Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной Рэндалл Лиза
Искусство позволяет нам исследовать Вселенную через призму человеческого восприятия и эмоций. С его помощью мы оцениваем мир через чувства, особое внимание уделяя тому, как человек ощущает себя во Вселенной и как он ее наблюдает. Искусство — в значительной мере производная автора; взаимодействуя с ним, мы можем прояснить наше собственное интуитивное видение мира. В отличие от науки искусство не ищет объективных истин, выходящих за пределы человеческих отношений. Оно прочно связано с нашими физическими и эмоциональными реакциями на внешний мир и основывается на внутреннем опыте, потребностях и возможностях, которые наука, как правило, никак не затрагивает.
РИС. 11. Каспар Давид Фридрих. Странник над морем тумана (1818). Каноническое изображение возвышенного. Вообще, совершенство — частая тема в изобразительном искусстве и музыке
Наука, в свою очередь, занимается поиском объективных проверяемых истин об окружающем мире. Она исследует элементы, из которых выстроена Вселенная, и то, как эти элементы взаимодействуют. Шерлок Холмс, знаменитый герой Артура Конан Дойля, наставляя доктора Ватсона, достаточно точно описал методологию науки: «Расследование преступления — точная наука, по крайней мере должно ею быть. И описывать этот вид деятельности надо в строгой, бесстрастной манере. А у вас там сантименты. Это все равно что в рассуждение о пятом постулате Евклида включить пикантную любовную историю… Единственное, что заслуживает внимания в этом деле, — цепь рассуждений от следствия к причине. Это и привело к успешному раскрытию дела»[14].
Сэр Артур Конан Дойль, без сомнения, вложил бы в уста Холмса примерно те же слова, если бы тому пришлось объяснять Ватсону методологию науки при распутывании загадок Вселенной. Ученые пытаются держать человеческие предубеждения и эмоции в стороне, чтобы они не затуманивали картины и не мешали получать непредвзятую информацию об окружающей реальности. Делается это при помощи логики и коллективных наблюдений. Ученые стараются разобраться, какие объективные физические законы управляют тем, что они наблюдают.
Однако заметим, что Шерлок пользуется не дедуктивной, а индуктивной логикой, как и большинство детективов и ученых, которые пытаются сложить головоломку из кусочков. Ученые и детективы работают индуктивно — идут от наблюдений и пытаются восстановить непротиворечивую картину, которая соответствовала бы всем измеренным явлениям и параметрам. К дедукции переходят уже потом, когда появляется теория; тогда ученые и сыщики стараются предсказать другие явления и связи в мире. Но к тому моменту — по крайней мере с точки зрения детектива — дело уже сделано.
Еще один подход к познанию мира — религия; с ее помощью многие пытаются ответить на вызов, о котором говорила Грегерсон: проникнуть в труднодоступные уголки Вселенной. Британский автор XVII в. сэр Томас Браун писал в своей книге «Вероисповедание врачевателей» (лат. Religio Medici, 1643): «Я люблю потеряться в таинственном, загоняя свой разум на самое дно». Браун и такие, как он, считают, что логики и научного метода недостаточно, чтобы открыть всю истину; они верят, что к абсолютной истине обращается только религия. Очень может быть, что ключевое различие между наукой и религией заключается в характере вопросов, которые они ставят перед собой. Религия занимается в том числе вопросами, которые никоим образом не находятся в ведении науки. Религия спрашивает: «Почему?» ·— и предполагает наличие «предустановленной» цели, тогда как наука задается лишь вопросом «как?». Наука не считает, что у всего сущего в природе есть изначальная цель. Эту идею мы оставляем религии и философии.
Во время нашего разговора в Лос–Анджелесе режиссер Скотт Дерриксон рассказал мне, что в сценарии фильма «День, когда Земля остановилась» (в 2008 г. он сделал ремейк фильма 1951 г.) первоначально была фраза, которая очень сильно его задела — так, что уже после съемок он несколько дней не мог избавиться от мыслей о ней. Героиня Дженнифер Конноли, говоря о смерти своего мужа, произнесла: «Вселенная случайна».
Скотта растревожили эти слова. Да, конечно, в фундаментальные физические законы входит элемент случайности, но весь смысл поиска этих законов состоит в том, что хотя бы некоторые явления Вселенной можно было бы рассматривать как предсказуемые. Скотту потребовалось несколько недель после того, как эти слова были исключены из сценария, чтобы подобрать на их место подходящую фразу— «Вселенная равнодушна». Я навострила уши, услышав эту же фразу в сериале «Безумцы»; главный герой которого, Дон Дрейпер, произнес ее как неприятную истину.
Но равнодушная Вселенная — это вовсе не плохо, хотя и не хорошо, если уж разобраться. Ученые не ишут за явлениями окружающего мира намерений, как это делает религия. Для объективности науки просто необходимо, чтобы мы считали Вселенную равнодушной. В самом деле, наука в ее беспристрастности иногда снимает клеймо зла с человеческих проявлений, указывая на их физическое, а не моральное происхождение. Мы сегодня знаем, к примеру, что душевные недуги и болезненные пристрастия иногда по «невинным» биологическим и физическим причинам переходят в категорию заболеваний, лежащих за пределами моральной сферы, исключенных из нее.
Несмотря на это, наука не обращается к вопросам морали (хотя и не отрицает их). Так же наука не задается вопросом о причинах такого поведения Вселенной и не судит о моральности или аморальности человеческих поступков. Бесспорно, некоторые ученые занимаются поисками физиологической базы человеческих поступков, хотя цель науки, вообще говоря, не в том, чтобы разбираться с моральным обликом человечества.
Граница между сферами интересов религии и науки не всегда строга, теологи иногда ищут ответы на научные вопросы, а ученые — заимствуют первоначальные идеи или направления исследований из взгляда на мир, который им близок, иногда даже религиозного. Более того, поскольку науку делают люди, на промежуточных стадиях научного исследования, где ученые формулируют свои теории, значение нередко имеют и человеческие чувства, такие как вера в обязательное существование ответов на задаваемые вопросы. Незачем и говорить, что это работает в обоих направлениях: художники и теологи тоже могут опираться на наблюдения и научное понимание мира.
Однако тот факт, что границы между подходами иногда размыты, не устраняет принципиальной разницы в их конечных целях. Цель науки — предсказуемая физическая картина, способная объяснить, как все устроено и работает. Методы и цели науки и религии принципиально различны, ведь наука обращается к физической реальности, а религия — к психологическим или социальным человеческим желаниям и потребностям.
Вообще, разные цели не обязательно порождают конфликт — более того, они позволяют прекрасно распределить усилия. Однако религия далеко не всегда действует исходя из цели или удобства. Многие религии, помимо всего прочего, рассматривают и внешнюю по отношению к Вселенной реальность, что видно даже из религиозного определения мироздания. В словаре American Heritage Dictionary приводится следующее определение религии: «Вера в божественную или сверхчеловеческую силу (или силы), которой (которым) следует повиноваться и поклоняться как создателю (создателям) и владыке (владыкам) Вселенной». Dictionary.com говорит, что религия — это «набор верований о причине, природе и цели существования Вселенной, особенно если она рассматривается как творение некоего сверхчеловеческого начала или начал, как правило, требующего поклонения и ритуалов, а также моральный кодекс, определяющий моральность человеческих поступков». Из этих определений следует, что религия говорит не только об отношении человека к окружающему миру — будь оно моральным, эмоциональным или духовным, — но рассказывает и о мире как таковом. Это оставляет религиозные взгляды открытыми для интерпретаций. Когда наука вторгается в область знаний, на единственно верное объяснение которых претендует религия, неизбежно возникают конфликты.
Человечество неизменно стремится к знаниям и мудрости. Однако люди с разными целями или разными подходами к постановке вопросов и поиску ответов редко ладят между собой; да и сам поиск истины далеко не всегда движется по параллельным путям; зачастую пути пересекаются, порождая противоречия. Когда ктото пытается применить религиозные верования к объяснению внешнего мира, наблюдаемые факты не всегда согласуются с этими верованиями, и религии приходится искать определенный компромисс с реальностью. Так было и в раннехристианские времена, когда церкви приходилось примирять свободу воли с божьим всемогуществом, так происходит и сегодня.
СОВМЕСТИМЫ ЛИ НАУКА И РЕЛИГИЯ?
Вопрос этот перед наукой и религией стоял не всегда. Давным-давно, до научной революции, религия и наука мирно сосуществовали. В Средние века римско–католическая церковь позволяла интерпретировать Писание достаточно свободно и широко, но продолжалось это лишь до тех пор, пока не возникла серьезная угроза главенству церкви — Реформация. В этом контексте особенно неприятными выглядели выводы Галилея в пользу гелиоцентрической теории Коперника, которые никак не укладывались в церковное учение о Небесах. Публикация результатов этих исследований не только шла вразрез с постулатами церкви, но и ставила под угрозу ее абсолютный авторитет в вопросах интерпретации Священного Писания. Неудивительно, что церковные иерархи не любили Галилея и его научные труды.
В более недавней истории можно найти многочисленные примеры конфликтов между аукой и религией. К примеру, второй закон термодинамики — тот самый, что утверждает, что со временем энтропия в мире увеличивается, — может поставить в тупик любого, кто верит, что Бог создал идеальный мир. Теория эволюции, разумеется, порождает аналогичные проблемы; время от времени они вырываются наружу — вспомните, к примеру, недавние горячие «дебаты» о креационизме. Даже расширяющаяся Вселенная может не понравиться тому, кто жаждет верить, что Вселенная, в которой все мы живем, совершенна, хотя теорию Большого взрыва первым предложил католический священник Жорж Леметр.
Одним из самых забавных примеров того, что иногда ученому приходится конфликтовать с собственной верой, может служить английский натуралист Филип Госсе. Он оказался в весьма затруднительном положении, когда в начале XIX в. понял, что напластования геологических пород, в которых содержатся окаменелые останки вымерших животных, противоречат представлению о том, что Земле всего 6000 лет. В книге «Пуп Земли, или Попытка развязать геологический узел» (Omphalos, an attempt to untie the geological Knot) он разрешил конфликт следующим забавным образом: Земля создана недавно, утверждал он, но в ней содержатся специально созданные «кости» и «окаменелости» никогда не существовавших животных и другие свидетельства долгой (несуществующей) истории. Госсе постулировал, что любой мир должен демонстрировать признаки изменений, даже если на самом деле никаких изменений не происходило. Сегодня такая интерпретация может показаться глупой, но технически она ничему не противоречит. Однако никто, судя по всему, не принял ее всерьез. Сам Госсе переключился на морскую флору и фауну. Кости динозавров подвергали его веру серьезнейшему испытанию.
К счастью, большинство верных научных идей со временем начинают казаться менее радикальными. В конце концов, как правило, научные открытия побеждают и утверждаются. Сегодня никто не поставит под сомнение гелиоцентрическую теорию строения Солнечной системы или расширение Вселенной. Но буквальная интерпретация священных книг до сих пор вызывает проблемы у верующих, склонных воспринимать писаные законы своей религии слишком серьезно.
Менее буквальное прочтение Священного Писания до XVII в. помогало избегать подобных конфликтов. Однажды в разговоре за ланчем Карен Армстронг, ученый и историк религии, объяснила мне, что когдато конфликта между наукой и религией не было. Религиозные тексты воспринимались менее буквально и догматично, а потому вызывали меньше конфликтов.
В V в. Блаженный Августин сказал об этом достаточно определенно: «Ведь нередко бывает, что и нехристианин немало знает о земле, небе и остальных элементах видимого мира, о движении и обращении, о величине и удаленности звезд, о затмениях Солнца и Луны, о круговращении годов и временной природе животных, растений, камней и тому подобном, притом знает так, что может защитить эти знания и очевиднейшими доводами, и жизненным опытом. Между тем бывает крайне стыдно, опасно и даже гибельно, когда какойнибудь неверный едва удерживается от смеха, слыша, как христианин, говоря о подобных предметах якобы на основании христианских писаний, несет такой вздор, что попадает пальцем в небо. И не то плохо, что осмеивается заблуждающийся, а то, что в глазах людей, о спасении души которых мы неустанно заботимся, наши писатели выглядят невежественными и потому ими презираются»[15].
