а не атомная химия. При ядерных реакциях выделяется гораздо больше энергии, и потому они протекают быстрее. Эпохи истории чила меняются в мгновение ока. Прилетевшие с Земли астронавты сталкиваются с дикой, отсталой в научном отношении формой жизни, но через полчаса обнаруживают, что чила, получив доступ к библиотекам землян, намного их опередили.

Прикладное психологическое время: срок жизни

В «Путешествии Гулливера» Джонатан Свифт знакомит нас с расой бессмертных — струльдбругов. Вот только эти бессмертные все равно стареют и становятся немощными, жалкими созданиями — обузой для общества. Несчастье или зло бессмертия — лейтмотив многих мифов и литературных произведений. Нас предостерегают: говоря о долголетии, будьте осторожны в своих желаниях.

Честно говоря, я думаю, что это притворство — близок локоть, да не укусишь. Когда смерть разрушает память и накопленное знание, это ужасно и расточительно. Увеличение продолжительности жизни здорового человека должно стать одной из приоритетных задач науки.

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]

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] — 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] — 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].

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].

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]. 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], 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].

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].

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], 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]. 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.

С другой стороны, элементарные частицы — на самом деле крошечные гироскопы. Их угловой момент очень мал. Когда угловой момент становится настолько малым, мы переходим в область квантовой физики. Часто выясняется, что в квантовой механике величины, считавшиеся непрерывными, могут изменяться только небольшими дискретными порциями, или квантами, — отсюда и название квантовой механики. Так обстоит дело и с угловым моментом. Согласно квантовой механике, имеется минимальное теоретическое значение величины углового момента тела. Все возможные угловые моменты равны целым числам, умноженным на это минимальное значение.

Оказывается, электроны, кварки и некоторые другие элементарные частицы обладают угловым моментом, в точности равным его минимальному теоретическому значению. Физики, указывая на это, говорят, что электроны и другие представители этого класса элементарных частиц обладают спином ½. Есть любопытная, связанная с математикой причина, объясняющая, почему физики называют фундаментальную единицу углового момента спином ½, а не спином, равным единице, но этот вопрос выходит за рамки нашей книги.

В завершение темы хочу рассказать свою личную историю. Спин изменил мою жизнь. Мне всегда нравились математика и головоломки, а в детстве я любил играть с юлой. В университете я выбрал математику основной специальностью. Во время последнего семестра привычную жизнь кампуса Чикагского университета нарушили студенческие волнения. Расписание составлялось на скорую руку и посещать занятия стало не столь обязательно. Питер Фройнд, знаменитый профессор физики, предложил прочесть спецкурс о применении математической теории симметрии в физике. Я воспользовался возможностью посещать его лекции, хотя и не был достаточно подготовлен для них.

Когда профессор Фройнд говорил, его сияющие, широко открытые глаза сверкали восторженным энтузиазмом. Он показал нам, как необычно красивые математические рассуждения, основанные на идеях симметрии, связаны с возможностью предсказывать поведение наблюдаемых физических величин. Для меня наиболее впечатляющим примером такой связи стала, и до сих пор остается, квантовая теория углового момента, о которой он нам рассказывал. Когда вращающаяся частица распадается и при этом рождается несколько других (ситуация вполне заурядная в квантовом мире), квантовая теория углового момента предсказывает соотношения между направлениями разлета продуктов распада и направлениями их осей вращения. Такие предсказания требуют довольно сложных расчетов, а их результаты совсем не очевидны. Но они работают!

Ощущение неразрывной гармонии между двумя разными вселенными — вселенной красивых идей и вселенной физических процессов — стало для меня своего рода духовным пробуждением, а потом и легло в основу моей профессии. И я не разочаровался.

ФИЛОСОФИЯ СВОЙСТВ

Еще раз хочу подчеркнуть: в триединстве характеристик материи — массы, заряда и спина — наиболее важно и замечательно именно то, что их так мало. Указав для любой элементарной частицы значения этих трех величин, а еще координаты и скорость, вы опишете ее полностью.

Как это отличается от реалий повседневной жизни! Объекты, с которыми мы привыкли иметь дело, очень многогранны: у них есть размер, форма, цвет, запах, вкус и еще большое количество характеристик. А если мы описываем человека, уместно также указать его пол, возраст, особенности характера, состояние ума и многое другое. Все эти свойства дают нам более или менее независимые фрагментарные сведения об объектах и людях. Ни одна составляющая этого набора не определяет остальные. Демокрит был прав: контраст между простотой фундаментальных составляющих мира и сложностью того, что они образуют, поразителен.

Но, вопреки представлениям Демокрита, у наших фундаментальных составляющих нет крючков. Более того, это даже не твердые тела. Хотя их удобно называть элементарными частицами, но на самом деле это не совсем частицы, то есть у них мало общего с тем, что мы вкладываем в понятие «частица». Согласно современным концепциям, фундаментальные составляющие не имеют размера или формы. Если мы непременно хотим их визуализировать, можно представить себе бесструктурные точки c концентрацией массы, заряда и спина. Вместо «атомов и пустоты» мы опираемся на категорию «пространство-время» и свойства.

ПОДРОБНОСТИ

Не все элементарные частицы созданы равными. В нашем представлении о мире они играют разные роли. Некоторые доминируют в повседневной жизни, другие проявили себя в астрономии и астрофизике. А еще есть элементарные частицы, роль которых пока не до конца ясна.

Другими словами, у нас есть частицы построения, частицы изменения и бонусные частицы. Для профессиональных физиков и астрономов все они необычайно интересны, но частицы построения, безусловно, самые важные для мира, с которым мы имеем дело, поэтому здесь я расскажу о них. Некоторые сведения о других частицах вынесены в приложение.

Частицы построения

Грубо говоря, обычная материя — та, с которой мы имеем дело в биологии, химии, геологии и технике. Одно из главных достижений современной науки — возможность определить обычную материю совсем по-другому и более точно: это материя, которую можно построить из электронов, фотонов, двух типов кварков, обычно называемых нижними и верхними, и глюонов.

Итак, материя повседневной жизни, из которой состоят и наши тела, строится из пяти разных кирпичиков — пяти типов элементарных частиц. Каждый определяется несколькими понятными характеристиками.

(Что означают звездочки, я объясню позднее.)

Для начала позвольте вкратце напомнить «классическое» описание атома, составленное в начале ХХ века. Ниже мы его уточним. Согласно ему, атом состоит из маленького ядра в центре, окруженного облаком электронов. Электростатическое притяжение связывает электроны с ядром. В ядрах сосредоточены практически вся масса атома и весь его положительный электрический заряд.

Ядра, в свою очередь, образованы из протонов и нейтронов, чья масса примерно в две тысячи раз больше массы электрона. Протоны несут положительный электрический заряд, причем положительный заряд одного протона уравновешивает отрицательный заряд одного электрона. Нейтроны не обладают электрическим зарядом. Таким образом, когда число электронов, окружающих ядро, равно числу протонов внутри него, заряд атома в целом равен нулю и атом электрически нейтрален.

Электроны — первые открытые элементарные частицы и во многом наиболее важные. Впервые существование электронов однозначно установил Дж. Дж. Томсон в 1897 году. Он изучал электрические разряды — по сути, искусственные молнии — в так называемых вакуумных трубках. Трубки не были абсолютно пустыми (иначе там не оказалось бы электронов), но воздуха в них было так мало, что находившиеся внутри частицы могли двигаться без столкновений^[49]. Прилагая электрические и магнитные поля, Томсон наблюдал за отклонением в разных местах лучей разряда, что позволило определить его наиболее существенную компоненту. Эта компонента присутствует во всех разрядах вне зависимости от того, каким газом наполнена трубка, и направление луча особенно легко меняется в магнитном поле. Если точнее, форма «ответной молнии» совпадает с траекторией, которую можно рассчитать в соответствии с законами электричества и магнетизма при движении заряженных, обладающих массой точечных объектов. Томсон предположил, что эти разряды состоят из частиц, имеющих определенную массу и заряд. Так родился электрон. Открытие потоков таких частиц означало, что они относятся к основным, универсальным структурным элементам материи.

