Основы реальности. 10 Фундаментальных принципов устройства вселенной

Фрэнк Вильчек, 2021

Книга лауреата Нобелевской премии по физике с объяснением 10 основополагающих концепций современной науки. Для всех, кто хочет приблизиться к пониманию устройства Вселенной. Наше понимание устройства Вселенной с научной точки зрения является неполным и постоянно развивается. Самое, казалось бы, ясное представление о каждом из основных принципов радикально изменилось всего за последние 100 лет. В то же время новые знания быстро входят в нашу жизнь и становятся фундаментом для следующих революционных открытий и научных достижений. Вчерашняя сенсация – это сегодняшняя норма и завтрашняя история. Один из лучших популяризаторов науки Фрэнк Вильчек в доступной форме описывает основные составляющие физической реальности – пространство, время, материю, энергию и динамическую сложность. Они относятся к тому, «что у нас есть». Помимо этого вы узнаете о том, «каким образом то, что у нас есть, образовалось» – о теории Большого взрыва и возникновении Вселенной. Наконец, самое увлекательное и захватывающее – знакомство с одними из крупнейших проектов современности, расширяющими горизонт наших знаний и раздвигающими границы того, что мы умеем: охота на частицу Хиггса и поиск гравитационных волн, положивших начало новому виду «многоканальной» астрономии. Как ни парадоксально, принципы квантовой механики применимы не только для познания окружающего мира, но и могут помочь человеку решить проблему восприятия самого себя, по-новому и глубже узнать себя и других. Мир прост и сложен, логичен и странен, закономерен и хаотичен. Благодаря этой книге мы сможем оглянуться назад и восхититься успехами, достигнутыми поколений ученых, живших в разные эпохи и в разных странах, а также познакомиться с научно обоснованными предположениями о возможном развитии науки в будущем. Почему решили издать • Автор – лауреат Нобелевской премии по физике • 10 основных концепций современной физики • Уроки, которые мы можем извлечь из изучения физического мира От автора Я встречал многих людей, интересующихся устройством физического мира и жаждущих узнать, как его объясняет современная физика. Среди них были юристы, врачи, художники, студенты, учителя, родители и просто любопытные. Это умные люди, но им не хватает знаний. В этой книге я попытался рассказать об основных идеях современной физики как можно проще и при этом не пожертвовать точностью. Когда я писал эту книгу, я постоянно мысленно беседовал со своими любознательными друзьями и вспоминал их вопросы. Для меня эти основные уроки – гораздо больше, чем голые факты, описывающие то, как устроен и функционирует физический мир. Безусловно, сами по себе эти факты и убедительны, и удивительно красивы. Но и способ размышлений, позволивший нам обнаружить эти факты – тоже огромное достижение. И важно понять, что именно эти основные принципы говорят о том, как мы – люди – вписываемся в общую картину мира. Я выбрал десять общих принципов, которые мне представляются основными. Каждый составляет тему одной главы. В основной части каждой главы я сначала объясняю тему этой главы и рассматриваю ее с разных точек зрения, а затем делаю некоторые обоснованные предположения о ее будущем развитии. Строить эти предположения было развлечением, и я надеюсь, что и их чтение будет увлекательным занятием. Кроме того, я надеюсь с их помощью донести еще одну важную мысль: наше понимание физического мира все еще меняется и расширяется. Оно – живое существо. Я старательно проводил различие между предположениями и фактами, а, говоря о фактах, указывал способ их наблюдения и вид экспериментов, в которых были получены соответствующие результаты. Возможно, наиболее фундаментальный вывод состоит в том, что мы и в самом деле очень глубоко понимаем многие свойства физического мира. Как сказал Альберт Эйнштейн: «То, что [Вселенная] постижима, – это чудо». Это открытие тоже далось человечеству ценой больших усилий. Для кого эта книга Для всех, кто хочет приблизиться к пониманию устройства нашей Вселенной – времени, пространства, материи, энергии, сложности и удивительно красивых физических законов. Для студентов, преподавателей и всех, кто хочет изучать физику с удовольствием и интересом. Для всех, кто хочет получить доступные, но в то же время научные ответы на интересные вопросы об устройстве мира. Для всех, кто мечтает понимать физику. Для всех: те, кто мало знаком с физикой, познакомятся с ней близко, а те, кто физику любит, с удовольствием почитают об одной из главных наук. На русском языке публикуется впервые.

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.

Примечания

6

Этим термином называют изменения, произошедшие в организации науки в индустриальных странах во время и после Второй мировой войны. Большая наука характеризуется большими проектами, требующими больших инвестиций (от государства или группы государств) и создания больших коллективов ученых из разных стран. Прим. пер.

7

Это положение сформулировано в виде первого закона Кеплера: каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Прим. ред.

8

Это положение нашло отражение во втором законе Кеплера: каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает собой равные площади. Прим. ред.

9

Ньютон И. Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света / пер. с 3-го англ. изд. 1721 г. с прим. С. И. Вавилова. 2-е изд., просм. Г. С. Ландсбергом. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1954. Прим. ред.

10

Ньютон И. Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света / пер. с 3-го англ. изд. 1721 г. с прим. С. И. Вавилова. 2-е изд., просм. Г. С. Ландсбергом. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1954. Цит. по: Wellfast R. S. Never at Rest: A Biography of Isaac Newton. Cambridge University Press, 1983. Р. 643. Прим. ред.

11

Pierce J. R. An Introduction to Information Theory: Symbols, Signals & Noise (Dover Books on Mathematics). New York, 1980. Прим. ред.