Августин в своей мудрости пошел еще дальше. Он объяснил, что Бог намеренно включил в Священное Писание загадки, чтобы дать людям возможность искать разгадки и радоваться их разрешению. Это относилось в равной степени к постулатам, которые требовали метафорической интерпретации. Августин, похоже, с некоторым юмором смотрел на логичность и нелогичность всего учения и одновременно пытался объяснить основные парадоксы. К примеру, как может человек — любой человек — до конца понять или оценить Господень план без возможности путешествовать во времени?
Галилей, кстати говоря, был согласен с Блаженным Августином. В 1615 г. он писал Кристине Лотарингской, великой герцогине Тосканской: «Во–первых я считаю, что весьма благочестиво говорить и благоразумно утверждать, что Святая Библия не может говорить неправду, если ее истинный смысл понят верно». Он даже считал, что так же полагал и Коперник. Галилей утверждал, что «Коперник не пренебрегал Библией, но он прекрасно понимал, что, будь его учение доказано, оно не могло бы противоречить Писанию, если то и другое было бы верно понято».
Галилей писал также, ссылаясь в своем рвении на Августина: «И если кто противопоставит слова Священного Писания чемуто очевидно разумному, то тот, кто делает это, не знает, что творит; ибо он противопоставляет истине не смысл сказанного в Библии, каковой смысл недоступен его пониманию; не то, что есть в Библии, но то, что он нашел в себе самом и лишь вообразил, что оно есть там».
Августин был не слишком догматичен в своем подходе к Писанию; он считал, что текст Писания всегда имеет рациональный смысл. Любое внешнее противоречие с наблюдаемыми во внешнем мире фактами есть обязательно результат непонимания читателя, даже если верное объяснение неочевидно и неизвестно. Августин рассматривал Библию как божественное откровение, записанное и сформулированное человеком.
Августин истолковывал Библию отчасти как отражение субъективного опыта записавшего откровение человека, и в этом его интерпретация Писания схожа с современным определением искусства. Если бы церковь придерживалась августиновых взглядов, ей не нужно было бы отступать и терять позиции перед лицом научных открытий.
Галилей это понимал. Для него самого и его единомышленников наука и Библия никак не могли противоречить друг другу — нужно было только правильно понять написанное. Причина любого явного конфликта между ними крылась не в научных фактах, а в человеческом понимании или непонимании. Да, Библия временами может быть недоступна человеческому разуму, и может даже показаться на первый взгляд, что она противоречит нашим наблюдениям; тем не менее, согласно интерпретации Августина, Библия не может быть неправа. Галилей был хорошим христианином и не считал себя вправе утверждать чтото, что шло бы вразрез с Писанием, даже когда логика подводила его к этому. Много–много лет спустя папа Иоанн Павел II даже объявил, что Галилей был лучшим теологом, чем его оппоненты.
Но Галилей так же верил в собственные открытия. В одной из навязанных ему теологических дискуссий он прозорливо заметил: «Обратите внимание, теологи, что в своем стремлении выводить вопросы веры из тезисов, связанных с неподвижностью Солнца и Земли, вы рискуете тем, что когданибудь вам придется заклеймить как еретиков тех, кто объявит, что Земля неподвижна, а Солнце меняет свое положение, — когданибудь, говорю я, когда, возможно, будет доказано физически или логически, что Земля движется, а Солнце стоит на месте».
Ясно, что христианская религия далеко не всегда исповедовала подобный взгляд. В противном случае Галилей не оказался бы в заключении, а современные газеты не пестрели бы сообщениями о судебных распрях, связанных с теорией разумного замысла. Хотя у многих священников достаточно гибкие взгляды, однозначное объяснение физических явлений вполне может породить проблемы. В наше время трудно всерьез отстаивать буквальное прочтение Священного Писания. В будущем, когда техника позволит нам заглянуть в мир еще более мелких — или еще более крупных — масштабов, наука и религия еще глубже проникнут друг в друга, и поводов для потенциальных конфликтов станет только больше.
Сегодня значительная часть религиозных людей в мире стремится избегать подобных конфликтов и выбирает более свободную интерпретацию своей веры. Не полагаясь на жесткое и буквальное толкование Писания или догм любой другой религии, эти люди считают, что сохраняют веру, принимая при этом открытия и доказательные аргументы науки.
ФИЗИЧЕСКИЕ КОРРЛЯТЫ
Основная проблема заключается в том, что противоречия между наукой и религией уходят намного глубже конкретных формулировок. Даже если речь не идет о буквальном толковании каких бы то ни было текстов, проблема не решается. Религия и наука опираются на несовместимые логические установки — ведь религия рассматривает все в нашем мире и жизни через вмешательство внешнего божества. Божественные действия — не важно, относятся ли они к грому и молнии или к нашему сознанию — не укладываются в рамки науки.
Вообще, вера как социальный или психологический опыт личности — совершенно не то же самое, что религия, основанная на представлении о Боге, который активно вмешивается в нашу жизнь, влияет на нас или на наш мир извне. В конце концов, для некоторых религия — чисто личное предприятие. Для тех, кто так считает, вероятно, важны социальные связи, складывающиеся в религиозной общине единомышленников — для них очень важно быть частью подобной группы, — или психологический комфорт от ощущения себя частью большого мира. Вера для таких людей неотделима от соблюдения обряда и выбранного образа жизни. Общность цели — источник душевного комфорта.
Многие такие люди считают себя духовными. Религия обогащает их существование — придает ему объемность, глубину, смысл и цель, а также чувство причастности. Они не считают, что роль религии — объяснять механику Вселенной. Религия действует на них через изначально присущее им чувство благоговения перед окружающим миром и его чудесами; иногда она помогает таким людям общаться с окружающими и вообще с внешним миром. Многие из них искренне считают, что религия и наука могут благополучно сосуществовать в человеческом обществе.
Но, как правило, религия — это не только образ жизни и философия. В большинстве религий речь идет о божестве, способном вмешиваться в жизнь людей таинственными методами, которые не могут описать даже служители божества и, естественно, не в состоянии объяснить наука. Подобная вера у религиозных людей даже самых широких взглядов, готовых приветствовать научные достижения, неизбежно вызывает серьезные затруднения: как можно совместить действия Господа с положениями науки. Даже если допустить существование Бога или некоей духовной силы, которая ранее могла влиять на происходящее в мире и играть в нем ведущую роль, то с научной точки зрения немыслимо, чтобы Бог и сейчас продолжал вмешиваться, не оставляя после своих действий никаких материальных следов.
Чтобы разобраться в существе конфликта — и лучше оценить природу науки, — нам нужно более полно понять характерную для науки материалистическую точку зрения, согласно которой наука работает в материальной Вселенной, а любое активное воздействие имеет физические корреляты. В научный взгляд на мир встроено также представление о том, что мы в состоянии распознать компоненты материи на любом структурном уровне (об этом уже говорилось в главе 1). Объект, существующий в большем масштабе, в меньших масштабах построен из материальных деталей. Даже зная все физические элементы более мелкого масштаба, мы не всегда можем объяснить происходящее на более крупных масштабах, но мелкие компоненты-«кирпичики» все же существенны. Знания вещественной составляющей интересующих нас явлений не всегда достаточно для их объяснения, но без физических коррелятов само существование этих явлений невозможно.
Некоторые люди обращаются к религии в поисках ответов на сложные вопросы, к которым, по их мнению, наука никогда не сможет подступиться. В самом деле, научное материалистическое мировоззрение не гарантирует, что мы сможем все понять и во всем разобраться — по крайней мере одного только понимания базовых компонентов для этого явно недостаточно. Классифицируя объекты Вселенной по масштабу, ученые признают, что мы вряд ли сможем ответить на все вопросы сразу; кроме того, хотя фундаментальная структура вещества очень важна, сама по себе она вряд ли даст ответы на все наши вопросы. Несмотря на знакомство с квантовой механикой, мы продолжаем пользоваться законами Ньютона, потому что именно они определяют движение мяча в земной атмосфере, а вычислить то же самое, исходя из данных об атомной структуре, было бы чрезвычайно трудно. Мяч не может существовать без составляющих его атомов, но атомная картина не поможет рассчитать траекторию его полета, хотя одно с другим, разумеется, вполне согласуется.
Этот урок можно распространить на многие явления, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Как правило, мы можем не обращать внимания на подробности внутренней структуры или точный состав, хотя свойства материала имеют значение. Чтобы ездить на автомобиле и даже водить его, не нужно знать его внутреннее устройство. Готовя на кухне, мы смотрим, пропекся ли пирог, достаточно ли разварилась овсянка и поднялось ли суфле.
А вот скрытая внутри продуктов атомная структура, отвечающая за все эти изменения, нас интересует редко, — если, конечно, мы не посвятили себя молекулярной кулинарии. Однако это не отменяет того факта, что без составляющих ее атомов пища не была бы питательной. Ингредиенты суфле совсем не похожи на итоговое блюдо (рис. 12). Тем не менее без элементов и молекул, которые вы предпочитаете не замечать, ваша еда не могла бы существовать.
РИС. 12. Суфле сильно отличается от ингредиентов, из которых приготовлено. Точно так же вещество может обладать совершенно другими свойствами — и на первый взгляд подчиняться совершенно другим физическим законам, — нежели те более фундаментальные «кирпичики» вещества, из которых оно построено
Аналогично практически любой человек затруднится точно определить, что такое музыка. Но если все же попытаться описать это явление и нашу эмоциональную реакцию на него, то вряд ли музыка будет рассматриваться на уровне атомов или нейронов. Когда мы слушаем музыку, наши уши регистрируют звуковые колебания, произведенные хорошо настроенным инструментом, но на самом деле музыка — это нечто гораздо большее, чем колебания отдельных атомов воздуха, а наша реакция на музыку — не просто физическое действие ее на ухо и мозг.
Тем не менее материалистическое мировоззрение никуда не девается, и физическая основа происходящего имеет принципиальное значение. Музыка действительно возникает при колебаниях молекул воздуха. Избавьтесь от механической реакции уха на чисто физические явления — и вы не услышите музыки. (Да, и в космосе никто не услышит вашего крика.) Дело просто в том, что наше восприятие и понимание музыки выходит за рамки чисто материалистического описания. Сосредоточившись только на колебаниях молекул, мы не сможем ответить на вопрос о том, как человек воспринимает музыку. Для понимания музыки необходимо оценивать и аккорды, и гармонию, и отсутствие гармонии такими способами, в которых никак не участвуют молекулы или колебания. Тем не менее музыка без колебаний — или по крайней мере без сенсорного воздействия, которое производят эти колебания на человеческий мозг —· невозможна.
Еще один пример. Понимание базовых компонентов, составляющих тело животного, — это лишь первый шаг к пониманию того, что представляет собой жизнь. Мы почти наверняка не сможем понять природу жизни, не разобравшись в том, как эти компоненты, соединившись, порождают знакомые нам явления. Жизнь — эмерджентное явление[16], выходящее за рамки простой суммы составляющих ее элементов.
Скорее всего, сознание — тоже эмерджентное понятие. Хотя у нас нет пока вразумительной теории сознания, ясно, что мысли и чувства коренятся, по существу, в электрических, химических и физических свойствах мозга. Ученые могут наблюдать физические явления в мозгу, связанные с мыслями и чувствами, хотя и не способны пока объединить все это воедино и объяснить, как что работает. Такой материальный взгляд необходим, но не всегда достаточен для понимания всех явлений нашего мира.
Никто не может гарантировать, что мы когданибудь сумеем понять сознание до самых фундаментальных его составляющих, но не исключено, что нам удастся в конце концов выработать принципы, применимые на неком более крупном, более составном или эмерджентном масштабе. Будущие научные успехи помогут ученым лучше понять фундаментальную химию и электрические каналы мозга и таким образом идентифицировать базовые функционирующие единицы. Сознание, вероятно, будет объяснено как явление, которое можно до конца понять, только выделив и изучив правильные составные элементы.