Работы Томсона вдохновили многих исследователей. Вскоре углубленный анализ природы материи привел к появлению столь известной и уже привычной всем прикладной науки — электроники. Ее значение трудно переоценить.

Поведение электронов изучено со всевозможных точек зрения, в многочисленных экспериментах. Например, как я упоминал выше, люди научились измерять крошечное магнитное поле, которое генерируют вращающиеся (то есть все) электроны. Это можно сделать, основываясь на предположении, что электрон обладает только массой, электрическим зарядом и спином и никаких других характеристик у него нет. Выполнить расчет и измерить магнитное поле можно с очень большой точностью — в обоих случаях с точностью до нескольких миллиардных. К счастью, все получающиеся результаты совпадают.

Точное совпадение поведения электрона, предсказанного в рамках удивительно простой модели, с результатами экспериментов — это именно то, что мы и подразумевали, объявив его элементарной частицей. Если бы электроны, как атомы, обладали сложной внутренней структурой, их поведение не было бы таким простым. Например, если бы его заряд был однородно распределен внутри маленького шарика, а не сконцентрирован в точке, теоретическое значение магнитного поля электрона не совпадало бы с измеренным экспериментально. Конечно, если шарик будет достаточно маленьким, разницу можно и не заметить. Но пока природа не дает нам оснований вносить такие сложные поправки.

Сходным образом можно оправдать присвоение титула «элементарная» (пока не доказано обратное) каждой частице, о которой пойдет речь. Все они прошли строгий отбор и отвечают условию: очень малого числа их характеристик (других нет) достаточно, чтобы получить множество значимых, правильных результатов.

В таблице элементарных частиц и их характеристик я использовал массу электрона, чтобы определить масштаб масс всех элементарных частиц, поэтому масса электрона равна 1 по определению. Кроме того, я, как это обычно принято, использовал электрический заряд электрона как меру электрического заряда. Но тут есть небольшое осложнение, возникшее по милости моего кумира, Бенджамина Франклина.

До того как стать известным государственным деятелем и дипломатом, Франклин внес важный вклад в науку об электричестве: открыл сохранение электрического заряда и доказал, что заряды бывают положительными и отрицательными. Как первооткрывателю, Франклину предстояло выбрать, заряд какого типа назвать положительным, а какого — отрицательным. Он решил, что заряд, накапливающийся на стекле, натертом шелком, будет называться положительным. Это случилось задолго до того, как люди узнали об электронах. Так что в соответствии с выбором Франклина у электрона заряд отрицательный. Уже поздно что-то менять, поскольку такой выбор зафиксирован в миллионах книг, статей и электрических схем. Именно поэтому в нашей таблице электрический заряд электрона равен –1.

Следующими открытыми элементарными частицами были фотоны. О существовании света было известно всем животным и, пожалуй, растениям задолго до начала человеческой истории. С другой стороны, открытие того, что свет распространяется дискретными порциями, началось с предположения. Фотоны — элементарные порции света.

Эйнштейн первым выдвинул такое предположение в 1905 году. Это был «год чудес», куда поместились специальная теория относительности, существование атомов (броуновское движение) и E = mc². Эйнштейн назвал это предположение гипотезой о квантах света. (Слово «фотон» ввел в 1925 году выдающийся химик Гилберт Льюис.) Столь революционную идею встретили в штыки. Через восемь лет, в 1913 году, при избрании Эйнштейна в Прусскую академию наук, Макс Планк^[50] в конце своей хвалебной рекомендации извинился за досадную абсурдность некоторых идей Эйнштейна. Планк писал: «То, что иногда, как, например, при выдвижении гипотезы о квантах света, он может зайти слишком далеко в своих предположениях, не должно ставиться ему в вину».

Как ни забавно, предположение Эйнштейна основывалось на работе самого Планка. Опираясь на эксперименты по измерению светимости нагретого тела, Планк пришел к выводу, что свет испускается и поглощается дискретными порциями (речь идет о так называемом излучении абсолютно твердого тела). Эйнштейн интерпретировал это утверждение как то, что свет состоит из дискретных порций, и точка. Это уточненное толкование позволило ему предсказать результаты нескольких других экспериментов, которые, в принципе, можно было бы поставить, но при уровне развития науки в 1905 году они были очень сложны. И только в 1914 году, через год после письма Планка, опыты Роберта Милликена^[51] стали решающими для проверки гипотезы Эйнштейна.

Хотя Эйнштейн несомненно заслужил несколько Нобелевских премий, получил он только одну — в 1921 году, за работу о квантах света^[52]. Сам Эйнштейн считал ее наиболее революционной.

Изучая поведение материи при энергиях более высоких, чем те, которые были доступны в начале ХХ века, мы обнаруживаем отдельные фотоны, энергия и импульс которых достаточно велики. По этой причине их гораздо проще отождествить с частицами. Фотоны высокой энергии известны как гамма-лучи. С помощью счетчика Гейгера можно услышать, как гамма-лучи — щелчок за щелчком — объявляют о своем прибытии.

Как электроны и ядра, фотоны следует считать составными частями атомов. Действительно, по природе фотоны — это «глюоны»^[53]. Именно фотоны — электрические поля в их коллективном воплощении — склеивают атомы, связывая электроны и ядра.

А вот протоны и нейтроны не относятся к элементарным частицам: их поведение слишком сложно. Легко описать модель протонов и нейтронов, которую мы используем сегодня, но построить и обосновать ее было нелегко. В целом она походит на модель атомов. Два типа похожих на электроны частиц — их называют u-кварки и d-кварки — связаны вместе глюонами — частицами, напоминающими фотоны.

Хотя в главном эти модели сходны, есть существенные различия в том, как «собраны» атомы (из электронов, фотонов и ядер) и протоны (из кварков и глюонов).

• Электромагнитное взаимодействие, обусловленное электрическим зарядом, гораздо слабее сильного взаимодействия, обусловленного цветным зарядом. Именно поэтому размер ядра атома, в котором протоны и нейтроны прочно связаны сильным взаимодействием, гораздо меньше размера самого атома.

• Электроны всегда отталкиваются друг от друга. Однако поскольку цветов три, то силы, связывающие кварки, сложнее и могут быть силами притяжения. Благодаря такой возможности кваркам, в отличие от электронов, для связи не требуются «ядра», состоящие из чего-то, отличного от них самих.

• В то время как фотоны электрически нейтральны, цветные глюоны — их аналоги, отвечающие за сильное взаимодействие, — сами несут цветной заряд. Глюоны чувствуют сильное взаимодействие так же, как кварки (на самом деле даже сильнее). И это еще одна причина, в силу которой протоны и нейтроны более однородны, чем атомы. Носители взаимодействия сами в нем тоже участвуют.

Чтобы завершить описание кварков и глюонов, нужно рассказать об их массах^[54]. С глюонами все просто: масса глюонов, как и фотонов, равна нулю. Главное, что надо знать о кварках, — то, что их массы велики по сравнению с массой электрона, но очень малы в сравнении с массами протонов и нейтронов.

Может показаться парадоксальным, что масса протона гораздо больше масс того, из чего он состоит. На самом деле этот парадокс разрешим — благодаря выводу, что источником всей нашей массы (массы составляющих нас протонов и нейтронов) является энергия. И это высочайшее достижение человека в понимании природы.

Точно измерить массы u-кварков и d-кварков трудно. Дело в том, что выделить влияние их масс на фоне других, более значительных эффектов проблематично. Так что в таблице я указал наилучшие оценки их значений, отметив это звездочкой.