Это означает, что шанс на серьезное продвижение в этом направлении имеют не только нейробиологи, изучающие базовую химию мозга. Психологи, к примеру, задаются вопросом о том, чем мыслительные процессы младенца отличаются от наших с вами; другие ученые исследуют, чем мысли человека отличаются от собачьих; у тех и других тоже хорошие шансы на успех. Исследуя проблему на более высоком уровне, мы, возможно, сможем понять коечто о сознании и о том, какие вопросы надо будет задать, когда мы пойдем дальше и начнем изучать строительные кирпичики — а именно химию и физику мозга. Как и в случае с чудесным суфле, нам придется разбираться в эмерджентных системах, которые при этом вскроются. Тем не менее ни одна человеческая мысль не может возникнуть и ни одно действие не может иметь место без того, чтобы не были затронуты физические компоненты нашего тела.
Физика, может быть, не так загадочна, как квантовая теория сознания, но она делает успехи, изучая явления на разных масштабах. Изучая несопоставимые размеры и различные состояния вещества, физики ставят перед собой разные задачи. Вопросы, которые мы задаем себе при разработке проекта космического корабля для путешествия на Марс, существенно отличаются от тех, которые интересуют нас при изучении взаимодействия кварков. Разумеется, те и другие имеют право на существование, но одни из других напрямую не выводятся. Тем не менее материальный объект, который мы отправляем в космос, состоит из тех самых фундаментальных компонентов, в которых мы надеемся разобраться.
Мне не раз случалось слышать, как материалистическую точку зрения, которой придерживаются ученые, изучающие элементарные частицы, критикуют как редукционистскую; при этом нередко нам указывают на все те явления, в которых мы не хотим — или не можем — разобраться. Иногда речь идет о физических или биологических процессах, таких как деятельность мозга или ураганы, иногда о духовных явлениях; здесь я теряюсь и не всегда понимаю, о чем идет речь, но вынуждена согласиться — да, мы их не исследуем. Физические теории имеют отношение к строению вещества на любых масштабах — от крупнейших до мельчайших. Со временем мы выстраиваем непротиворечивую картину того, как реальность одного уровня переходит в реальность другого уровня. Базовые элементы для реальности принципиально важны, но ученые не считают, что знания о них сами по себе все объясняют. Для объяснений нужны дальнейшие исследования.
Даже если окажется, что теория струн объясняет квантовую гравитацию, понятие «теория всего» все равно не пригодится. В том маловероятном случае, если физикам удастсятаки выработать всеохватывающую фундаментальную теорию, без ответа все равно останется множество вопросов о явлениях более крупных масштабов — ведь для этого недостаточно только знания базовых компонентов. Только когда ученым удастся понять комплексные явления, возникающие на более крупных масштабах, чем те, что описываются элементарными струнами, можно будет надеяться на объяснение сверхпроводящих материалов, чудовищных океанских волн — и жизни. Ученые в своей работе исследуют масштаб за масштабом — последовательно. Это позволяет нам изучать объекты и процессы на гораздо больших расстояниях и масштабах, чем те, что были бы нам доступны, если бы мы пытались непременно отслеживать поведение каждого из их компонентов.
Несмотря на то что для получения ответов на разные вопросы мы обращаемся к разным уровням реальности, материалистический взгляд на вещи остается обязательным. Физика и другие науки изучают вещество — или материю, — существующее в мире. Наука по сути своей имеет дело с механическими взаимодействиями объектов и их результатами. Объект движется, потому что определенная сила оказала на него воздействие. Двигатель работает за счет расходования энергии. Планеты обращаются вокруг Солнца под действием его гравитационного притяжения. С научной точки зрения поведение человека тоже зависит в конечном итоге от химических и физических процессов, даже если мы пока далеки от понимания, как все эти механизмы работают. Моральный выбор человека тоже, вероятно, имеет отношение, по крайней мере отчасти, к нашим генам и, соответственно, к нашей эволюционной истории.
Может быть, мы и не пытаемся ответить на все жизненно важные вопросы одновременно, но основа необходима для научного описания. Для ученого очевидно, что под всяким описанием окружающей действительности кроются материальные механистические элементы. У любого явления в нашем мире есть физические корреляты, без которых это явление невозможно. Они необходимы, даже если с их помощью невозможно объяснить все на свете.
В науке такой материалистический взгляд прекрасно работает. Но как только религия привлекает Бога или какуюто другую нематериальную сущность и начинает объяснять поведение людей или мира с их помощью, неизбежно возникают логические конфликты. Проблема в том, что если вы хотите принять одновременно и науку, и Бога, который управляет Вселенной или действиями людей, то вам придется решить вопрос о том, в какой именно момент в ход вещей вмешивается божество и как именно оно это делает. Материалистическая позиция науки такова: если гены, влияющие на наше поведение, возникли в результате случайных мутаций, позволяющих видам эволюционировать, то Бог может повлиять на поведение человека лишь в том случае, если он физически вмешается и сотворит якобы случайную мутацию. Чтобы управлять нашим поведением сегодня, Бог должен был бы запрограммировать ход якобы случайной мутации, определившей наше развитие. Если он сделал это, то каким образом? Приложил силу? Может ли Бог манипулировать электрическими процессами в мозгу человека? Или на более высоком уровне: если Бог дает Вселенной цель, то как он обеспечивает исполнение своей воли?
Проблема в том, что многое из сказанного выше не просто кажется неимоверно глупым, но и вопросы эти, похоже, не имеют разумных ответов, которые согласовывались бы с наукой в том смысле, в каком мы ее понимаем. На каких принципах, скажите на милость, может работать эта «божественная магия»?
Ясно, что людям, которые хотят верить в возможность божественного вмешательства, в определенные моменты приходится прибегать к ненаучному мышлению. Даже если наука не всегда говорит нам, почему происходит то или иное явление, мы все же знаем, как движутся и взаимодействуют материальные объекты.
Если Бог не окажет физического воздействия, объекты двигаться не будут. Он не сможет подействовать даже на наши мысли, которые в конечном итоге определяются электрическими сигналами в мозгу.
Если подобное внешнее вмешательство признается фактом в религиозном сознании, то логика и научная мысль подсказывают, что должен существовать механизм, при помощи которого осуществляется это воздействие. Религиозная или духовная вера, согласно которой невидимая сила влияет на поступки и поведение человека, порождает ситуацию, в которой верующему ничего не остается, кроме как отбросить логику и продолжать верить.
Такая несовместимость, как мне кажется, создает принципиально безвыходное положение и неразрешимое противоречие в методах и представлениях. «Непересекающиеся магистерии», предложенные Стивеном Джеем Гулдом, — владения науки, охватывающие эмпирическую вселенную, и владения религии, распространяющиеся на нравственные вопросы — на самом деле все же пересекаются и тоже сталкиваются с этим трудноразрешимым парадоксом. Конечно, верующие могут отдать этот вопрос на откуп религии, а науке еще только предстоит ответить на многие глубокие и фундаментальные вопросы, важные для чеовечества, касаются ли они работы нашего мозга или далеких небесных объектов. Тем не менее, несмотря ни на что, все мы живем в царстве науки.
РАЦИОНАЛЬНЫЕ КОНФЛИКТЫ И ИРРАЦИОНАЛЬНОЕ СТРЕМЛЕНИЕ УБЕЖАТЬ ОТ РЕАЛЬНОСТИ
Однако несовместимость науки и религии не всегда беспокоит верующих. Однажды в самолете во время рейса из Бостона в Лос-Анджелес я сидела рядом с молодым актером. Он получил образование в области молекулярной биологии, но при этом имел весьма необычные взгляды на эволюцию. Прежде чем податься в актеры, он в течение трех лет занимался тем, что координировал обучение естественным наукам в городских школах. Когда мы встретились, он возвращался с церемонии инаугурации президента Обамы; его переполняли энтузиазм и оптимизм, он мечтал сделать мир лучше. Параллельно с успешной актерской карьерой он намеревался открывать по всему миру школы, в которых учили бы наукам и научным методам мышления.
Но разговор наш принял неожиданный оборот. Оказалось, что в своих школах он планирует ввести курс религии. В его собственной жизни религия играла очень значимую роль; в то же время он считал, что каждый человек должен сам сделать выбор. Но это было еще не самое удивительное. Он начал объяснять, что, по его мнению, человек произошел от Адама, а не от обезьяны. Я не поняла, как можно, имея биологическое образование, не верить в эволюцию. Это, на мой взгляд, намного более серьезные противоречия, чем те, что связаны с идеей непосредственного вмешательства Бога в материалистическую Вселенную. Молодой человек рассказал мне, что без труда осваивал науку и прекрасно понимал ее логику, но наука — это всего лишь то, как человек (что бы это ни значило) осмысливает окружающее.
Этот разговор утвердил меня во мнении, что нам очень трудно будет ответить на вопрос о совместимости науки и религии. Наука, основанная на эмпирических данных и логике, и религия, по природе своей неотделимая от откровения свыше, пытаются идти к истине совершенно разными путями. Вообще, увидеть противоречие можно только там, где действуют законы логики — ведь логика пытается разрешать парадоксы, тогда как религиозная мысль в них буквально купается. Если вы верите в истину, полученную через откровение свыше, значит, вы уже вышли за пределы действия научных законов и никаких противоречий не увидите. Верующий способен объяснять мир совершенно нерационально и при этом считать, что такое объяснение совместимо с научным; он принимает мир таким, какой он есть «по воле Божьей». Или, как мой сосед по самолету, просто решает, что готов жить с этим противоречием.
Но если Бог и способен обходить логические противоречия, то наука этого делать не умеет. Те приверженцы религии, которые хотят одновременно с религиозным описанием мира принимать и научное мышление, оказываются перед громадной пропастью, которая разделяет научные открытия и невидимые, неощутимые божественные воздействия. Пропасть эту невозможно преодолеть логическим путем. У них нет другого выхода, кроме как отказаться на время от логической (или, по крайней мере, от буквальной) интерпретации вопросов веры или просто махнуть рукой на противоречия и не обращать на них внимания.
Надо сказать, что в любом из этих двух случаев человек может стать настоящим ученым. А религия, наверное, будет сильно облегчать ему жизнь. Но в голове каждого верующего ученого научная информация каждодневно бросает вызов его вере. Религиозная часть мозга не способна функционировать одновременно с его познающей частью. Они просто несовместимы.
ГЛАВА 4. В ПОИСКАХ ОТВЕТОВ
Я впервые услышала выражение «Достучаться до небес» в 1987 г. на концерте Боба Дилана и группы Grateful Dead в Окленде, штат Калифорния. Вряд ли надо говорить, что в название моей книги вложен иной смысл, чем тот, что вкладывал в свои стихи автор (хотя мысленно я до сих пор слышу, как Дилан и Джерри Гарсия поют эту песню). Отличается мое название и от библейского источника, хотя эту интерпретацию, признаюсь, мне хотелось обыграть. В Евангелии от Матфея сказано: «Просите, и дано будет вам; ищите, и найдете; стучите, и отворят вам; ибо всякий просящий получает, и ищущий находит, и стучащему отворят».
Следуя этим словам, люди могут искать знания, но конечная их цель — это поиск Бога. Человеческий интерес к устройству окружающего мира и активные познавательные действия — всего лишь ступени на пути к Божественному; Вселенная сама по себе и знания о ней — вторичны. Ответы на вопросы могут быть получены или верующий получит стимулы для более активного поиска истины; в любом случае без Бога знание недостижимо или бессмысленно и не стоит того, чтобы за ним гнаться. Человек не может сам познать истину, не может быть судьей.
Название моей книги говорит о другой — научной — философии и о других целях. Цель науки — не просто пассивное понимание и вера, а правда о Вселенной. Ученые активно стремятся к двери познания — границе уже изведанного. Мы задаем вопросы и исследуем — и меняем свои взгляды, когда факты и логика вынуждают нас сделать это. Мы уверены только в том, что можем проверить при помощи эксперимента или что логически следует из экспериментально подтвержденных гипотез.
Ученые немало знают о Вселенной, но мы знаем также, что неизведанного гораздо больше и что многое еще только предстоит понять. Еще очень многое лежит за пределами возможностей сегодняшних экспериментов — и вообще любых экспериментов, какие мы можем вообразить. Однако, несмотря на все наши ограничения, каждое новое открытие позволяет добавить еще одну — очередную — ступеньку в нашем восхождении к истине. Иногда одна–единственная ступенька способна коренным образом изменить наш взгляд на мир. Конечно, мы признаем, что наши амбициозные устремления реализуются не всегда; тем не менее ученые упорно ищут пути к более полному и глубокому пониманию действительности, а технические достижения постепенно расширяют пределы «территории», где все доступно нашему взгляду. Затем мы переходим к поиску более полных и непротиворечивых теорий, способных вобрать в себя новую, только что полученную информацию.
Итак, перед нами ключевые вопросы. Кто имеет возможность — или право — заниматься поисками ответов? Сами ли люди исследуют окружающий мир или доверяют высшим авторитетам? Прежде чем углубиться в мир физики, завершим эту часть книги анализом и противопоставлением научной и религиозной точек зрения.
КТО ГЛАВНЫЙ?
Мы уже видели, что появление научного мышления в XVII в. раскололо христианский мир в его отношении к знаниям и породило конфликты между принципиально разными подходами, не утихшие до сего дня. Но существовал и второй источник противоречий между наукой и религией, и этот источник — вопрос о власти. В глазах церкви убежденность Галилея в том, что он способен самостоятельно мыслить и независимо осмысливать Вселенную, отклонялась недопустимо далеко от христианских религиозных канонов.
Развивая научный метод, Галилей отказался от слепого следования авторитетам в пользу собственных наблюдений и их независимой интерпретации. Он готов был менять свои взгляды в соответствии с результатами наблюдений. Таким образом, Галилей инициировал совершенно новый подход к познанию мира — тот самый, что позже получил развитие и позволил достичь гораздо более глубокого понимания природы и возможности влиять на нее. И все же, несмотря на опубликование основных своих достижений (или, скорее, вследствие этого), Галилей оказался в тюрьме. Вывод о том, что Земля не является центром Солнечной системы, которого Галилей не скрывал, оказался слишком опасен для религиозных властей того времени и их строгой интерпретации Писания. После трудов Галилея и других независимых мыслителей, положивших начало научной революции, любая буквальная библейская трактовка природы, происхождения и поведения Вселенной стала вызывать серьезнейшие сомнения.
Галилею не повезло: время для радикальных заявлений оказалось чрезвычайно неудачным, поскольку совпало с расцветом контрреформации, которой католическая церковь ответила на появление своих протестантских отпрысков. Католицизм чувствовал серьезную угрозу со стороны Мартина Лютера, который выступил в защиту независимой мысли и права каждого толковать Писание, отталкиваясь непосредственно от текста. Право церкви на исключительную интерпретацию священных текстов, которую прихожанам следовало безоговорочно принимать, было поставлено под сомнение. Галилей не просто поддержал взгляды Лютера, он прошел на шаг дальше. Отвергнув прежние авторитеты, он высказал теорию, прямо противоречившую католическому толкованию религиозных текстов. Его научные методы основывались на прямых наблюдениях природы, которые он затем пытался объяснить при помощи самой экономной гипотезы, охватывающей все полученные данные. Сам Галилей был искренним приверженцем католической церкви, но его исследования, мысли и методы в глазах церкви слишком походили на протестантские. Ученый, сам того не желая, вмешался в религиозную войну за сферы влияния.
По иронии судьбы, движение контрреформации само подтолкнуло Коперника к теории гелиоцентрической вселенной. Католическая церковь хотела убедиться в том, что ее календарь надежен и что праздники приходятся на правильное время года, а обряды совершаются как положено. Церковь обратилась к астрономам, в том числе и к Копернику, с просьбой доработать юлианский календарь и привести его в соответствие с реальным движением планет и звезд. Именно эти исследования привели ученого к неожиданным наблюдениям, а затем и к радикальной теории.
Лютер не принял теории Коперника. Ее вообще почти никто не принял, пока более точные наблюдения Галилея и в качестве решающего аргумента теория тяготения Ньютона не подтвердили ее. Однако Лютер принимал другие научные достижения в астрономии, в медицине — те, которые он считал совместимыми с широким взглядом на природу. В общемто, он не был большим поклонником науки, но Реформация породила очень своеобразное мышление, атмосферу, где новые идеи можно было обсуждать и принимать, а это, безусловно, способствовало возникновению научных методов мышления. Кроме того, отчасти благодаря развитию книгопечатания научные идеи наряду с религиозными получили возможность стремительно распространяться и снижать авторитет католической церкви.
Лютер считал мирские научные исследования потенциально не менее ценными, чем религиозные. Ученые, такие как великий астроном Иоганн Кеплер, думали так же. Кеплер писал своему бывшему профессору в Тюбингене Михаелю Местлину: «Я хотел стать теологом и долгое время испытывал беспокойство. Однако посмотрите, как теперь благодаря моим усилиям астрономия славит Бога»[17].
С этой точки зрения наука была прекрасным способом утвердить сияющее величие Бога и созданного им мира, а также тот факт, что у различных явлений в этом мире могут быть сложные и разнообразные объяснения. Наука стала средством лучше понять разумно устроенную и упорядоченную Богом Вселенную и помочь человечеству. Следует заметить, что в те времена даже лучшие ученые не только не отвергали религию, но и, наоборот, расценивали свои исследования как способ восславить творение Господа. В книге природы, как и божественных книгах, они видели путь к просветлению и откровению. Изучение природы с этой точки зрения было формой выражения благодарности Создателю всего сущего.
Эту или подобную точку зрения иногда случается услышать и сегодня. В 1979 г. пакистанский физик Абдус Салам в Нобелевской лекции после получения премии за большую роль в создании Стандартной модели элементарных частиц сказал: «Святой пророк ислама всегда говорил, что поиск знаний и учености входит в обязанность всякого мусульманина, будь то мужчина или женщина. Он побуждал своих учеников всюду искать знаний, даже если за ними придется ехать в Китай. Ясно, что здесь имелись в виду скорее научные, нежели религиозные знания, а также делался упор на интернациональность современного научного поиска».
ПОЧЕМУ ЛЮДЯМ НЕ ВСЕ РАВНО?
Несмотря на принципиальные различия, описанные в предыдущей главе, некоторых верующих вполне устраивает ситуация, когда научную и религиозную части мозга им приходится использовать попеременно, а понимание природы рассматривается как способ приблизиться к пониманию Бога. Многие из тех, кто не занимается активно наукой, тоже не возражают против научного прогресса. Тем не менее пропасть между наукой и религией по–прежнему огромна, и многие в США и других частях света это остро ощущают. Время от времени эта пропасть расширяется настолько, что порождает насилие или в самом крайнем случае вызывает протесты по поводу системы образования.
С точки зрения религиозных деятелей, все, что противоречит религии, в том числе наука, должно вызывать подозрения; причин тому много, и далеко не все они имеют отношение к истине и логике. Те, кто стоит у власти, всегда склонны использовать Бога как козырную карту, которая оправдывает именно их точку зрения. Ясно, что независимое исследование любого рода может быть потенциальной угрозой. А копание в Господних тайнах может еще сильнее подорвать моральный авторитет церкви и могущество мирских властителей. Слишком настойчивые попытки докопаться до истины плохо согласуются со смиренностью, а коекто может даже забыть о значении Господа. Неудивительно, что религиозных деятелей это иногда тревожит.
Но почему отдельные люди иногда тоже встают на подобные позиции? Для меня вопрос здесь не в том, чем отличается наука от религии. Разницу между ними можно сформулировать достаточно четко, и об этом уже говорилось в предыдущей главе. Важно другое. Почему людей это так волнует? Почему многие с подозрением смотрят на науку и научный прогресс? И почему вопрос о главенстве вспыхивает так часто?
Однажды я попала на кембриджский круглый стол по вопросам науки, искусства и религии — серии встреч между партнерами Гарварда и МТИ. Темой первого семинара, на который я попала, был поэт XVII в. Джордж Герберт и «новые атеисты». И дискуссия помогла мне в какойто мере разобраться в этих вопросах.
Основным докладчиком тогда был ученый–литературовед Стенли Фиш. Он начал свое выступление с краткого изложения взглядов «новых атеистов» и их враждебного отношения к вере. «Новыми атеистами» называют таких авторов, как Кристофер Хитченс, Ричард Докинз, Сэм Харрис и Дэниел Деннет, — авторов, которые в книгах–бестселлерах сурово клеймят религию и церковь.
После краткого изложения их взглядов Фиш перешел к критике; он критиковал в них отсутствие понимания и терпимости к религии; его слова падали на благодарную почву, так как мне кажется, что на том семинаре я как неверующая была в меньшинстве. Фиш утверждал, что позиция «новых атеистов» была бы более прочной, если бы они учитывали те проблемы с независимостью, с которыми верующим постоянно приходится иметь дело.
В вере необходимо активное вопрошание, и многие религии просто требуют этого от своих приверженцев. Но в то же время многие религии, В том числе и некоторые ветви протестантизма, призывают к отказу или подавлению независимой воли. Говоря словами Кальвина, «человек по природе своей склонен к ложному самолюбованию. Поэтому вот что истина Господня побуждает нас искать в себе: знание того рода, который избавит нас от всякой уверенности в собственных силах, лишит всякого повода к хвастовству и приведет к покорности»[18].
Борьба между жаждой знаний и недоверием к человеческой природе пронизывает всю религиозную литературу, включая и стихи Герберта, которые обсуждали Фиш и другие участники круглого стола. В Кембридже тогда развернулась дискуссия о внутренних конфликтах Герберта по повод его отношений со знанием и с Богом. Для Герберта всякое знание, добытое самостоятельно, было признаком греховной гордыни. Аналогичное предупреждение мы находим и в стихах Джона Мильтона. Сам он твердо верил в необходимость упорного интеллектуального поиска; тем не менее Рафаил в «Потерянном рае» говорит Адаму, что ему не следует проявлять слишком большого любопытства к движению звезд, ибо «им не нужна твоя вера».
Удивительно (по крайней мере, для меня), но заметные представители нашей группы профессоров Гарварда и МТИ, присутствовавшие на круглом столе, одобрили попытку самоотречения Герберта, считая, что подавлять собственную индивидуальность правильно и хорошо и что все дело в стремлении настроиться на высшую силу. (Всякий, кто знаком с профессорами Гарварда и МТИ, тоже был бы удивлен таким подозрительным отрицанием собственного «я».)
Возможно, подлинная суть дебатов между наукой и религией заключается как раз в том, может ли человек самостоятельно докопаться до истины. Неужели отрицательное отношение к науке, с которым мы сегодня нередко сталкиваемся, коренится отчасти в тех самых крайних взглядах, которые выражали Герберт и Мильтон? Мне кажется, спор идет не столько о возникновении мира, сколько о том, кто имеет право осмысливать окружающее и чьим выводам нам следует доверять.
Вселенная внушает человеку смирение. Природа тщательно прячет ответы на многие самые интересные свои загадки. Но ученые достаточно уверены в себе, чтобы считать, что человек способен их разгадать. Неужели искать ответы кощунственно? Или просто самонадеянно? Ученые, как говорил Эйнштейн, а вслед за ним и нобелевский лауреат Дэвид Кросс, считают, что борются с Богом, пытаясь вырвать у него ответы на глобальные вопросы мироздания. Дэвид, разумеется, не имел в виду буквальной борьбы (и, конечно, не говорил о смирении); он отдавал должное чудесной способности человека осмысливать окружающий мир.
Недоверие к этой способности, доставшееся нам от предков, имеет продолжение и в других областях; его можно видеть в юмористической литературе, в кино, в современной политике. В наше ироничное время серьезное отношение и уважение к фактам стало несколько немодным. Поразительно, до чего доходят некоторые люди в своем стремлении отрицать всякие успехи науки. Однажды на вечеринке я познакомилась с женщиной, которая упрямо утверждала, что не верит в науку. В ответ я спросила, не поднималась ли она случайно на одиннадцатый этаж, где проходила вечеринка, на лифте? Работает ли ее сотовый телефон? Как она сумела получить электронное приглашение на вечеринку?