В наш список частиц построения следует добавить гравитоны — именно из них состоят гравитационные поля. Фотоны связывают атомы и молекулы; глюоны — кварки, протоны и атомные ядра; а гравитоны — планеты, звезды, галактики и вообще большие объекты.

Гравитоны никогда не регистрировались как отдельные частицы: поскольку электрический заряд у них нулевой, а цветной отсутствует, по отдельности они очень слабо взаимодействуют с обычной материей. Но каждая из перечисленных выше характеристик гравитонов непосредственно связана с наблюдаемыми свойствами сил, ими порождаемых. Мы наблюдаем действие гравитационных сил, а в последнее время и гравитационные волны. Все это результат кумулятивного действия множества отдельных гравитонов. Их масса равна нулю, поэтому они очень легко образуются в больших количествах.

Из-за относительно большого спина взаимодействия гравитонов сложнее, чем у других элементарных частиц. Ключевые черты теории гравитации Эйнштейна — общей теории относительности — следуют непосредственно из свойств гравитона, связанных со спином. И этот факт — впечатляющая демонстрация значимости наших трех основных атрибутов материи — массы, заряда и спина — для всеобъемлющего описания ее поведения. Путь, которым сам Эйнштейн пришел к созданию общей теории, был невероятно талантливым, но гораздо менее прямым.

На этом завершается наш обзор частиц — кирпичиков, из которых построена материя. Если вы впервые столкнулись с этими идеями, непривычные концепции и их конкретное воплощение могут с трудом укладываться в голове. Тем не менее главная мысль ясна: физический мир выстроен из очень небольшого числа разных составляющих. Более того, эти составляющие предельно просты в том смысле, что определяются всего несколькими характеристиками.

БУДУЩЕЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ

Список элементарных частиц существенно короче английского алфавита и гораздо короче периодической системы Менделеева. Вместе с законами, описывающими силы — их всего четыре, — составляющих из этого списка достаточно, чтобы эффективно и успешно описать материю. Об этом я расскажу в следующей главе. Здесь же мы остановимся на заманчивых гипотезах о том, как можно сделать описание материи еще компактнее.

Но сначала я хотел бы рассмотреть будущее элементов построения мира под другим углом зрения. Я опишу две стратегии «изготовления» новых полезных «элементарных частиц». Обе они вдохновлены самой природой. Одна — появившаяся под влиянием физики — основана на движении снаружи внутрь. Другая, фундаментом которой стала биология, предлагает двигаться изнутри наружу.

Творение частиц, версия первая: о дивный новый мир

Те же представления, на которые мы опирались, анализируя мир в целом, можно отнести и к веществам. Если в материю добавить немного энергии, заряда или спина, в большинстве случаев обусловленное этим возмущение соответствует некоторому количеству дискретных «порций», или, иначе, квантов. Эти «потусторонние» возмущения называют квазичастицами. Свойства квазичастиц могут быть совсем не такими, как у элементарных частиц в пустом пространстве.

Дырки — простой, но чрезвычайно важный класс квазичастиц. Внутри типичного твердого тела много электронов. Когда твердое тело находится в равновесии, они расположены согласно определенной схеме. Теперь представьте себе, что один электрон вынули — и там, где он должен был быть, образовалась пустота. После того как все успокоится, что может произойти довольно быстро, обычно остается квазичастица. В связи с тем, что появилась она как результат отсутствия одного электрона, ее электрический заряд равен +1 (напомним, заряд электрона равен –1). Мы называем такую квазичастицу дыркой^[55].

Дырки дают нам положительно заряженные (квази)частицы, работать с которыми гораздо легче, чем с их ближайшим аналогом в пустом пространстве — протонами. Дырки играют важнейшую роль в транзисторах и вообще во всей современной электронике. Когда стало понятно, как создавать и использовать дырки, мир изменился.

В других случаях квазичастицы — «кровные родственники» элементарных частиц пустого пространства. Их свойства существенно меняются, когда они оказываются внутри материала. Прекрасный пример связан со сверхпроводимостью. Когда фотоны попадают в сверхпроводник, их масса меняется: теперь она чрезвычайно мала, но не равна нулю. Она зависит от сверхпроводника; ее характерное значение — порядка одной миллионной массы электрона. Для опытного физика появление массы у фотона и есть суть сверхпроводимости^[56].

Мои первые работы по физике касались традиционных элементарных частиц. Но еще намного раньше, во время школьной экскурсии в Bell Labs, произошел случай, врезавшийся мне в память и в конечном счете изменивший мою жизнь. Один из ученых, пытаясь объяснить, чем он занимается, упомянул, что фононы — это кванты колебаний. Я не понял, о чем он говорит, но подумал: это самая классная штука, о которой я когда-либо слышал, — три таинственных понятия, у каждого свое звучное название, и все каким-то образом связаны. По пути домой я пытался разгадать эту загадку и нашел такой ответ: материя сама по себе — целый мир, отличный от нашего, и обитают там свои частицы, отличные от наших. Мне эта идея понравилась.

Открытие новых элементарных частиц происходит медленно. Еще в 1970-х годах все частицы, упомянутые выше, а также те, о которых можно прочесть в приложении к книге, были уже известны, или их существование уверенно предсказывалось. С другой стороны, мир квазичастиц открывает огромный простор для воображения и творчества. Та школьная экскурсия приоткрыла мне новые горизонты.

Через пятнадцать лет я наконец добрался до этих горизонтов. Здесь я упомяну только об одном важном событии. Энионы — квазичастицы с простой памятью. Я ввел такие квазичастицы и дал им название в 1982 году. Сначала это было чисто умозрительным упражнением. Я хотел продемонстрировать, что квазичастицы могут иметь дополнительное свойство — крохотную память о взаимодействиях с другими квазичастицами. (Позднее я узнал, что два норвежских физика Йон Магне Лейнаас и Ян Мирхейм пришли к схожим выводам раньше.) В то время я не думал ни о каком конкретном веществе.

Однако через несколько месяцев я узнал об открытии, получившем название дробный квантовый эффект Холла (ДКЭХ)^[57]. В веществах, где наблюдается ДКЭХ, инжектированный электрон делится на несколько квазичастиц. Каждая из них несет электрический заряд, составляющий долю заряда электрона. Я понял, что такие квазичастицы должны очень своеобразно взаимодействовать друг с другом. Это и заставило меня заподозрить, что они могут быть энионами. В 1984 году нам с Дэном Аровасом и Робертом Шиффером удалось доказать, что это действительно так.

С тех пор я с радостью занимался энионами и сотни других физиков примкнули к нашей «партии». Если память энионов удастся использовать для хранения и обработки информации, есть надежда, что они станут строительными блоками квантовых компьютеров. Для достижения этой цели «Майкрософт» тратит на исследования большие деньги.

Физики и инженеры-изобретатели предложили много других интересных и потенциально полезных квазичастиц. И называются они очень симпатично: спинон, плазмон, поляритон, флюксон и мой любимец — экситон. Одни из них хорошо поглощают энергию излучения, другие — переносят ее с одного места на другое. Если объединить эти два качества, можно использовать их для создания высокоэффективных солнечных энергетических систем.

Дивные новые материи с удивительными квазичастицами станут важной частью будущего. Метаматериаловедение — активно развивающаяся область, целенаправленно занимающаяся их созданием.

Если свыкнуться с мыслью о том, что вещества — пристанище для квазичастиц, неизбежно встает принципиальный вопрос: можно ли и «пустое пространство» считать веществом, квазичастицы которого представляют собой наши элементарные частицы? Можно и должно. Как вы увидите в следующих главах, это очень плодотворное направление рассуждений.

Творение частиц, версия вторая: умные материалы

Биологи предлагают другой сценарий будущего материи. Клетки — «элементарные частицы» самой жизни. Они различаются по форме и размерам, но у всех у них много общих механизмов, позволяющих им функционировать и как вместилища информации, и как химические фабрики. А еще у них свои способы взаимодействия с внешним миром, помогающие накапливать ресурсы и обмениваться информацией.