Многие до сих пор считают, что относиться к фактам или логическим выводам слишком серьезно просто неприлично или по крайней мере странно. Одним из источников антиинтеллектуалистичных или антинаучных настроений может быть обычное раздражение по отношению к человеку, который чувствует себя достаточно сильным, чтобы перевернуть землю. Те, кто чувствует в глубине души, что мы не имеем права принимать этот громадный интеллектуальный вызов, считают все это владением высших сил, недоступных человеку. Это не до конца понятное, направленное против собственного «я» и прогресса мнение можно до сих пор слышать на спортплощадках и в загородных клубах.
Для некоторых мысль о том, что человек способен разгадать все загадки мира, служит источником оптимизма и порождает чувство причастности и понимания. Но остальные воспринимают науку и известных ученых, которые больше знают и больше умеют в соответствующих технических областях, исключительно со страхом. Люди делятся на тех, кто способен заниматься научной деятельностью и оценивать научные выводы, и тех, кто чувствует полную беспомощность перед лицом научной мысли.
Люди в большинстве своем стремятся ощущать себя сильными и вооруженными знанием. Вот вопрос, который рано или поздно задает себе каждый: с чем именно — с наукой или с религией — можно почувствовать контроль над окружающим миром? Где можно найти надежность, покой и понимание? Предпочитаете ли вы верить, что сами можете проникнуть в тайны природы, или по крайней мере в то, что на это способны ученые? Люди жаждут ответов и прямого руководства, которые наука не всегда может предложить.
Тем не менее наука уже многое узнала о том, как устроена и как работает Вселенная. Если сложить воедино все, что нам известно, то кусочки головоломки, которые ученые постепенно добывали на протяжении столетий, чудесно соединятся и сольются в цельную картину. Научные теории позволяют делать верные предсказания. Поэтому некоторые из нас верят в авторитет науки, а многие признают замечательные уроки, ей преподанные.
Мы непрерывно продвигаемся вперед, расширяя разведанные территории и исследуя районы, к которым у нас нет непосредственного доступа. До сих пор не получено никаких данных, которые заставили бы нас вернуться к представлениям о центральном месте человека в общей картине мира. По мере того как мы осознаем себя принадлежащими всего лишь к одному из множества аналогичных объектов случайного размера в случайном месте — в том, что пока представляется — с научной точки зрения — случайно развивающейся Вселенной, — революция Коперника повторяется вновь и вновь.
Неуемное любопытство и стремление развиваться ради удовлетворения жажды информации действительно делают человека совершенно особым существом. Мы — единственный биологический вид, способный задавать вопросы и систематически работать ради получения ответов. Мы ставим вопросы, взаимодействуем между собой, делимся информацией, строим гипотезы, создаем модели — ив конце концов обогащаем свои представления о Вселенной и о месте человека в ней.
Все сказанное не означает, что наука непременно найдет ответы на все вопросы. Те, кто считает, что наука рано или поздно решит все проблемы человечества, тоже, вероятно, ошибаются. Но это означает, что занятия наукой были и остаются достойным и стоящим занятием. Мы не знаем пока всех ответов. Но люди, склонные к научным занятиям, — не важно, религиозны они или нет — жаждут исследовать Вселенную и отыскать их. В части II мы посмотрим, чего они уже добились и что теперь виднеется на горизонте.
Часть II. МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА
ГЛАВА 5. ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ
Известно, что 2500 лет назад древнегреческий философ Демокрит объявил о существовании атомов и тем самым сделал шаг в правильном направлении, однако ни тогда, ни много позже никто не мог точно сказать, какими на самом деле окажутся элементарные частицы вещества. Некоторые из физических теорий, описывающих сверхмалые расстояния, настолько парадоксальны, что даже самые творческие и открытые всему новому люди не смогли бы их принять, если бы не данные экспериментов. С появлением технологий, позволяющих заглянуть на атомный уровень, ученые обнаружили, что внутренняя структура вещества то и дело обманывает ожидания. Детали головоломки складывались поистине волшебным образом.
Человек так устроен, что ему очень трудно представить себе наглядно все, что происходит на тех крошечных масштабах, которые сегодня изучает физика элементарных частиц. «Кирпичики», из которых складывается то, что мы называем веществом, совершенно не похожи на то, что мы воспринимаем при помощи органов чувств. Эти компоненты подчиняются совершенно иным физическим законам. С уменьшением масштабов меняются свойства вещества — они как будто существуют в другой вселенной.
Много путаницы при попытках понять странную внутреннюю структуру вещества возникает оттого, что набор компонентов, существующих в одном масштабе, совершенно не похож на то, что обнаруживается в другом; кроме того, много проблем возникает с определением диапазона линейных размеров, в котором применима та или иная теория. Чтобы до конца понять физический мир, нам необходимо не только знать, что в нем существует, но и точно различать размеры и масштабы, описываемые разными теориями.
Позже мы рассмотрим различные масштабы, действующие в космосе — на самой границе непознанного. Эту главу мы начнем с того, что заглянем внутрь вещества; начав с привычных масштабов, заберемся глубоко в недра материи. От повседневных размеров и масштабов до внутреннего пространства атома (царства квантовой механики) и дальше до планковского масштаба; мы посмотрим, что нам известно на сегодняшний день и как все это согласуется. Отправимся же в путь и исследуем то, что удалось за долгие годы открыть ученым.
МАСШТАБЫ ВСЕЛЕННОЙ
Наше путешествие начинается в привычном нам масштабе — том самом, в котором мы живем, пользуемся разными вещами, видим и трогаем их. Неслучайно именно один метр — не одна миллионная его доля и не десять тысяч метров — лучше всего соответствует размеру самого человека. Один метр — это примерно вдвое больше роста младенца и примерно вдвое меньше роста взрослого человека. Согласитесь, было бы странно, если бы базовая единица длины, которой мы пользуемся ежедневно, равнялась длине муравьиной ножки.
Тем не менее стандартная физическая единица, определенная через какогото конкретного человека, оказалась бы не слишком полезна, потому что измерительная линейка должна иметь длину, известную и понятную каждому[19]. Поэтому в 1791 г. Французская академия наук установила так называемый стандарт. Метр можно было бы определять либо как длину маятника с полупериодом в одну секунду, либо как одну десятимиллионную длины одной четверти земного меридиана (квадранта, то есть расстояния от экватора до Северного полюса). Ни одно, ни второе определение не имело непосредственного отношения к человеку. Французы просто пытались найти меру, с которой все согласились бы и которой было бы удобно пользоваться. Сошлись на втором определении, чтобы избежать неопределенностей, связанных с небольшими вариациями силы земного притяжения в разных местах.
Это определение было достаточно произвольным. Оно было придумано, чтобы сделать меру длины — метр — стандартной единицей. Но тот факт, что взята была именно одна десятимиллионная часть квадранта, совсем не случаен. Французское определение гарантировало, что метровую палку удобно будет держать в руках,.
Если говорить о размерах человека, то рост большинства людей ближе к двум метрам, а не к одному; тем не менее никто из нас не дорос до десяти и даже до трех метров. Метр вполне соответствует человеческому масштабу, и с объектом такого размера удобно иметь дело — если, конечно, это безопасно (к примеру, от метровых крокодилов лучше, наверное, держаться подальше). Мы знаем законы физики, применимые в этом масштабе, потому что каждый день наблюдаем их действие. Наша интуиция основана на постоянном наблюдении за предметами, людьми и животными, размеры которых достаточно удобно выражать в метрах.
Узость и ограниченность рамок, в которых мы чувствуем себя уверенно, иногда забавляют меня. Моя двоюродная сестра дружит с игроком Национальной баскетбольной лиги Джоакимом Ноа, и мы никогда не устаем подшучивать над его ростом. При взгляде на какуюнибудь фотографию или зарубки на дверном косяке, отмечавшие в детстве его рост, нас разбирает смех; так же забавно смотреть, как на площадке он без труда блокирует мяч, брошенный другим, не столь высоким игроком. В общем, Джоаким завораживающе высок. Но если разобраться, то получится, что он всего лишь на 15% выше среднестатистического мужчины. У него немного иные пропорции тела, что в некоторых ситуациях дает механическое преимущество, а в некоторых — мешает. Но кости и мышцы устроены у него, в сущности, на тех же принципах, что и ваши.
Законы движения Ньютона и сегодня безошибочно указывают нам, что произойдет, если приложить определенную силу к определенной массе. Эти законы действуют и в отношении нашего тела, и в отношении мяча, который бросает Джоаким. При помощи этих законов мы можем рассчитать траекторию мяча на баскетбольной площадке на Земле и предсказать орбиту, по которой Меркурий обращается вокруг Солнца. Законы Ньютона говорят нам, что, если на тело не действует какаянибудь сила, его движение будет продолжаться в том же направлении с той же скоростью, что и изначально. Далее сила, действующая на тело, придаст ему ускорение в соответствии с его массой. Наконец, любое действие вызовет равное по силе и противоположное по направлению противодействие.
Законы Ньютона абсолютно справедливы в привычном человеку диапазоне линейных размеров, скоростей и плотностей. Несоответствия выявляются только на очень малых расстояниях, где меняет правила игры квантовая механика, на очень высоких скоростях, где действует специальная теория относительности, и при громадных плотностях (таких, к примеру, как в черной дыре), где правит бал общая теория относительности.
При обычных расстояниях, скоростях и плотностях действие любой из новых теорий, опровергающих законы Ньютона, слишком слабо, чтобы его можно было обнаружить. Однако с помощью современных технологий можно смоделировать условия, в которых ограничения теории Ньютона проявятся вполне наглядно.
ПУТЕШЕСТВИЕ В ГЛУБЬ
Нам придется копнуть достаточно глубоко, прежде чем мы сможем обнаружить новые физические компоненты и законы. Но следует отметить, что в диапазоне от метра до размера атома тоже происходит немало интересного. Многие объекты, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, обладают важными свойствами, заметить которые можно только при исследовании более мелких систем (некоторые масштабные ориентиры, упоминаемые в данной главе, вы можете увидеть на рис. 13).
РИС. 13. Обзор мелких масштабов и единиц длины, используемых для их описания
Разумеется, многие объекты, с которыми мы имеем дело, формируются путем простого сложения множества одинаковых фундаментальных элементов, в них нет почти ничего интересного — ни деталей, ни внутренней структуры. Такие экстенсивные системы строятся, как кирпичные стены. Можно сделать стену выше или ниже, добавив или убрав несколько кирпичей, но базовая функциональная единица в ней всегда будет одинакова. Высокая стена фактически ничем не отличается от маленькой стенки. В качестве примера можно привести множество крупных систем, которые строятся за счет добавления в них однотипных элементов. Это относится, к примеру, к микросхемам компьютерной памяти, состоящим из большого количества совершенно одинаковых транзисторов.
Другой тип масштабирования, применимый к крупным системам, — это экспоненциальный рост; такой вариант наблюдается в тех случаях, когда поведение системы определяют не столько фундаментальные элементы, сколько связи между ними. Хотя такие системы тоже увеличиваются с добавлением элементарных «кирпичиков», их поведение определяется не просто числом элементов, а количеством связей. Эти связи возникают не только между соседними элементами, как у настоящих кирпичей, они могут протянуться на некоторое расстояние внутри системы к другим элементам. Примерами могут служить нейронные системы, которые состоят из множества синапсов, связывающих клетки при помощи специальных белков, и Интернет, включающий в себя множество связанных между собой компьютеров. Эти системы сами по себе достойны самого тщательного изучения, и некоторые направления физики действительно имеют дело с соответствующим эмерджентным поведением.
Но физика элементарных частиц не занимается сложными многокомпонентными системами. Напротив, она сосредоточена на обнаружении и распознавании элементарных компонентов и физических законов, которым они подчиняются. Физика элементарных частиц занимается базовыми физическими величинами и их взаимодействиями. Эти мельчайшие компоненты, разумеется, значимы для всех типов сложного поведения, в которое вовлекается множество компонетов. Но наша цель здесь — определить наиболее мелкие базовые компоненты и разобраться в их поведении.
Если говорить о технических и биологических системах, то составные части более крупных систем тоже обладают внутренней структурой. В конце концов, компьютеры построены на микропроцессорах, которые, в свою очередь, построены на транзисторах. А врач, заглядывая внутрь человеческого организма, видит там органы, кровеносные сосуды и все остальное — и все это состоит из клеток и ДНК, которые можно наблюдать только при помощи достаточно сложных приборов. Работа внутренних элементов ничем не напоминает то, что мы наблюдаем на поверхности. С уменьшением размеров элементы, из которых состоят макрообъекты, меняются. Законы, которым эти элементы подчиняются, — тоже.
История изучения человека как организма в некоторых отношениях напоминает историю изучения законов физики; здесь существуют свои масштабы, и их исследование тоже шло от крупного к мелкому. Поэтому, прежде чем обратиться к физике и внешнему миру, давайте отвлечемся ненадолго, подумаем о себе и рассмотрим, как были открыты некоторые — самые известные — аспекты внутреннего устройства человеческого тела.
Возьмем, к примеру, ключицу. По–английски, кстати говоря, эта кость называется «воротниковой» (collarbone), потому что при внешнем осмотре действительно напоминает воротник. Но стоило ученым заглянуть внутрь тела человека, и на этой кости обнаружился своеобразный выступ-«ключ», который и дал кости второе название — clavicle (от лат. clavicula — ключик, втулка).
Точно так же никто не понимал, как устроена у человека система кровообращения, как капилляры соединяют артерии и вены, пока в XVII в. Уильям Гарвей не провел серию педантичных опытов по исследованию сердца и кровеносной сети у животных и человека. Гарвей, хотя и был англичанином, изучал медицину в Университете Падуи. Там он многому научился у своего наставника Иеронима Фабриция, который тоже живо интересовался кровотоком, но неверно интерпретировал роль венозных сосудов и клапанов в них.
Гарвей не просто изменил представления о том, какие объекты задействованы в кровеносной системе, — он показал, что в теле человека есть две системы —· артерии и вены, которые по ветвящейся сети доставляют кровь ко все более мелким капиллярам, — но и открыл совершенно новый процесс. Оказалось, что кровь доставляется к клеткам таким образом, какого никто не мог предугадать, пока не всмотрелся внимательно в происходящее. Гарвей обнаружил в теле человека не просто набор различных органов — он обнаружил целую неизвестную систему.
Однако у Гарвея еще не было инструментов, которые позволили бы ему обнаружить капилляры; это удалось сделать только Марчелло Мальпиги в 1661 г. Гарвей же выдвинул несколько гипотез, которые получили экспериментальное подтверждение значительно позже. Хотя Гарвей оставил подробные рисунки, он не мог добиться той детальности, которая стала доступна пользователям микроскопа, например Антони ван Левенгуку.
Система кровообращения человека содержит эритроциты — красные кровяные тельца. Длина этих элементов составляет всего лишь семь микрометров — это одна стотысячная доля длины метровой линейки. Это в сто раз меньше толщины кредитной карты — примерно такой же размер имеют капли тумана. Самые мелкие объекты, которые способен различить невооруженный человеческий глаз, немного меньше толщины человеческого волоса и крупнее эритроцита примерно в десять раз.
Разумеется, кровь и кровообращение — не единственные процессы в человеческом теле, о которых ученым удалось со временем узнать. Кроме того, исследование внутренней структуры тела не ограничивается микронными размерами. После Гарвея были открыты еще более мелкие и совершенно новые элементы и системы как в человеческом организме, так и в неодушевленных физических системах.
Дойдя до размеров в одну десятую микрона — длин, которые примерно в десять миллионов раз меньше длины метровой линейки, — мы обнаруживаем ДНК, фундаментальный строительный элемент любого живого существа, хранящий генетическую информацию. Объекты такого размера все еще в 1000 раз крупнее атома, но это уже уровень, где важную роль играет молекулярная физика (то есть химия). Молекулярные процессы, протекающие внутри ДНК, до сих пор понятны не до конца; ясно, однако, что они лежат в основе невероятно широкого спектра жизненных форм, завоевавших земной шар. Молекулы ДНК содержат миллионы нуклеотидов, и квантово–механические атомные связи играют на этом уровне очень существенную роль.
Молекулы ДНК также делятся по величине на несколько категорий. Структура ДНК очень сложна, а молекулы так перекручены, что полная длина человеческой ДНК может измеряться метрами. Но ширина двойной цепочки ДНК составляет всего лишь около двух тысячных долей микрона — примерно два нанометра. Это немного меньше самого маленького на сегодняшний день транзисторного ключа в микропроцессоре, размеры которого составляют около 30 нм. Длина одного нуклеотида составляет примерно 0,33 нм; он сравним по размеру с молекулой воды. Средний ген представляет собой цепочку из 1000-100000 нуклеотидов. Самое информативное и полезное описание гена основано как ответ на совершенно другие вопросы, чем те, которые мы стали бы задавать в отношении единичного нуклеотида. Таким образом, ДНК на разных линейных масштабах работает по–разному, а ученые ищут при этом ответы на разные вопросы и используют разные ее описания.
Биология схожа с физикой в том, что структуры, которые мы видим на крупных масштабах, всегда состоят из более мелких элементов. Но в биологии мало разобраться в отдельных элементах, чтобы понять принципы работы более крупных структур в живых системах. Да и цели у биологии гораздо более амбициозны. Мы считаем, что на самом базовом уровне именно законы физики определяют процессы, протекающие в человеческом теле, но функциональные биологические системы сложны и запутанны, к тому же часто порождают трудно предсказуемые последствия. Распутать структуру из базовых элементов и разобраться в сложнейших механизмах обратных связей необычайно трудно, а комбинаторика генетического кода еще и усложняет эту задачу. Даже если мы узнаем все о базовых элементах, останутся еще эмерджентные структуры и эмерджентное же поведение, в которых, по всей видимости, и кроется тайна жизни.
Физики тоже не всегда могут разобраться в процессах, протекающих на более крупных масштабах, при помощи знаний о структуре отдельных «кирпичиков», но физические системы в большинстве своем проще в этом отношении, чем биологические. Хотя структура материи сложна и может иметь совершенно иные свойства, чем составляющие ее элементы, механизмы обратной связи и эволюционные процессы, как правило, не играют здесь столь заметной роли. Для физиков поиск самого простого, самого элементарного компонента представляет собой важную цель.
АТОМНЫЙ МАСШТАБ
Уйдя от механики биосистем и опускаясь глубже по шкале линейных размеров, чтобы разобраться уже в базовых физических элементах, мы остановимся ненадолго на размере атома — около 100 пикометров, что в 10 тысяч миллионов (1010) раз меньше метра. Точный размер атома определить трудно, поскольку в его составе присутствуют электроны, которые циркулируют вокруг ядра, но никогда не застывают на месте. Традиционно, однако, в качестве размера атома указывают среднее расстояние от электрона до ядра.
Говоря о физических процессах, протекающих на этих крошечных расстояниях, нередко прибегают к наглядным изображениям, но необходимо помнить, что все они основаны на аналогиях. У нас нет другого выхода, и для описания непривычных структур, которые ведут себя странно с точки зрения здравого смысла, приходится привлекать описания объектов, с которыми мы сталкиваемся в обычной жизни.
Корректно изобразить внутреннее строение атома невозможно — ведь рассчитывать при этом мы можем лишь на собственные физиологические качества, а именно чувства и двигательные способности, применимые только в человеческом масштабе. Человеческое зрение, к примеру, опирается на явления, которые видимыми делает свет, то есть электромагнитное излучение. Световые волны — те, что попадают в оптический диапазон — имеют длину волны примерно от 380 до 750 нм. Это намного больше размера атома, который составляет примерно одну десятую нанометра (рис. 14).
РИС. 14. Отдельный атом — всего лишь крохотная точка по сравнению даже с самой маленькой длиной волны видимого света
Это означает, что исследовать внутреннюю структуру атома при помощи видимого света, пытаясь увидеть его глазами, так же бесполезно, как вдевать нитку в иголку в варежках. Длины волн, о которых идет речь, буквально «размывают» объекты более мелких размеров, и получить с их помощью четкую картинку невозможно, не хватит разрешения. Поэтому, когда мы хотим по–настоящему «увидеть» кварки или даже протон, мы хотим невозможного. У нас просто нет инструмента, который позволил бы точно визуализировать то, что происходит внутри атома.
Но путать способность человека увидеть некие явления и нашу уверенность в том, что эти явления существуют, — серьезная ошибка, которую ученые не могут себе позволить. Тот факт, что мы не только не видим эти явления, но и не имеем их мысленного образа, не означает, что мы не можем логически вычислить физические элементы и процессы, которые имеют место на соответствующих масштабах.
Гипотетически в масштабе атома окружающий мир показался бы нам невероятным, потому законы физики в этом мире резко отличаются от тех, к которым мы привыкли и которые действуют там, где мы бодро отмеряем расстояния при помощи линеек. Мир атома совершенно не похож на тот образ, что возникает в нашем сознании при мысли о материи (рис. 15).
РИС. 15. Атом состоит из электронов, обращающихся вокруг центрального ядра, которое, в свою очередь, состоит из положительно заряженных протонов (заряд каждого из них равен единице) и нейтральных нейтронов (их заряд равен нулю)
Возможно, первое и самое поразительное наблюдение, которое можно было бы сделать в этом масштабе, состояло бы в том, что атом состоит преимущественно из пустого пространства[20]. Ядро — центр атома — примерно в 10 000 раз меньше по радиусу, чем орбиты электронов. Размер среднего ядра — примерно 10-14м (10 фемтометров). Ядро атома водорода еще примерно в 10 раз меньше. Ядро по сравнению с атомом так же мало, как Солнце по сравнению со всей Солнечной системой. Атом по большей части пуст. Объем ядра составляет всего лишь одну триллионную часть полного объема атома.
Это совсем не то, что мы видим и чувствуем, когда стучимся в дверь или пьем прохладную жидкость через соломинку. Чувства подсказывают нам, что вещество непрерывно. Тем не менее на атомном уровне мы обнаруживаем, что вещество по большей части не содержит ничего «вещественного», просто наши чувства усредняют все, что имеет меньшие размеры; за счет этого вещество кажется нам твердым и непрерывным. На атомном уровне оно совсем не такое.
Почти полная пустота — не единственное, что удивило бы нас при взгляде на вещество в атомном масштабе. В свое время мир физики был буквально потрясен тем, что на этих крошечных расстояниях нарушаются даже самые фундаментальные основы ньютоновой физики. Понять свойства электронов в атоме невозможно без представления о двух вещах: волновой природе вещества и принципа неопределенности — ключевых элементах квантовой механики. Электроны в атоме вовсе не летают по простым кривым, описывающим конкретные орбиты, изображение которых мы так часто видим. Согласно квантовой механике никто не в состоянии измерить одновременно положение и импульс частицы с бесконечной точностью, а без этого невозможно и проследить точный путь частицы во времени. Принцип неопределенности, выдвинутый Вернером Гейзенбергом в 1926 г., утверждает, что точность, с которой измерены координаты частицы, ограничивает максимальную точность, с которой можно измерить ее импульс[21]. Если бы электроны двигались по классическим траекториям, мы могли бы в любой момент точно сказать, где находится данный конкретный электрон, а также с какой скоростью и в каком направлении он движется; следовательно, мы могли бы точно сказать, где он будет находиться в любой момент в будущем. Это, однако, противоречит принципу Гейзенберга.
Квантовая механика учит нас, что электроны не занимают в атоме строго определенного положения, как следовало бы из классической картины мира. Вместо этого мы имеем распределение вероятностей, из которого следует, какие у нас шансы в данный момент обнаружить электрон в данном конкретном месте; вероятности — это все, что у нас есть. Мы можем предсказать среднее положение электрона как функцию времени, но любое конкретное измерение подчиняется принципу неопределенности.
Имейте в виду, что эти распределения не произвольны. У электронов может быть далеко не любое распределение энергий или вероятностей. В классической теории не существует внятного способа описать орбиту электрона — ее можно описать только в терминах теории вероятностей. Тем не менее распределение вероятностей — вполне конкретная функция. В квантовой механике мы можем записать уравнение, описывающее волновое решение для электрона, и это уравнение даст нам вероятность нахождения электрона в конкретной точке пространства.