Клетки — высокоорганизованные физические объекты. Создание с нуля их искусственных аналогов с теми же основными функциональными возможностями — задача исключительной сложности. Если ее удастся решить, станет возможно заменять больные или состарившиеся клетки организма или наделять их новыми способностями, такими как биологическая переработка токсичных отходов в безвредные или полезные материалы. Более практичная краткосрочная стратегия, все успешнее реализуемая многими молекулярными биологами, состоит в небольших модификациях уже существующих типов клеток.

С другой стороны, можно брать пример с биологии, не копируя ее буквально. Машины — это не лошади на колесах, аэропланы — не металлические птицы, а роботы-помощники не обязаны напоминать людей.

Уникальная способность биологических клеток, для которой современные инженеры не могут подобрать даже близкого аналога, — регулируемое воспроизводство. В достаточно благоприятных условиях клетки накапливают необходимые ресурсы для создания новых своих копий — близких, но необязательно точных. Такие различия клеток не случайны, а определяются содержащимися в них программами.

Самовоспроизведение благоприятствует экспоненциальному росту. Если начать с одной клетки, через десять поколений деления появится более тысячи, а через примерно сорок поколений — триллионы, которых хватит для создания тела человека. Различие программ, то есть регулируемость, позволяет генерировать специальные клетки, ответственные за различные функции, — клетки мышц, клетки крови и нейроны.

Возможно, удастся выработать подобные механизмы самовоспроизводства для искусственных элементов, существенно менее сложных в сравнении с биологическими клетками. Успех вероятнее, если поставить более простую цель, чем создание жизнеспособных биологических организмов. Но подобный проект по грандиозности не уступает терраформированию планеты^[58] и созданию огромных, величиной с гору, компьютеров. Все подобные проекты очень схожи по структуре и одинаково снисходительно относятся к деталям. Но регулируемое самовоспроизводство — идея столь перспективная, что, я уверен, в инженерии будущего она займет подобающее место.

Глава 4. Здесь очень мало законов

Фундаментальные^[59] физические законы работают совсем не так, как человеческие. У людей много законов, они разные в разных местах и со временем меняются. Наши законы допускают различные варианты поведения и реагирования. Они не обоснованы длинными цепочками доказательств и однозначных выводов, поэтому эксперты могут толковать их по-разному.

Фундаментальные законы физики работают иначе, причем в каждом из пунктов. Их очень мало, они одинаковы всегда и везде и просто описывают то, что должно произойти. Они записаны в форме математических уравнений, куда входят строго определенные величины, что не оставляет места для неопределенности или несогласия между компетентными экспертами. Вывести следствия из этих законов — вопрос расчета, который можно поручить компьютеру.

Детские представления о мироустройстве, автоматически сохраняющиеся у многих взрослых, гораздо ближе к «человеческой» модели, чем к совершенным законам физики. У нас есть опыт, на основании которого мы оцениваем варианты и делаем выбор. Создается впечатление, что наш мысленный выбор влияет и на физический мир. В частности, представляется, что именно так мы контролируем движение тела. Основываясь на эмпирических правилах, мы предполагаем, как поведут себя те или иные люди и предметы, и только изредка задействуем логические рассуждения и расчеты. Никто не ходит, не ездит на мотоцикле и не ловит летящий мяч на основании законов движения Ньютона, не говоря уже о квантовой теории материи.

Чтобы понять основы устройства мира, надо переосмыслить этот опыт и усвоенные с детства методы. Только тогда мы сможем отойти от законов человеческих и перейти к законам физики.

ТРИУМФ ЛОКАЛЬНОСТИ И СЛАВА ПОЛЕЙ

Опубликованные в 1687 году «Математические начала натуральной философии» Ньютона стали надежной основой для понимания физического мира, доминировавшей в науке практически до конца XIX столетия. В соответствии с тогдашними представлениями законы опис�

Посвящается Бетси

ОТКРОВЕНИЯ[1]

• Из сотен, тысяч разных элементов
• Плетется жизни ткань узорами моментов.
• Рожденье, знания, любовь, седые годы –
• Всё это крохи, что даны природой,
• Даров непрошеных, непознанных оков.
• Вселенной ширь, небесных тел движенье –
• За гранью разума, игры воображенья,
• В законе вечности и языке без слов.
• Нам каждый час диктует перемены,
• А мы бежим, но видим непременно,
• Что далеко тот бег не уведет.
• Нас прошлое влечет своим размахом,
• Но бой часов нам с трепетом и страхом
• Величие его передает,
• А Время смотрит вслед и движется вперед.
• Но сколько б мир ни открывал я вновь,
• Ты мне дороже всех, с тобой моя любовь.

Предисловие. Заново родиться

I

Эта книга об основных уроках, доступных нам благодаря изучению физического мира. Я встречал немало тех, кто интересовался его устройством и жаждал узнать, что говорит о нем современная наука. Среди них были юристы, врачи, художники, студенты, учителя, родители – множество любопытных и умных людей, которым просто не хватало знаний. На этих страницах я попытался рассказать об основных идеях современной физики как можно проще, но не жертвуя точностью. Работая над книгой, я постоянно вел мысленные беседы со своими любознательными друзьями и вспоминал их вопросы.

Для меня ключевые принципы устройства физического мира – нечто гораздо большее, чем голые факты. Безусловно, сами по себе они и убедительны, и удивительно красивы, но и образ мыслей, приведший нас к ним, – тоже огромное достижение. И важно понять, что именно эти принципы говорят о том, как мы – люди – вписываемся в общую картину мира.

II

Я выбрал десять общих принципов устройства физического мира – тех, которые видятся мне ключевыми, – и посвятил каждому по главе. В основной части каждой главы я сначала объясняю тему и рассматриваю ее с разных точек зрения, а затем делаю некоторые обоснованные предположения о ее будущем. Строить эти предположения было увлекательно; надеюсь, что и вас они заинтересуют. Кроме того, с их помощью я стараюсь донести еще одну важную мысль: наше понимание мира не стоит на месте, а постоянно развивается.

Я старательно разграничиваю предположения и факты, а говоря о фактах, указываю способ их наблюдения и вид экспериментов, давших соответствующие результаты. Возможно, наиболее фундаментальный вывод таков: мы и в самом деле очень глубоко понимаем многие свойства физического мира. Альберт Эйнштейн сказал: «То, что [Вселенная] постижима, – это чудо». Это открытие тоже далось человечеству ценой больших усилий.

Именно потому, что постижимость Вселенной так удивительна, ее необходимо доказать, а не просто предположить. И самое весомое доказательство здесь – то, что наше понимание мироустройства, пусть и неполное, открыло нам путь к новым достижениям и делам, великим и невероятным.

Своими исследованиями я пытаюсь заполнить пробелы в нашем понимании мира и придумать новые эксперименты, раздвигающие границы возможного. Создавая эту книгу, я с удовольствием бросил взгляд назад и восхитился успехами, которых сообща достигли целые поколения ученых и изобретателей, живших в разное время и в разных странах.

III

Книга «Основы реальности», кроме того, предлагает альтернативу традиционным религиозным постулатам. Некоторые из затронутых здесь вопросов рассматриваются и в религии, но я обращаюсь к физической реальности, а не к священным текстам или традициям. Многие из моих героев-ученых – Галилео Галилей, Иоганн Кеплер, Исаак Ньютон, Майкл Фарадей, Джеймс Клерк Максвелл – были набожными христианами, представителями своего времени и своей среды. Они постигали и восславляли Бога, изучая Его творения. Взгляды Эйнштейна, человека в общепринятом смысле нерелигиозного, были похожими. Он часто говорил о Боге (или «Старике», как он называл его) в шутливой форме. Известен, например, его афоризм: «Господь Бог коварен, но не зол». Истинный смысл работы этих ученых – как и моей работы при написании этой книги – выходит за рамки догм, как религиозных, так и антирелигиозных. Мне нравится формулировать это так: изучая устройство мира, мы изучаем, как и что творит Бог, и тем самым узнаем, что Он есть. А значит, в каком-то смысле наш поиск знаний – это поклонение, а наши открытия – откровения.

IV

Написание этой книги изменило мое восприятие мира. «Основы реальности» задумывалась как изложение фактов, но переросла в размышление о них. Когда я обобщал материал, передо мной неожиданно возникли две всеобъемлющие темы, ясность и глубина которых меня поразили.

Первая тема – изобилие. Мир большой. Конечно, достаточно вглядеться в ясное ночное небо, чтобы понять, как велико пространство «вне нас». Когда после более тщательного изучения мы отражаем это величие в числах, от их громадности наш мозг вскипает. Но безграничность Вселенной – лишь один из аспектов изобилия Природы, причем не самый важный для человечества.

Прежде всего, как выразился Ричард Фейнман, «внизу полным-полно места»[2]. В каждом из нас гораздо больше атомов, чем звезд в видимой Вселенной, а наш мозг содержит примерно столько нейронов, сколько звезд в нашей Галактике. Вселенная внутри нас не менее велика, чем Вселенная вовне.

Это касается не только пространства, но и времени. Масштабы космического времени поражают. Время, прошедшее с момента Большого взрыва, несопоставимо больше продолжительности жизни человека. И все же – мы поговорим об этом дальше – за свое короткое существование человек переживает гораздо больше ярких осознанных моментов, чем промелькнуло в истории вселенной человеческих жизней. Нам даровано огромное внутреннее время.

Физический мир также изобилует до сих пор не освоенными ресурсами для созидания и познания. Наука выяснила, что вокруг нас этих ресурсов и энергии гораздо больше, чем мы сейчас используем во всех известных и доступных формах. Осознание этого должно придать нам уверенности и разбудить наши амбиции.

Наши не вооруженные приборами органы чувств позволяют воспринимать лишь часть той реальности, которую могут открыть нам научные исследования. Возьмем, например, зрение. Глаза – наш важнейший, самый информативный канал связи с внешним миром. Но сколько же всего они не замечают! Лишь телескопы и микроскопы открывают нам путь к огромному количеству информации, недоступной простому взгляду. Более того, наше зрение ограничено одной октавой – диапазоном видимого света – из всей бесконечной гаммы электромагнитного излучения: от радиоволн, СВЧ и инфракрасного излучения с одной стороны до ультрафиолета, рентгеновских лучей и гамма-лучей с другой. И даже в пределах этой октавы наше цветовое восприятие размыто. Но хотя от наших чувств и скрыты многие аспекты реальности, разум позволяет нам значительно расширять границы восприятия. И это преодоление природных ограничений – наше грандиозное, нескончаемое приключение.

V

Вторую тему книги я обозначу так: чтобы по-настоящему открыть физической Вселенной сердце, нужно «заново родиться». Когда я работал над текстом, родился мой внук Люк. И пока я писал черновик, я наблюдал за ним первые несколько месяцев его жизни. Я видел, как он, широко раскрыв глаза, рассматривает свои ручки и осознает, что сам ими управляет. Я видел удовольствие, с которым он учился хватать предметы. Я наблюдал его маленькие эксперименты: как он эти предметы ронял и искал их, как повторял это раз за разом, будто бы не очень уверенный в результате, как смеялся от радости, находя их. И я понял, что таким способом (и многими другими) Люк строил модель мира. Он делал это с ненасытным любопытством, ведь базовых представлений у него почти не было. Взаимодействуя с миром, он узнавал то, что почти все взрослые считают само собой разумеющимся. Например, что мир делится на «я» и «не-я», что с помощью мыслей можно управлять своими движениями, а чужими – нельзя, и что, рассматривая объекты, мы не меняем их свойства.

Младенцы похожи на маленьких ученых-экспериментаторов. Но их эксперименты, по меркам современной науки, довольно примитивны. Младенцы «работают» без телескопов, микроскопов, спектроскопов, магнитометров, ускорителей частиц, атомных часов и прочих инструментов, которые мы используем, строя наши самые правильные и точные модели мира. Их опыт ограничен небольшим диапазоном температур; они находятся в атмосфере с особым химическим составом и давлением; гравитация Земли тянет их (и все, что вокруг них) вниз, а поверхность Земли поддерживает их… и еще многое другое. Младенцы конструируют модель мира, которая объясняет то, что они испытывают в границах возможностей их восприятия в заданном пространстве. Для практических целей такое общение с миром необходимо: эти полезные уроки, усвоенные в детстве, помогут нам во взрослой жизни. Но современная наука дает понять, что физический мир сильно отличается от модели, которую мы строим в младенчестве.

Если мы снова откроем сердца, разбудим заснувшее любопытство и отбросим предубеждения – то есть позволим себе как бы родиться снова, – мы придем к другому пониманию мира. Мы должны научиться некоторым вещам. В основе мира лежит несколько ключевых строительных блоков, которые подчиняются строгим, но странным и незнакомым правилам. И чтобы разобраться в них, нам лучше отбросить кое-что из уже выученного.

Квантовая механика показывает, что мы не можем наблюдать объект, так или иначе не изменив его. Каждый из нас получает свои уникальные сообщения из внешнего мира. Представьте, что вы с другом сидите в темной комнате и смотрите на тусклую лампу. Сделайте свет очень, очень слабым, например накрыв лампу несколькими слоями ткани. В конце концов и вы, и ваш друг будете видеть только отдельные вспышки. Но вы увидите вспышки в разное время. Свет разбился на отдельные кванты, а квант нельзя разделить между вами. Уже на этом фундаментальном уровне мы можем ощущать себя в разных мирах.

Психофизика показывает, что сознание не руководит большинством действий, а обрабатывает отчеты о них. Отчеты приходят от «несознательных» областей мозга, которые выполняют эту работу. Используя технику, известную как транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС)[3], можно стимулировать двигательные центры левого или правого полушария в головном мозге испытуемого. Сигнал ТМС, правильно поданный в правый двигательный центр, вызовет подергивание левого запястья, а сигнал ТМС, правильно поданный в левый двигательный центр, вызовет подергивание правого запястья. Нейрофизиолог Альваро Паскуаль-Леоне[4] использовал эту технику в простом и гениальном эксперименте, который позволяет сделать глубокие выводы. Он просил испытуемых после получения команды решить, хотят ли они подвигать правым или левым запястьем. Затем им давалось указание после получения дополнительной команды осуществить задуманное действие. В эксперименте использовался сканер мозга, поэтому можно было наблюдать, как двигательные области испытуемых подготавливают движение. Если испытуемый решал подвигать правым запястьем, его левая двигательная область активизировалась; если левым – активизировалась правая. Таким образом, выбор можно было предсказать до того, как испытуемый сделает какое-либо движение. А теперь важный момент. Время от времени Паскуаль-Леоне посылал сигнал ТМС, возбуждающий не тот центр, который соответствовал выбору испытуемого (и, как оказалось, отменяющий этот выбор). В этом случае человек подчинялся сигналу, а не своему изначальному выбору. Интересно то, как люди объясняли случившееся. Они не говорили, что ими руководила какая-то внешняя сила. Они говорили: «Я передумал(а)». Детальные исследования показывают, что наше тело и мозг – физическая основа нашего «я» – вопреки всякой интуиции построены из того же материала, что и «не-я», и неотрывны от него. Мы, как и младенцы, торопимся поскорее во всем разобраться и в результате приходим к неправильным выводам. На пути к более глубокому пониманию мира и себя нам придется многое отринуть, но и многому научиться.

VI

Рождаться заново непросто. Но, как и езда на американских горках, это очень захватывающе. И тех, кто готов почувствовать себя младенцем в науке, ждет награда: мир предстанет перед ними свежим, ясным и удивительно изобильным, таким, каким видел его Уильям Блейк:

• В одном мгновенье видеть вечность,
• Огромный мир – в зерне песка,
• В единой горсти – бесконечность,
• И небо – в чашечке цветка[5].

Введение

I

Вселенная – странное место, а новорожденному она представляется вовсе непонятной. Пытаясь разобраться в ней, малыш учится различать сообщения, поступающие из его внутреннего мира и извне. Внутренний мир включает как физические ощущения – голод, боль, удовлетворенность и желание поспать, – так и область подсознательного, в частности сновидения. К внутреннему миру младенца относятся и некоторые мысли, которые направляют его взгляд, подсказывают, что можно схватить, а немного позже – как говорить.

Построение модели внешнего мира – сложная умственная работа. Малыш тратит на нее много времени. Он учится распознавать устойчивые образы внешнего мира, которые, в отличие от его тела, не реагируют на мысли. Он формирует из этих образов объекты и постепенно понимает, что они ведут себя более-менее предсказуемым образом. В конце концов наш ребенок – уже не малыш – начинает распознавать в некоторых объектах существ, похожих на него, – тех, с кем он может общаться. Обменявшись информацией с этими существами, он убеждается, что у них тоже есть внутренний мир и, что примечательно, во внешнем мире все они взаимодействуют со множеством общих объектов. И эти объекты подчиняются одним и тем же правилам.

II

Научиться взаимодействовать с общим внешним – физическим – миром – безусловно, жизненно важно, и аспектов у такого навыка много. Например, чтобы преуспеть в обществе наших предков – охотников и собирателей, – ребенок должен был получить знания о том, где добыть воду, какие растения и каких животных можно есть, как всю эту еду найти, вырастить или поймать, а затем приготовить – и еще немало других вещей.

В более высокоорганизованных обществах возникли новые потребности: например, научиться делать специальные инструменты, строить прочные здания и следить за временем. Если находились удачные решения проблем, поставленных физическим миром, ими делились с другими, их передавали из поколения в поколение. Так в каждом обществе закладывались основы технологий.

Сложные технологии могли появиться даже в обществах, не подкованных в науке. Некоторые из этих технологий позволили – и все еще позволяют – людям вполне комфортно выживать в сложных условиях, таких как Арктика или пустыня Калахари. В других обществах делался упор на строительство больших городов и грандиозных памятников наподобие египетских и мезоамериканских пирамид. Тем не менее на протяжении почти всей истории человечества технологии развивались стихийно. Удачные технические решения находились более-менее случайно, и если такое происходило, то их передавали в виде своеобразных ритуалов и традиций. Обычно попытки логически их осмыслить не делались, систематические усилия что-либо усовершенствовать не предпринимались.

Такие прикладные технологии позволяли людям выживать, растить детей, не бедствовать и иногда даже отдыхать. Веками для большинства цивилизаций этого было достаточно. У наших предков не имелось возможности узнать, чего они лишены, или понять, что упускаемое может быть важно. Но теперь мы знаем, что им не хватало многого. Этот рисунок, демонстрирующий рост производительности труда со временем, говорит сам за себя – красноречивее всяких слов.

III

Современный подход к пониманию мира зародился в Европе в XVII веке. Отдельные озарения бывали и раньше, и в других частях света, но именно череда прорывов, получившая название научной революции, показала нам, чего может достигнуть человеческий разум, если творчески займется изучением физического мира. Методы и подходы, которые привели к этим прорывам, стали образцами в будущих исследованиях. Так началась наука, которую мы знаем. И она всегда стремилась вперед.

В XVII веке гигантский теоретический и технический прогресс затронул многие области, в том числе конструирование механизмов и кораблей, оптических приборов (включая микроскопы и телескопы), часов и календарей. Люди смогли получать больше энергии, видеть больше и дальше, лучше справляться со своими задачами. Но по-настоящему уникальной и в полной мере заслуживающей свое название научную революцию делает гораздо менее материальная вещь. Изменилось само представление человека о мире: у людей появились новые замыслы, новая уверенность в своих силах.

Метод Кеплера, Галилея и Ньютона сочетает требование учиться у природы и почтительно относиться к фактам. Он также призывает смело и дерзко использовать то, что, как вам кажется, вы узнали и поняли, всюду, где только можно, даже в ситуациях, выходящих далеко за рамки вашего опыта. Если это срабатывает, значит, вы обнаружили что-то полезное. Если нет, вы узнали что-то важное. Я назвал такой подход радикальным консерватизмом, и для меня это важнейшая новаторская идея научной революции.

Радикальный консерватизм консервативен, потому что требует учиться у природы и уважать факты – это ключевые правила любого научного метода. Но он же радикален, потому что велит применять все, что вы узнали, везде, где это стоит попробовать. Это не менее важная грань науки. И это позволяет ей всегда идти вперед.

IV

К формированию нового подхода привело прежде всего развитие небесной механики – дисциплины, описывающей движение объектов на небесном своде. Уже к XVII веку она была хорошо развита.

Задолго до возникновения письменной истории люди установили многие закономерности – чередование ночей и дней, времен года, фаз Луны, – а также изучили регулярное перемещение звезд. С развитием сельского хозяйства стало важно следить за сменой сезонов, чтобы сажать и собирать урожай в наиболее подходящее время. Еще одну мощную, хотя и ошибочную, мотивацию для точных наблюдений за небесными светилами обеспечила астрология – вера в то, что человеческая жизнь напрямую связана с космическими ритмами. В любом случае по тем или иным причинам, а нередко и просто из любопытства, люди внимательно изучали небо.

Выяснилось, что подавляющее большинство звезд движется довольно простым и предсказуемым образом. Сегодня мы интерпретируем это кажущееся движение как результат вращения Земли вокруг своей оси. «Неподвижные звезды» находятся так далеко от нас, что относительно небольшие их смещения либо из-за собственного движения, либо из-за движения Земли вокруг Солнца невидимы без приборов. Но есть исключения: Солнце, Луна и несколько «странников» (планет) – включая видимые невооруженным глазом Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн – ведут себя иначе.

Древние астрономы веками записывали положение этих особых объектов и в конце концов научились предсказывать его изменения достаточно точно. Эта задача требовала геометрических и тригонометрических расчетов по сложным, но четко определенным инструкциям. Птолемей (ок. 100–170) обобщил все эти сведения и создал на их основе математический текст, получивший название «Альмагест». (Магест – греческое слово, означающее «величайший». Аль – определенный артикль в арабском языке.) Этот труд был огромным достижением, но имел два недостатка. Во-первых, сложность правил расчета и, как следствие, их громоздкость. В частности, формулы, которые Птолемей использовал для расчета движения планет, содержали множество параметров, определявшихся из сопоставления вычислений с наблюдениями, а не из глубоких физических законов. Коперник (1473–1543) заметил, что значения некоторых параметров связаны друг с другом удивительно простыми соотношениями. Эти на первый взгляд загадочные, «случайные» соотношения можно было объяснить геометрически, если предположить, что Земля, как и Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, вращается по орбите вокруг ее центра – Солнца, а Луна еще и вращается вокруг Земли.

Второй недостаток труда Птолемея более очевиден: приведенные данные были неточными. Тихо Браге (1546–1601), предвосхищая наступление сегодняшней эпохи Большой науки[6], разработал сложные инструменты и потратил много денег на строительство обсерватории, что позволило наблюдать положения планет с гораздо большей точностью. Новые наблюдения выявили явные отклонения от предсказаний Птолемея.

Иоганн Кеплер (1571–1630) задался целью создать геометрическую модель движения планет, которая была бы и простой, и точной. Он использовал идеи Коперника и внес другие важные технические поправки в модель Птолемея. В частности, он заменил форму орбит, по которым планеты движутся вокруг Солнца, с простого круга на эллипс[7]. Кеплер также предположил, что скорость движения планет вокруг Солнца не является постоянной: чем дальше от Солнца по эллиптической орбите, тем медленнее движение, чем ближе к Солнцу – тем быстрее движется планета[8]. Новая, более простая модель работала значительно лучше.

А мы тем временем вновь обратим взор на поверхность Земли, где Галилео Галилей (1564–1642) тщательно исследовал простые формы движения, такие как качение шаров по наклонной плоскости и колебание маятников. Такие простые исследования, в которых численные интервалы времени сравнивались с пройденными за это время расстояниями, казалось бы, совершенно не связаны с серьезными вопросами о том, как устроен мир. И безусловно, большинству современников Галилея, размышлявших над важнейшими вопросами философии, эти проблемы виделись тривиальными. Но Галилей стремился к иному уровню понимания. Он хотел нечто конкретное понять точно, а не все приблизительно. Он искал – и вывел – математические формулы, которые всесторонне описывали его скромные наблюдения.

Исаак Ньютон (1643–1727) свел воедино геометрию Кеплера, теорию движения планет и динамическое описание движения земных объектов, сделанное Галилеем. Он продемонстрировал, что и теорию движения планет Кеплера, и теорию Галилея для специальных случаев движения лучше всего считать частными проявлениями общих законов – законов, применимых ко всем телам, везде и всегда. Теория Ньютона, которую мы теперь называем классической механикой, стала триумфом: она в том числе объяснила приливы на Земле, предсказала траектории комет и расширила возможности инженерии.

Работа Ньютона убедительно доказывает, что можно решать грандиозные задачи, опираясь на скрупулезный анализ простых случаев. Ньютон назвал это методом анализа и синтеза и заложил основы научного радикального консерватизма.

Вот что сказал сам Ньютон об этом методе:

Как в математике, так и при испытании природы, при исследовании трудных вопросов аналитический метод должен предшествовать синтетическому. Этот анализ заключается в том, что из экспериментов и наблюдений посредством индукции выводят общие заключения… Этим путем анализа мы можем перейти от целого к его составляющим, а от движений – к силам, их производящим; и вообще от результатов к их причинам, от частных причин к более общим, пока аргумент не придет к самой общей причине. Это метод анализа, а синтез состоит в том, что считается, будто причины обнаружены и утверждены в качестве принципов и посредством их объясняются явления, вызываемые ими, и обосновываются объяснения[9].

V

Перед тем как покинуть Ньютона, уместно добавить еще одну его цитату, отражающую его духовное родство с Галилеем и Кеплером, а также со всеми нами, идущими по их стопам:

Объяснить всю природу – слишком сложная задача для любого человека или даже для одного века. Гораздо лучше сделать немного, но достоверно, а остальное оставить тем, кто придет за вами[10].

Более свежая цитата из Джона Робинсона Пирса – пионера современной информатики – прекрасно отражает контраст между современной концепцией научного понимания и всеми другими подходами:

Мы требуем, чтобы наши теории в деталях согласовывались с очень широким кругом явлений, которые они пытаются объяснить. И мы настаиваем на том, чтобы они давали нам полезные советы, а не разумное объяснение[11].

Как прекрасно понимал Пирс, за этот завышенный стандарт мы должны заплатить немалую цену: отказаться от простоты. «Мы никогда больше не будем понимать природу так же хорошо, как греческие философы. Мы знаем слишком много». Мне кажется, эта цена не слишком высока. В любом случае пути назад нет.

Часть I. Чем изобилен мир?

Глава 1. Здесь много пространства

МНОГО СНАРУЖИ И МНОГО ВНУТРИ

Когда мы говорим, что нечто – большое (будь то видимая Вселенная или человеческий мозг), следует спросить: «По сравнению с чем?» Этот поиск аналогий естественен и связан с нашей повседневной жизнью. Именно так мы в детстве создаем свои первые модели физического мира. Его границы, установленные наукой, – то, что мы открываем, когда позволяем себе родиться заново[12].

В контексте повседневной жизни понятие «снаружи» поистине обширно. Мы интуитивно ощущаем масштаб этого снаружи, когда ясной ночью смотрим в усыпанное звездами небо. Даже без обстоятельного анализа ясно, что во Вселенной есть расстояния, несравнимо большие, чем размер человеческого тела, и существенно превышающие те, которые нам когда-либо удастся преодолеть. Научные представления не только подтверждают это, но и существенно усиливают ощущение необъятности.

Масштаб мира может подавлять нас. Например, он угнетал французского математика, физика и религиозного философа Блеза Паскаля (1623–1662), писавшего: «…Вселенная захватывает меня и поглощает, как соринку». Подобные мысли – условно говоря, «Я очень мал, для Вселенной я ничто» – красной нитью проходят через литературу, философию и теологию. Они слышатся во многих молитвах и псалмах. И такие ощущения естественны для человека, судящего о своей значимости по собственному размеру.

Хорошая новость: размер – это еще не всё. То, что у нас внутри, менее масштабно, зато столь же содержательно. Мы приходим к этому, когда смотрим на вещи с другого ракурса. Места внизу много. Во всем, что в самом деле имеет значение, мы более чем велики.

Еще в начальной школе мы узнаём, что основная структурная единица всего на свете – атомы и молекулы. В таких единицах наше тело огромно. Число атомов, из которых состоит тело одного человека, примерно равно 10²⁸, а это единица, за которой следует 28 нулей: 10²⁸ = 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000.

Подобное число далеко за пределами того, что мы можем себе представить. Его можно назвать «десять октиллионов» – и, чуть подучившись и попрактиковавшись, можно научиться делать с ним вычисления. Но обычный разум с подобными числами не справляется: нам никогда не представлялась возможность оперировать ими в повседневности. Визуализация такого количества отдельных точек существенно превосходит вместимость нашего мозга.

В ясную безлунную ночь число звезд, которые видны на небе, не превышает нескольких тысяч. А десять октиллионов – это примерно в миллион раз больше, чем число звезд во всей видимой Вселенной. В этом, очень конкретном, смысле внутри нас помещается целая вселенная.

Вдохновенный американский поэт Уолт Уитмен (1819–1892) интуитивно ощущал нашу внутреннюю огромность. В стихотворении «Песнь о себе» он писал: «Я широк, я вмещаю в себе множество разных людей»[13]. И это радостное прославление изобилия столь же основано на объективных фактах, сколь и космическая зависть Паскаля, но она гораздо больше соотносится с нашим практическим опытом.

Мир велик, но и мы не ничтожны. Правильнее сказать – пространства много, независимо от того, движемся ли мы по шкале размеров вверх или вниз. Незачем завидовать Вселенной только из-за ее масштабов. Мы тоже большие. В частности, мы достаточно большие для того, чтобы наш разум мог вместить всю внешнюю Вселенную. Паскаль это понимал: пожаловавшись на то, что «Вселенная захватывает меня и поглощает, как соринку», он находит утешение в том, что «с помощью мысли я постигаю ее».

Изобилие пространства, его и внешняя, и внутренняя огромность – основная тема этой главы. Бесспорно подтвержденные факты мы рассмотрим подробнее, а затем рискнем продвинуться чуть дальше.

ВНЕШНЕЕ «МНОГО»: ЧТО МЫ ЗНАЕМ И ОТКУДА МЫ ЭТО ЗНАЕМ

Прелюдия: геометрия и реальность

В основе научного разговора о космических расстояниях лежит наше представление о физическом пространстве и о том, как измерять расстояния, то есть геометрия. Именно поэтому мы начнем со связи между геометрией и реальностью.

Непосредственный каждодневный опыт учит нас тому, что объекты, не меняя свойств, могут перемещаться в пространстве. Это наводит на мысль о том, что «пространство» – в некотором смысле хранилище, куда складывает объекты природа.

Развитие таких сфер, как землеустройство, архитектура и навигация, заставили людей измерять расстояния и углы между соседними объектами. Так они выявили закономерности, нашедшие свое отражение в геометрии Евклида.

Хотя со временем практическая деятельность человека становилась все сложнее и обширнее, эта концепция – геометрия Евклида – держалась удивительным образом. Она была столь логична, ее структура была столь стройна, что мало кто пытался проверить правомерность использования этой геометрии для описания физической реальности. Но в начале девятнадцатого столетия один из величайших математиков Карл Фридрих Гаусс (1777–1855) решил устроить такую проверку в реальных условиях. Он измерил углы треугольника, вершинами которого были три стоящие далеко друг от друга высокогорные станции в Германии, и показал, что в соответствии с предсказаниями Евклида их сумма с экспериментальной точностью равна 180°. Работа современной системы глобального позиционирования (GPS) основывается на геометрии Евклида. Каждый день GPS проводит миллионы экспериментов, сходных с экспериментом Гаусса, но в гораздо больших масштабах и с гораздо большей точностью. Посмотрим, как она работает.

Чтобы с помощью GPS выяснить свое местоположение, вы устанавливаете связь с системой передающих сигналы искусственных спутников. Они расположены высоко над Землей и знают свои координаты. (Мы потом расскажем, как это происходит.) Сегодня больше тридцати таких спутников летают по определенным орбитам вокруг земного шара. Их радиосигналы не преобразуются в речь или музыку. Вместо этого в цифровом, приспособленном специально для компьютеров формате спутники посылают простые сообщения о том, где находятся. Эти сообщения включают дату и время отправки (на борту каждого спутника имеются точные атомные часы). Затем происходит следующее.

1. Ваш GPS-приемник перехватывает сигналы некоторых спутников. Это устройство, имеющее еще и доступ к разветвленной сети наземных часов, вычисляет время, которое потребовалось для поступления сигналов от разных спутников. Поскольку сигналы распространяются с известной скоростью (скоростью света), время передачи каждого из них можно использовать для определения расстояния до спутника.

2. Используя эти расстояния, координаты спутников и геометрию Евклида, компьютер с помощью триангуляции (разбиения на треугольники) однозначно определяет положение приемника – то есть ваше.

3. Компьютер сообщает результат, и вы узнаете, где находитесь.

В системе GPS много дополнительных особенностей и возможностей, но основные принципы действия таковы, как описано выше. И они поразительно напоминают мысленный эксперимент Альберта Эйнштейна с системами отсчета, изложенный в его работе по специальной теории относительности. В 1905 году Эйнштейн предложил использовать световые лучи и время их прохождения для определения местоположения. Эйнштейна привлекла эта идея, потому что она опиралась на фундаментальный принцип физики – фиксированную скорость света – для выяснения местоположения предметов в пространстве. Современные технологии позволили реализовать этот мысленный эксперимент на практике.

Потренируйте воображение: представьте, что для определения вашего местоположения достаточно знать расстояния от вас до четырех спутников, координаты каждого из которых известны. Подсказка: точки, расположенные на заданном расстоянии от спутника, лежат на сфере, центром которой он является. Если взять две сферы с разными спутниками-центрами, они, возможно, пересекутся по окружности. Поскольку вы находитесь где-то на пересечении, они обязаны это сделать! Теперь рассмотрите, в каких двух точках пересекается с ними третья сфера. И наконец, сфера, относящаяся к четвертому спутнику, захватит одну из этих точек.

Теперь вернемся к вопросу, откуда спутники GPS знают, где они находятся. Технические детали сложны, но основная идея проста: спутники стартуют из известных точек, а затем отслеживают свое движение. Исходя из этой информации, они рассчитывают свое местоположение.

Более подробно: спутники мониторят свое движение с помощью бортовых гироскопов и акселерометров наподобие тех, которые установлены на вашем iPhone. Исходя из данных этих приборов, компьютер спутника с помощью законов механики Ньютона определяет свое ускорение, а математический анализ позволяет рассчитать, куда спутник переместился. Фактически именно для решения подобных задач Ньютон и изобрел математический анализ.

Если вернуться к сказанному выше, ясно, что разработчики спутниковой навигационной системы основывались на большом числе неочевидных предположений – например, о постоянстве скорости света. Точное время определяется по атомным часам, устройство и интерпретация данных которых основаны на последних результатах квантовой теории. По этим данным положение спутника рассчитывается методами классической механики. А еще вводится поправка на слабую зависимость скорости хода часов от их вращения вокруг Земли. Этот эффект предсказывает общая теория относительности: вблизи Земли, где гравитационное поле сильнее, ход часов замедляется.

В основе спутниковой навигационной системы лежит не только геометрия Евклида. Система GPS устроена очень сложно, так что с ее помощью мы проверяем множество других концепций.

Своим успехом GPS обязана целому набору взаимосвязанных предположений. Любое из них может быть неправильным или, выражаясь более дипломатично, приблизительно правильным. Если бы одно из этих предположений было существенно ошибочным, результаты работы GPS оказались бы несовместимыми, например на разных спутниках расчет координат на основе триангуляции давал бы разные результаты. Сложности при использовании технологии часто могут выявить скрытые недостатки.

Верно и обратное: успех GPS укрепляет нашу уверенность в справедливости всех лежащих в ее основе предположений, включая то, что в земных масштабах геометрия Евклида с достаточной точностью описывает реальную геометрию. И до сих пор GPS работает безупречно.

Если брать шире – наука развивается. Хитросплетение взаимозависимых теорий лежит в основе самых невероятных современных экспериментов и технологий. Доказав свою эффективность, новые смелые разработки укрепляют доверие к вспомогательной базе. Фундаментальные концепции представляют собой клубок взаимно усиливающих друг друга идей – и это еще одна сквозная тема книги.

Заканчивая прелюдию, я должен сделать оговорку. Когда мы рассматриваем пространство огромных космических масштабов, или нам требуется невероятная точность, или мы приближаемся к черным дырам, геометрия Евклида уже не подходит для описания реальности. Альберт Эйнштейн в работах по специальной и общей теории относительности (за 1905 и 1915 годы соответственно) продемонстрировал несостоятельность этой геометрии и показал, как можно выйти за ее рамки. С тех пор большое число экспериментов подтвердило его теоретические построения.

Специальная теория относительности Эйнштейна учит: когда мы измеряем расстояние, необходимо вдуматься и понять, что мы измеряем и как. Реальные измерения занимают какое-то время, а предметы могут перемещаться. На самом деле мы можем измерять интервалы между событиями. События локализованы как в пространстве, так и во времени. Геометрия событий должна строиться не просто в пространстве, а в системе координат большей размерности – в пространстве-времени. Далее общая теория относительности устанавливает, что геометрия пространства-времени может искажаться благодаря влиянию материи или распространяющихся в нем волн искажения. (Подробнее об этом мы поговорим в главе 4 и главе 8.)

В рамках более общей концепции пространства-времени и общей теории относительности геометрия Евклида довольно приблизительна. И все же она достаточно точна, чтобы ее можно было использовать на практике, о чем и говорилось выше. Геометрию Евклида предпочитают геодезисты, архитекторы и разработчики космических программ: она легче, и для работы ее пока достаточно. Хотя более продвинутые теории и точнее, пользоваться ими гораздо труднее.

Однако геометрия Евклида не дает нам законченную, полную модель реальности. Это не отменяет ее математическую стройность и не обесценивает ее многочисленные достижения, но подтверждает мудрость принципиально консервативного подхода Гаусса к проверке фактов. Вопрос отношений между геометрией и реальностью лежит в компетенции природы.