Еще одно свойство атома, замечательное с точки зрения классической ньютоновой физики, заключается в том, что электроны в атоме могут занимать только фиксированные квантованные энергетические уровни. Орбиты электронов зависят от их энергий, и конкретные энергетические уровни и связанные с ними вероятности должны соответствовать правилам квантовой механики.
Без квантованных уровней электронов невозможно разобраться в атоме. В начале XX в. физики начали понимать, что классические правила придется радикально пересматривать: дело в том, что с точки зрения классической физики электроны, обращающиеся вокруг ядра, нестабильны. По идее они должны были бы излучать энергию и быстро падать на ядро. Такая система не только ничем не напоминала бы атом, но и не допускала бы существование структуры вещества, основанной на стабильных атомах, какими мы их знаем.
Нильс Бор в 1912 г. оказался перед непростым выбором — отказаться от классической физики или отказаться от веры в достоверность наблюдаемых данных. Бор мудро выбрал первый вариант и предположил, что на малых расстояниях, разделяющих электроны в атоме, классические законы неприменимы. Этот вывод стал одним из ключевых факторов, приведших к созданию квантовой физики.
Отказавшись от законов Ньютона, Бор смог постулировать, что электроны в атоме могут занимать только фиксированные энергетические уровни в соответствии с предложенным им условием квантования; условие это было связано с величиной, известной как орбитальный угловой момент электрона (он же момент импульса). По Бору, принципу квантования подчинялось все в атомном масштабе. Вообще, в этом масштабе действовали совсем иные правила, нежели те, что применимы в привычном для нас макроскопическом мире и по которым, к примеру, Земля обращается вокруг Солнца.
Технически квантовая механика применима и в макроскопических системах. Но ее действие здесь слишком слабо, чтобы мы смогли его измерить или хотя бы заметить. Когда вы наблюдаете движение Земли — или, вообще говоря, любого другого макроскопического объекта по орбите, — квантово–механическими эффектами можно пренебречь. В подобных системах они усредняются таким образом, что любое предсказание, сделанное на основе квантовой механики, полностью совпадает с предсказанием, сделанным на базе классической физики. Как уже говорилось в главе 1, для измерений в макроскопическом масштабе классические предположения, как правило, дают чрезвычайно хорошие результаты — настолько хорошие, что заметить действие законов квантовой механики, которые лежат в основе всего этого, невозможно. Проведем следующую аналогию. Текст и изображения на экране компьютера даже с самым хорошим разрешением состоят из точек; точки — аналог квантово–механической атомной структуры. Но нам, как правило, достаточно видеть лишь текст и изображения.
Квантовая механика, безусловно, представляет собой изменение научной парадигмы, однако очевидным оно становится только в атомном масштабе. Несмотря на радикальность предложенной модели, Бору не пришлось отказываться от всего, что было прежде. Он вовсе не считал, что физика Ньютона неверна; он всего лишь предположил, что к электронам в атоме классические законы механики неприменимы. В макроскопическом масштабе вещество состоит из такого количества атомов, что квантовые эффекты выделить невозможно, и в целом оно подчиняется законам Ньютона, по крайней мере на том уровне, на котором можно оценить правильность сделанных на их основе предположений. Ньютоновы законы верны, и мы признаем их справедливость в тех масштабах, где они применимы. Однако на атомном уровне законы Ньютона с неизбежностью отказывают — и отказывают весьма наглядным образом, который и позволил ученым разработать квантовую механику.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Продолжая наше путешествие по линейке масштабов вниз, в глубину атомного ядра, мы еще не раз увидим новые определения, новые базовые компоненты и даже новые физические законы, но фундаментальная квантово–механическая парадигма останется нетронутой.
Внутри атома мы первым делом рассмотрим элементы его внутренней структуры с размерами около 10 фемтометров, что соответствует одной стотысячной нанометра. Насколько нам удалось установить на сегодняшний день, электроны действительно фундаментальны, то есть вроде бы не состоят из каких бы то ни было иных, более мелких компонентов. Ядро, с другой стороны, фундаментальным объектом не является. Оно состоит из более мелких элементов, известных как нуклоны, или субъядерные частицы. Нуклоны бывают двух типов: протоны и нейтроны. Протоны обладают положительным электрическим зарядом, а нейтроны электрически нейтральны, то есть не имеют ни положительного, ни отрицательного заряда.
Чтобы разобраться в природе протонов и нейтронов, придется признать, что они тоже не фундаментальны. Великий физик-ядерщик и популяризатор науки Джордж Гамов так обрадовался открытию протонов и нейтронов, что решил, что достигнута окончательная «вторая граница»; он не считал, что возможны еще какието субструктуры. Вот его слова:
«Вместо довольно большого числа «неделимых» атомов классической физики мы получили всего лишь три различных сущности: протоны, электроны и нейтроны… Таким образом похоже, что мы действительно достигли дна в поиске базовых элементов, из которых сформировано все вещество».
Оказалось, что ученый немного поторопился. Субструктуры — более мелкие компоненты, чем протон и нейтрон — все же существуют, но обнаружить их было непросто. Должны были появиться технические средства, позволяющие изучать расстояния, меньшие, чем размеры протона и нейтрона; нужны были более высокие энергии или более миниатюрные датчики, чем те, что имелись в распоряжении физиков во времена, когда Гамов сделал свое неточное предсказание.
Если бы мы могли проникнуть в ядро и увидеть нуклоны, размер которых примерно соответствует одному ферми, что примерно в десять раз меньше размеров самого ядра, мы увидели бы также объекты, существование которых внутри нуклонов предсказали Мюррей Гелл–Манн и Джордж Цвейг. Гелл–Манн назвал эти единицы субструктуры кварками, позаимствовав, по собственному утверждению, это слово из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза: «Три кварка для мастера Марка!» Нижние и верхние кварки в нуклонах действительно представляют собой фундаментальные объекты меньших размеров (два верхних и один нижний кварки внутри протона показаны на рис. 16), которые сила, известная как сильное ядерное взаимодействие, связывает в протоны и нейтроны. Несмотря на обычное название, сильное взаимодействие представляет собой особую силу природы и дополняет остальные известные типы фундаментальных взаимодействий — электромагнетизм, гравитацию и слабое взаимодействие, о котором мы поговорим позже.
Сильное взаимодействие называется сильным, потому что оно… сильное — это подлинная цитата из объяснения одного из моих коллег–физиков. Звучит глупо, конечно, но на самом деле это правда. Именно поэтому кварки можно обнаружить только в связанном состоянии в таких объектах, как протоны и нейтроны, для которых сильное взаимодействие в целом нейтрализуется. Это взаимодействие настолько сильно, что в отсутствие иных сил компоненты, связанные сильным взаимодействием, невозможно было бы обнаружить отдельно друг от друга.
РИС. 16. Заряд протона переносится тремя валентными кварками — двумя верхними и одним нижним
Выделить один–единственный кварк невозможно. Кварки как будто намазаны чемто особым, которое проявляет свои клеящие свойства на больших расстояниях (поэтому частицы, которые переносят сильное взаимодействие, получили название глюонов[22]). Представьте себе эластичную ленту, упругие свойства которой проявляются только тогда, когда ее растягивают. Внутри протона или нейтрона кварки могут свободно двигаться, но попытка удалить один из кварков на скольконибудь существенное расстояние потребовала бы дополнительной энергии.
Приведенное описание вполне корректно, но интерпретировать его нужно с осторожностью. Человек, естественно, представляет себе кварки как бы заключенными в мешок, где от внешнего мира их отделяет материальная преграда. Более того, одна из моделей ядерных систем, по существу, рассматривает протоны и нейтроны именно в таком ключе. Однако она, в отличие от других моделей, о которых мы будем говорить позже, вовсе не является гипотезой реальности. Ее единственная цель — производить вычисления в диапазоне расстояний и энергий, где действующие силы так мощны, что обычные методы расчетов неприменимы.
Протоны и нейтроны — не сосиски. У них нет искусственной оболочки, которая удерживала бы кварки внутри. Протон — это стабильный набор из трех кварков, которые удерживает вместе сильное взаимодействие. Благодаря этой силе три легких кварка, по существу, действуют как единый объект — протон или нейтрон.
Еще одно существенное следствие сильного взаимодействия — и квантовой механики — состоит в том, что внутри протона или нейтрона рождаются дополнительные виртуальные частицы, которые не живут долго, но в каждый отдельно взятый момент вносят свой энергетический вклад. Массу, а следовательно, и энергию, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc2, в протоне и нейтроне имеют не только сами кварки, но и та сила, что их связывает. Сильное взаимодействие подобно эластичной ленте, которая связывает два мяча и сама по себе содержит энергию. Если «ущипнуть» эту ленту, запасенная в ней энергия позволит родиться новым частицам.
До тех пор пока суммарный заряд новых частиц равняется нулю, этот процесс рождения частиц из энергии в протоне не нарушает никаких известных физических законов. К примеру, положительно заряженный протон при рождении виртуальных частиц не может внезапно превратиться в нейтральный объект.
Это означает, что каждый раз, когда кварк — который сам по себе представляет собой частицу с ненулевым зарядом — рождается, одновременно должен родиться и антикварк, то есть частица, по массе идентичная кварку, но с обратным зарядом. Более того, пары «кварк — антикварк» могут как появляться, так и исчезать. К примеру,кварк и антикварк при аннигиляции могут породить фотон (частицу, которая передает электромагнитное взаимодействие), который, в свою очередь, породит новую пару «частица/античастица» (рис. 17). Их суммарный заряд равен нулю, так что ни с рождением, ни с гибелью пары заряд внутри протона не изменится.
РИС. 17. Достаточно энергичные кварки и антикварки могут аннигилировать с выделением энергии, которая, в свою очередь, создает другие заряженные частицы и соответствующие им античастицы
Помимо кварков и антикварков протонное море (это не метафора, а технический термин!), состоящее из возникающих виртуальных частиц, содержит также глюоны — частицы, отвечающие за сильное взаимодействие. Они аналогичны фотонам, при обмене которыми между электрически заряженными частицами возникает электромагнитное взаимодействие. Глюоны (их существует восемь различных типов) подобным образом передают сильное взаимодействие. Ими обмениваются частицы, обладающие зарядом, который является объектом сильного взаимодействия; обмен глюонами связывает кварки воедино или отталкивает их друг от друга.
Однако в отличие от фотонов, которые не имеют электрического заряда и потому не подвергаются непосредственному действию электромагнитных сил, глюоны и сами являются объектом сильного воздействия! В то время как фотоны способны передавать взаимодействие на громадные расстояния — ведь мы можем включить телевизор и увидеть сигнал, переданный в эфир за много километров от нашего дома, — глюоны, как и кварки, не могут уйти далеко, прежде чем взаимодействие осуществится. Глюоны связывают объекты на расстояниях, сравнимых по размеру с протоном.
Если представить себе внешний вид протона и сосредоточиться только на элементах, несущих его заряд, можно сказать, что протон состоит из трех кварков. Это три валентных кварка — два верхних и один нижний, — которые вместе формируют его заряд. Однако помимо трех кварков, ответственных за заряд, внутри протона существует целое море виртуальных частиц — пар «кварк — антикварк» и глюонов. Чем подробнее мы будем рассматривать протон, тем больше виртуальных кварк–антикварковых пар и глюонов обнаружим. Их конкретное распределение зависит от энергии, с которой мы будем их зондировать. При тех энергиях, с которыми сегодня можно сталкивать протоны, мы видим, что значительную часть их энергии несут виртуальные глюоны, кварки и антикварки различных типов. Они никак не влияют на электрический заряд частицы, но, как мы увидим позже, важны для корректного предсказания результатов протонных столкновений, когда нам необходимо знать, что находится внутри протона и что конкретно переносит его энергию (более подробно строение протона см. на рис. 18).
Теперь, когда мы дошли до масштаба кварков, удерживаемых вместе сильным взаимодействием, мне бы хотелось рассказать, что происходит на еще более мелких масштабах. Имеет ли кварк внутреннюю структуру? Имеет ли ее электрон? На данный момент у нас нет этому никаких свидетельств. Ни один эксперимент до сих пор не дал никаких подтверждений существования структур более низкого уровня. В контексте нашего путешествия в глубь вещества кварки и электроны — это конец пути. Пока.
Однако в настоящее время БАК исследует энергии, более чем в 1000 раз превосходящие, — и соответственно расстояния, в 1000 с лишним раз меньшие, — чем энергии и расстояния, связанные с массой протона. БАК сталкивает между собой два протонных пучка, которые предварительно разгоняет до чрезвычайно высоких энергий — более высоких, чем все, что когдалибо имело место на Земле. Протонные пучки, о которых идет речь, состоят из нескольких тысяч сгустков по 100 млрд тщательно выровненных, или коллимированных, протонов, собранных в крохотные субстанции, циркулирующие по подземному туннелю. Вокруг кольца расположены 1232 сверхпроводящих магнита, назначение которых — удерживать протоны внутри трубы, пока электрические поля разгоняют их до высоких энергий. Другие магниты (392 штуки) переориентируют лучи таким образом, что два луча, вместо того чтобы лететь рядом, сталкиваются.
РИС. 18. Большой адронный коллайдер сталкивает высокоэнергетические протоны между собой; каждый из протонов содержит три валентных кварка и множество виртуальных кварков и глюонов, которые тоже могут принимать участие в столкновениях
Затем — здесь– все и происходит — магниты проводят два протонных луча по кольцу так точно, что они сталкиваются в области, меньшей по размеру, чем толщина человеческого волоса. При столкновении некоторая часть энергии ускоренных протонов превращается в массу, как гласит знаменитая формула Эйнштейна Е = mc2. И при этих столкновениях высвобождается столько энергии, что могут родиться новые невиданные элементарные частицы, более тяжелые, чем все, что нам удавалось получить прежде.
При встрече протонов кварки и глюоны иногда сталкиваются на высоких энергиях в очень ограниченном пространстве — примерно как если бы сталкивались между собой набитые камешками воздушные шарики. БАК сообщает частицам столь высокую энергию, что в случае удачи друг с другом сталкиваются отдельные компоненты встречных протонов. В их числе, разумеется, те самые два верхних и один нижний кварки, которые обеспечивают заряд протона. При этом заметная часть энергии протона достается и виртуальным частицам. Поэтому в БАКе в столкновении участвуют не только три кварка, отвечающие за заряд, но и виртуальное «море» частиц.
Во время этого процесса — и именно здесь кроется ключ ко всей физике элементарных частиц — количество и типы частиц могут измениться. Полученные на БАКе результаты должны многое рассказать нам о самых маленьких расстояниях и размерах. Помимо информации о возможных субструктурах, они должны раскрыть перед нами новые аспекты физических процессов, существенные на этих расстояниях. Энергии, достигаемые на БАКе, представляют собой последний, по крайней мере в обозримом будущем, экспериментальный рубеж в мире сверхмалых масштабов.
ТЕХНОЛОГИИ. ЧТО ДАЛЬШЕ?
Мы закончили вводное путешествие в мир малых расстояний, доступных человеку при нынешнем уровне развития технологий. Однако границы исследовательских возможностей человека не могут ограничивать природу реальности. Пусть сегодня кажется, что нам трудно придумать и изготовить технические средства, позволяющие напрямую исследовать еще более мелкие размеры и расстояния, мы все же можем попытаться сделать некоторые выводы о структуре и взаимодействиях на них при помощи математических аргументов.
Мы признаем, что без экспериментальных данных невозможно точно определить, что существует на тех невообразимо малых масштабах, в которых нам тоже очень хотелось бы разобраться. Тем не менее даже в отсутствие измерений у нас остаются теоретические рассуждения, способные направить наши усилия и подкрепить догадки о том, как вещество и силы природы могут вести себя на еще более мелких масштабах. Мы можем поискать на доступных нам масштабах новые возможности — средства и способы, которые помогли бы объяснить и соотнести между собой наблюдаемые явления, даже если их фундаментальные компоненты недоступны для непосредственных наблюдений.
Мы пока еще не знаем, какие из наших теоретических построений окажутся верными. Но даже без непосредственного экспериментального доступа к самым маленьким расстояниям можно сказать точно: то, что нам удалось наблюдать, серьезно ограничивает спектр явлений, которые в принципе могут быть обнаружены — ведь именно фундаментальная теория в итоге должна объяснить все, что мы видим. А значит, экспериментальные результаты даже на более крупных расстояниях ограничивают спектр возможностей и заставляют нас рассуждать в определенных, достаточно конкретных направлениях.
Коекто даже предполагает, чт между энергиями БАКа и еще более высокими энергиями, действующими на еще более маленьких расстояниях, существует пустыня, то есть некий промежуток, практически лишенный значимых расстояний или энергий. Вероятно, подобные теории возникают от недостатка воображения или данных. Но многие ученые считают, что следующие по–настоящему интересные открытия на сверхмалых масштабах должны быть связаны с унификацией всех физических взаимодействий на малых расстояниях.
Эта концепция способна распалить воображение как ученых, так и обычных людей. Согласно такому сценарию мир, который мы видим вокруг, пока не раскрывает нам фундаментальную, очень красивую и простую теорию, лежащую в основе всего на свете, которая охватывает все известные физические взаимодействия (или, по крайней мере, все взаимодействия, кроме гравитации). С того самого момента, когда ученые впервые поняли, что сил в природе больше, чем одна, множество физиков посвятило свою жизнь поиску единой теории.
Одно из самых интересных рассуждений на эту тему представили Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу в 1974 г. Они предположили, что, хотя мы наблюдаем при низких энергиях три негравитационных взаимодействия, в которых фигурируют различные силы (электромагнитные, а также слабые и сильные ядерные), при гораздо более высоких энергиях останется лишь одно взаимодействие, одна сила (рис. 19)[23]. Эта сила охватывает все три известных типа взаимодействия (сильное, слабое и электромагнитное). Данное теоретическое построение получило название теории великого объединения (GUT — Grand Unified Theory).
РИС. 19. При высоких энергиях три известных негравитационных взаимодействия могут иметь одинаковую силу, и не исключено, что их можно было бы свести в одно взаимодействие
Возможность того, что силы всех трех взаимодействий действительно сходятся в одной точке, представляется не просто красивой гипотезой. Расчеты с использованием квантовой механики и специальной теории относительности указывают: дело, вполне возможно, обстоит именно так[24]. Однако энергетический диапазон, в котором это происходит, намного превышает все те энергии, которые мы можем изучать в своих экспериментах на коллайдере. Расстояния, на которых согласно расчетам должно «работать» единое взаимодействие, составляют порядка 10-30см. Но, несмотря на то что подобные расстояния выходят далеко за пределы наших возможностей по непосредственному наблюдению, мы можем подумать о том, какие косвенные следствия унификации взаимодействий можно было бы зарегистрировать имеющимися средствами.
Одним из таких явлений мог бы стать распад протона. Согласно теории Джорджи и Глэшоу — а она попутно вводит новые виды взаимодействий между кварками и лептонами — протоны должны самопроизвольно распадаться. Учитывая достаточно специфическую природу этой теории, ученые смогли подсчитать, с какой частотой должен происходить этот распад. До сих пор никому не удалось его наблюдать, что, по идее, исключает вариант теории, предложенный Джорджи и Глэшоу. Это не означает, однако, что теория великого объединения обязательно неверна. Просто в реальности она может оказаться более сложной, чем предположили эти ученые.
Теория великого объединения наглядно демонстрирует, как можно расширить наши знания за пределами непосредственно наблюдаемых размеров. Пользуясь теоретическими допущениями, мы можем попытаться экстраполировать то, что уже сумели экспериментально проверить, на область пока недоступных прямому измерению энергий. В случае теории великого объединения попытки экспериментально наблюдать распад протона позволили ученым косвенно изучить взаимодействия на расстояниях, выходящих далеко за пределы возможностей непосредственного наблюдения. Эти эксперименты позволили проверить выдвинутое предположение. Приведенный пример показывает, что иногда нам удается сделать интересные заключения о свойствах вещества и фундаментальных взаимодействиях и даже придумать способы распространить выводы, основанные на экспериментальных данных, на гораздо более высокие энергии и более общие классы явлений при помощи рассуждений о расстояниях и масштабах, которые на первый взгляд представляются слишком далекими, чтобы принимать их во внимание. Следующая (и последняя) остановка нашего воображаемого путешествия — так называемая планковская длина, а именно 10-33 см. Чтобы получить некоторое представление о том, насколько реально мала эта величина, представьте, что она настолько же меньше протона, насколько сам протон меньше… ну, к примеру, Род–Айленда. В этом масштабе даже самые фундаментальные наши представления о пространстве и времени, вероятно, окажутся неверными. Мы не представляем даже, как мог бы выглядеть гипотетический эксперимент по исследованию расстояний, меньших, чем планковская длина. Это самый маленький размер, какой мы в принципе можем вообразить.
Тот факт, что мы не можем даже представить эксперимент, при помощи которого можно было бы исследовать планковские расстояния, вполне может оказаться не просто симптомом ограниченности человеческого воображения, техники или даже финансирования. Недоступность расстояний, меньших, чем планковская длина, может оказаться подлинным ограничением, обусловленным законами природы. Как мы убедимся в следующей главе, из законов квантовой механики следует, что для зондирования малых расстояний необходимы высокие энергии. Но стоит энергии, заключенной в небольшом объеме, оказаться слишком большой, как вещество коллапсирует и образуется черная дыра. В этот момент на передний план выходит гравитация. Дополнительная энергия лишь сделает черную дыру еще больше, в чем мы успели уже убедиться на примере ситуаций, в которых влияние законов квантовой механики невелико. Мы не знаем, как вообще можно исследовать расстояние, уступающее планковской длине. Дополнительная энергия здесь не поможет. Вероятно, что на этих невообразимо крошечных расстояниях традиционные представления о пространстве уже неприменимы.
Мне недавно довелось читать лекцию. После того как я рассказала о нынешнем состоянии физики элементарных частиц и наших предположениях о природе дополнительных измерений, ктото из слушателей процитировал мне мое собственное забытое заявление о возможных ограничениях наших представлений о пространстве–времени. Меня спросили, как можно совместить рассуждения о дополнительных измерениях с мыслью о том, что на какихто расстояниях пространство–время просто не существует.
Вообще, рассуждения о том, что категории пространства и времени теряют свою актуальность в определенных условиях, относятся лишь к невообразимо малой планковской длине. Поскольку никто до сих пор не видел объектов размером меньше 10-17см, можно сказать, что классическая геометрия на измеримых расстояниях не нарушается. Даже если понятие пространства на расстояниях, сравнимых с планковской длиной, теряет актуальность, не стоит забывать, что речь здесь идет о расстояниях много меньших, чем все, что мы до сих пор исследовали. Здесь нет никакого противоречия, если предположить, что при усреднении на много больших наблюдаемых расстояниях возникает узнаваемая структура. В конце концов, на разных масштабах вещество нередко ведет себя очень по–разному. Эйнштейн говорил о непрерывной геометрии пространства на больших расстояниях. Однако его мысли могут оказаться неверными на малых расстояниях, если, конечно, они пренебрежимо слабо влияют на явления, наблюдаемые на измеримых расстояниях, так что добавление еще нескольких фундаментальных ингредиентов не даст различимого эффекта, который мы могли бы зарегистрировать.
Независимо от того, существуют ли на самых малых расстояниях пространство и время, принципиальное свойство планковской длины, о котором сообщают нам уравнения, состоит в том, что гравитация, действие которой на фундаментальные частицы на измеримых асстояниях пренебрежимо мало, становится серьезной силой, сравнимой по интенсивности с остальными известными нам силами. На планковской длине стандартная формула тяготения, согласно теории относительности Эйнштейна, уже неприменима. В отличие от более крупных расстояний, где мы можем предсказать поведение системы таким образом, чтобы оно хорошо согласовывалось с экспериментальными данными, на этих крохотных расстояниях квантовая механика и теория относительности несостоятельны и применять теории, которым мы обычно пользуемся, невозможно. Мы даже не знаем, как подойти к прогнозированию. Общая теория относительности основана на классической пространственной геометрии. На планковской длине категории пространства и времени изза квантовых флуктуаций может образовать слишком сложную структуру, к которой уже неприложимы традиционные формулы тяготения.
Читать бесплатно другие книги:
