Основы реальности. 10 Фундаментальных принципов устройства вселенной

Глава 1. Здесь много пространства

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Прелюдия: геометрия и реальность

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Исследуя Вселенную

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Космический горизонт

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

За горизонтом

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

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

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

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

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

Частицы пространства?

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

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

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

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

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

Глава 2. Здесь много времени

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Подводя итог, можно сказать, что:

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

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

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

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

Скорость мысли

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Измерение коротких промежутков времени

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

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

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

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

Прикладное физическое время

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

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

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

Прикладное психологическое время: прыжки и развороты

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

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

Прикладное психологическое время: скорость

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

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

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

Прикладное психологическое время: срок жизни

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

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

Глава 3. Здесь очень мало составляющих

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

Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались уничтожены и к грядущим поколениям перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов…[38]

Ричард Фейнман

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

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

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

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

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

Основные составляющие физической реальности — несколько принципов и характеристик, проявляющихся в том, что обычно называют элементарными частицами. Однако такие элементарные частицы существенно отличаются от любых объектов, с которыми мы сталкиваемся на опыте. Именно поэтому, чтобы разобраться, начнем с принципов и характеристик — атрибутов[39] — материи.

Четыре (обманчиво) простых принципа

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

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

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

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

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

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

На протяжении всей истории у людей были самые разные точки зрения на то, как устроен мир. В мифах, сказаниях и — до недавнего времени — в трудах образованных ученых, философов и теологов находили отражение идеи, противоречащие одному или нескольким из перечисленных принципов. Например, астрологию, телепатию, ясновидение и черную магию объясняли некими мощными силами, действующими на больших расстояниях и в больших временных интервалах. Другие гипотезы — экстрасенсорика, телекинез, чудодейственность молитв и магическое мышление[40] — родились из веры в нашу способность влиять на реальность усилием мысли. Большинство этих идей — «рациональное» развитие детских моделей мира. В их основе лежит убежденность, что разум отделим от тела, а наша воля может воздействовать на объекты и события. И подобные модели мира люди выстраивали веками.

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

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

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

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

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

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

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

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

Ньютон и локальность

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

То, что тяготение должно быть врожденным, внутренне присущим материи и существенным для нее, дабы одно тело могло воздействовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства какого-либо агента, посредством и при участии которого действие и сила могли бы передаваться от одного тела к другому, представляется мне столь вопиющей нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее[41].

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

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

Вера Ньютона в третий принцип — принцип локальности — оказалась на удивление провидческой. Начиная с середины XIX века, спустя много десятилетий после его смерти, физики начали заполнять пассивный «вакуум» — Ничто, или Пустоту, на которую жаловался Ньютон, — передающими силу субстанциями, которые мы называем полями. В современной физике фундаментальными кирпичиками, составляющими материю, являются поля, а не частицы[42].

Пример из практики: атомные часы

Атомные часы — великолепный пример действенности фундаментальных принципов.

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

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

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

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

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

Один из моих любимых мысленных экспериментов воплотился во многих научно-фантастических рассказах и в фильме «Матрица»[43]. Речь идет о неких разумных существах, игнорирующих свою физическую реальность. Для убедительности представим себе, что правы сторонники мощного искусственного интеллекта, допускающие нечто подобное в перспективе. Учитывая успешное развитие виртуальных технологий, звучит не так уж невероятно.

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

Мы можем также представить себе разумную, самостоятельно мыслящую версию Super Mario[44], чья чувственная вселенная сосредоточена внутри мира игры. Наш Super Mario живет во вселенной, управляемой законами, зависящими от того, где он находится, — а именно от уровня, которого он достиг. В более общем случае это вселенная, где законы меняются в соответствии с непредсказуемыми сюрпризами, встроенными в игру программистом. Здесь не только странные правила, но есть еще и так называемые пасхальные яйца, которые намеренно эти правила нарушают.

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

Мы можем вообразить миры, где возможны чудеса и где они происходят в самом деле. Или миры, история которых, в соответствии с написанным сценарием, достигает предопределенной кульминационной точки. В основу всех таких миров ляжет теория разумного замысла[45].

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

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

[Лишь] в общем мнении существует цвет, в мнении — сладкое, в мнении — горькое, в действительности же [существуют только] атомы и пустота[46].

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

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

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

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

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

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

1) масса,

2) заряд,

3) спин,

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

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

Подробный рассказ о массе и заряде, как электрическом, так и цветном[47], я перенес в приложение. Здесь же я расскажу немного о, возможно, наименее привычной характеристике — спине.

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

Движение волчка, или гироскопа, вызывает у нас интерес, поскольку оно необычно для нашего повседневного опыта. Если говорить конкретнее, быстро вращающийся гироскоп противодействует попыткам изменить направление своей оси вращения: чтобы сделать это, нужно приложить большую силу[48]. Мы говорим, что гироскоп обладает моментом инерции относительно оси вращения. Этот эффект используют для навигации самолетов и космических аппаратов, на борту которых есть гироскопы, помогающие им сохранять ориентацию.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Частицы построения

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

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

(Что означают звездочки, я объясню позднее.)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Творение частиц, версия первая: о дивный новый мир

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Творение частиц, версия вторая: умные материалы

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

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

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

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

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

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

Глава 4. Здесь очень мало законов

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

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

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

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

Опубликованные в 1687 году «Математические начала натуральной философии» Ньютона стали надежной основой для понимания физического мира, доминировавшей в науке практически до конца XIX столетия. В соответствии с тогдашними представлениями законы описывают действие тел друг на друга. Закон всемирного тяготения Ньютона успешно работал. Согласно ему, тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс и убывающей обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

Когда люди начали знакомиться с силами другого типа — электрическими и магнитными, — они попытались использовать ту же схему. Первые результаты были вдохновляющими. Например, если массы заменить на электрические заряды, закон Кулона для электрических сил повторяет закон тяготения Ньютона.

Но с магнетизмом все пошло не так гладко. Оказалось, что магнитные силы сложным образом зависят не только от координат, но и от скорости. Ситуация осложнилась еще больше, когда люди стали изучать одновременное действие электрических и магнитных сил.

Майкл Фарадей (1791–1867) — гениальный экспериментатор-самоучка из простой семьи — не последовал за изощренными математическими формулировками описывающих силы законов. Вместо этого он, полагаясь на воображение, думал самостоятельно. Фарадей представлял себе, что электро- и магнитно-активные тела распространяют влияние на пространство как на своего рода проницаемую материю или атмосферу, даже когда нет никаких других тел, способных чувствовать это влияние. Сегодня мы называем такое возмущение пространства электрическим и магнитным полем. Фарадей использовал более выразительный термин: силовые линии. Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), исключительно способный теоретик, ставший последователем Фарадея и проповедником его идей, сказал: «Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие всё пространство силовые линии там, где математики видели центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение явлений в реальных процессах, которые происходят в среде, а они довольствовались тем, что нашли его в силе действия на расстоянии»[60].

Руководствуясь такими смелыми представлениями, Фарадей обнаружил эффект, который без ссылки на поля даже сформулировать было бы трудно. Это закон электромагнитной индукции, согласно которому меняющиеся во времени магнитные поля создают циркулирующие электрические поля. Это открытие Фарадея показало, что поля живут собственной жизнью.

По мнению Фарадея, локальное воздействие в заполненном средой пространстве может быть причиной силы, действующей между удаленными друг от друга телами. Мысленно перенесясь к берегу водоема, мы сможем легко понять этот тезис. Когда несущаяся лодка создает волны, они методично распространяются на все озеро по мере того, как движущаяся вода в одном месте толкает воду поблизости — и только поблизости. Через какое-то время, когда до них дойдет волна, даже пловцы, находящиеся вдали от источника возмущения, почувствуют действие силы. Я много раз сталкивался с этим малоприятным явлением. Было бы еще хуже, если бы волна приближалась без предупреждения, но, к счастью, обычно я видел ее заранее. Локальность — подарок судьбы, не позволяющий застигнуть вас врасплох.

Дополненное Фарадеем представление о локальности привело к революции в физике. Заполняющие пространство электромагнитные поля следовало включить в список строительных элементов мира. Модель Ньютона, построенную на частицах в пространстве и возвращавшую нас к «атомам и пустоте» Демокрита, пришлось переосмыслить. Таким образом, наше описание мира существенно обогатилось. Максвелл писал:

Огромные межпланетные и межзвездные пространства больше не будут рассматриваться как пустыни во Вселенной, которые Создатель не посчитал подходящими, чтобы наполнить символами многообразного порядка Своего царствия. Теперь мы видим: они полны чудесной средой; так полны, что никакая человеческая сила не может удалить ее из малейшей частички пространства или создать малейший изъян в этой бесконечной непрерывности[61].

Если проза Максвелла кажется вам слишком восторженной, давайте посмотрим, как он к этому пришел. Когда в начале своего научного пути Максвелл решил изучать электричество и магнетизм, вдохновили его идеи и открытия Фарадея. Он предпочел интуитивную полевую концепцию Фарадея гораздо более проработанной и популярной конструкции Ньютона. Максвелл писал об этом так:

…Всякий раз, когда энергия со временем передается от одного тела другому, должна быть среда или вещество, в котором энергия существует после того, как она покинула одно тело и еще не достигла другого… Если мы примем эту среду в качестве гипотезы, я считаю, что она должна занимать выдающееся место в наших исследованиях и что нам следовало бы попытаться сконструировать рациональное представление обо всех деталях ее действия.

Излагая новые представления на языке математики, Максвелл понял: чтобы получить согласованные уравнения, к закону индукции Фарадея следует добавить еще один — где электрическое и магнитное поля меняются ролями. Согласно закону индукции Максвелла, переменные во времени электрические поля создают циркулирующие магнитные поля.

Объединив эти два полевых закона индукции — Фарадея и собственный, — Максвелл пришел к новому сенсационному выводу. Может существовать самоподдерживающееся, постоянное, распространяющееся возмущение электрических и магнитных полей. Изменение электрических полей вызывает изменение магнитных полей, которое вызывает изменение электрических полей, которое вызывает изменение магнитных полей… Согласно расчетам, эти возмущения распространяются со скоростью, совпавшей с независимо измеренной скоростью света. Максвелл сделал вывод: «Похоже, такое совпадение результатов должно указывать на то, что свет и магнетизм — атрибуты одной субстанции, что свет — электромагнитное возмущение, распространяющееся посредством полей в соответствии с законами электромагнетизма».

Он был прав.

Возможные электромагнитные возмущения включают видимый свет — все длины волн, воспринимаемых нашими глазами, — и многое другое. Максвелл предсказал существование «растянутых» и «сжатых» версий видимого света, включая новые, еще неизвестные формы излучения. Сегодня мы называем их радиоволнами, микроволновым, инфракрасным и ультрафиолетовым излучением, рентгеновскими лучами и гамма-лучами.

Убедительный эксперимент, доказавший справедливость уравнений Максвелла, был поставлен более чем двадцать лет спустя. Для этого Генрих Герц (1857–1894) разработал и построил первый радиопередатчик и радиоприемник. Герц стремился воплотить красивые идеи в физическую реальность. Он чувствовал, что ему это удалось. «Нельзя отделаться от ощущения, — писал Герц, — что эти формулы существуют независимо от нас, что они по-своему разумны, что они умнее нас — умнее даже тех, кто их открыл, что мы получаем от них больше, чем было изначально заложено».

Исследования Фарадея, Максвелла и Герца, растянувшиеся практически на все XIX столетие, утвердили заполняющие пространство поля как новый элемент, необходимый для описания основ мироздания.

Силы и вещество: квантовые поля

Сначала поля рассматривались как дополнение к частицам, как еще один ингредиент в «рецепте» физического мира, но в ХХ веке они взяли мир под контроль. Теперь мы рассматриваем частицы как проявление более глубокой, всеобъемлющей реальности.

Частицы — воплощение полей.

Как уже говорилось выше, на основании работы Планка Эйнштейн предположил, что свет распространяется дискретными порциями — частицами, которые он назвал квантами света, а мы называем фотонами. Изначально физическое сообщество приняло идею Эйнштейна прохладно: было сложно совместить представление о том, что свет — это частицы, с описанием света на основании полей Максвелла. На счету теории Максвелла было много побед, включая эпохальное открытие Герца; ее подтверждали детальные исследования новых форм излучения.

Непрерывные в пространстве поля казались чем-то в корне отличным от частиц. Несмотря на экспериментальные свидетельства, трудно было представить, что свет может быть и тем и другим. Но позже эти противоречивые проявления его природы объединила концепция квантового поля.

В соответствии с названием квантовые поля остаются полями — заполняющей пространство средой. Есть квантовая версия и электрических, и магнитных полей. Они по-прежнему удовлетворяют уравнениям Максвелла, которые физики девятнадцатого столетия получили, еще ничего не зная о квантовой механике, а также некоторым дополнительным. Последние имеют отпугивающее название «коммутационные соотношения», но я буду называть их менее формально — «квантовые условия». Они — математическое выражение самой сути квантовой механики.

Общую идею квантовых условий предложил Вернер Гейзенберг в 1925 году, когда ему было двадцать четыре года. Вскоре, в 1926 году, Поль Дирак вывел квантовые условия с учетом специфики электрического и магнитного полей. Дираку тоже было двадцать четыре.

Чем больше уравнений, которые надо удовлетворить, тем меньше у них решений. Как мы уже говорили, Максвелл обнаружил, что свет — своего рода самовоспроизводящееся, движущееся возбуждение электрического и магнитного полей. Однако не все его решения удовлетворяют квантовым условиям — например, определенному соотношению между энергией возбуждения и его частотой (то есть скоростью осцилляций поля). Я сформулирую это важное соотношение как на словах, так и в виде простого уравнения. На словах оно звучит так: энергия возбуждения должна равняться произведению отличной от нуля постоянной, которая называется постоянной Планка, на частоту. В форме уравнения получаем: E = hν, где E — энергия, ν — частота, а h — постоянная Планка. Именно это соотношение в 1900 году предложил Планк, а Эйнштейн воспользовался им в 1905 году, когда предсказал существование фотонов. Эту формулу называют формулой Планка — Эйнштейна[62]. Потребовалось двадцать лет, чтобы физики освоились с этим основанным на экспериментах революционным предположением и выработали согласованную теоретическую интерпретацию, изложенную здесь. У нас есть и уравнения Максвелла, и дискретные порции света.

Эта великая история об электромагнитных полях и фотонах ведет непосредственно к еще одному ключевому моменту: объясняет, зачем и как природа производит такое огромное количество взаимозаменяемых «деталей». Если бы наш список фундаментальных составляющих закончился элементарными частицами, без ответа остался бы важнейший вопрос. Ведь на этом уровне мы должны постулировать, что каждый тип частиц существует во множестве идентичных копий: много одинаковых фотонов, электронов и так далее.

В истории промышленного производства введение стандартизованных, взаимозаменяемых деталей было великим открытием. Чтобы не отступать от шаблонов, потребовалось изобрести новые механизмы и материалы. И даже тогда многие детали изнашивались, ломались и деформировались со временем. С другой стороны, согласно наблюдениям, свойства фотонов одинаковы, где бы и когда бы мы их ни обнаружили. Независимо от источника свет данного цвета имеет одни свойства и одинаково взаимодействует с материей. Одинаковы и электроны, где бы они ни обнаруживались. Если бы, например, свойства электронов в разных атомах углерода не были идентичны, сами атомы также обладали бы разными свойствами и законы химии не работали бы.

Как природе это удается? Только проследив происхождение всех фотонов до общего, универсального магнитного поля, мы приходим к пониманию их единообразия. И, ведомые аналогией, мы вводим поле (назовем его электронным), возбуждениями которого являются электроны. Свойства всех электронов одинаковы, поскольку каждый является возбуждением одного и того же универсального поля.

Поля нужны для достижения локальности, а квантовые поля производят частицы. Теперь мы лучше понимаем, почему частицы существуют и почему они столь удивительно взаимозаменяемы. Нет необходимости вводить два разных сорта фундаментальных составляющих реальности — поля и частицы. Господствуют поля. А именно квантовые поля.

Если вернуться к истокам полевой концепции — к попыткам Фарадея представить себе влияние электричества и магнетизма на пространство, — становится понятно, как еще квантовые поля унифицируют наше представление о мире. Те же самые поля, порождающие фотоны, в соответствии с представлениями Фарадея — и уравнениями Максвелла — порождают электрические и магнитные силы.

Подведем итог.

От сил мы переходим к полям, а от (квантовых) полей — к частицам.

От частиц мы переходим к квантовым полям, а от полей — к силам.

Таким образом мы понимаем, что вещество и сила — два аспекта единой, лежащей в их основе реальности.

Здесь я коротко обрисую, в какой мере все вышеописанное — принципы и свойства, воплощенные в нескольких типах частиц, — помогает нам интерпретировать природу четырех известных сил[63], или фундаментальных взаимодействий.

Как мы только что видели, на следующем, более глубоком уровне частицы заменяются полями.

Эти четыре взаимодействия (и соответствующие теории) таковы:

• электромагнитное взаимодействие, или, во всем квантовом величии, квантовая электродинамика (КЭД);

• сильное взаимодействие, или, во всем квантовом величии, квантовая хромодинамика (КХД);

• гравитационное взаимодействие, рассматриваемое общей теорией относительности Эйнштейна;

• слабое взаимодействие.

Когда речь идет о земной материи, доминируют электромагнитное и сильное взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие удерживает вместе атомы и управляет организованными из них структурами. Эти же силы описывают, как атомы взаимодействуют со светом. Сильное взаимодействие обеспечивает целостность ядер атомов и управляет их структурой.

Гравитационные силы, действующие между элементарными частицами, чрезвычайно слабы, но растут, когда частиц много. Так что если речь о больших (незаряженных) телах, то эти силы становятся основными.

Слабые силы управляют атомными превращениями и ведут к распаду частиц, которые в противном случае оставались бы стабильными. Они же обусловливают протекание реакций с выделением энергии. Заметим, что такие реакции — основной источник энергии звезд, включая наше Солнце.

Прежде чем погрузиться в детали, хочу объяснить два принятых мною решения. Первое касается выбора слов. Физики часто говорят не о четырех «силах», а о четырех «взаимодействиях». В пользу такого выбора есть вполне правомерный аргумент. В механике Ньютона слово «сила» имеет точное значение — определяет потенциальную причину движения. Но, например, в словосочетании «слабая сила» то же слово подразумевает совсем другое, а именно процессы, приводящие к превращению одних частиц в другие. Тем не менее я остановлюсь на словосочетании «слабая сила»: оно менее высокопарно[64], чем «слабое взаимодействие».

Второе решение затрагивает самую суть того, чего я надеюсь достичь этой книгой. Большая ценность наших теорий четырех сил — возможность точно и понятно выразить их в нескольких уравнениях. С точки зрения философии это означает нечто вполне конкретное, понятное и без математического образования. А именно наши теории без ущерба для содержания можно переформулировать в виде довольно коротких компьютерных программ и затем объединить в одну главную программу. Но даже эта программа — операционная система физического мира — будет значительно короче, скажем, операционной системы вашего компьютера.

Но у этого исключительного «сжатия данных» есть оборотная сторона: информация зашифрована, и шифр отличается от естественного человеческого языка.

Исходные уравнения или эквивалентные им компьютерные программы используют символы и понятия, совсем непохожие на привычные нам конструкции. Только после долгих вычислений и толкований можно перейти от уравнений к их следствиям, о которых легко рассказать.

В связи с этим я должен был выбирать — и не раз, — как добраться до истоков и какие их последствия выделить. Основной посыл остался прежним — небольшого числа законов достаточно для управления физическим миром.

Электрический атом

Основные правила для электромагнитного взаимодействия, начиная с закона Кулона и кончая выводом уравнений Максвелла, формулировались на основе опытов с объектами, размеры которых сопоставимы с человеческими. Приступив к исследованию субатомного мира, ученые предположили, что и там наиболее важны электромагнитные силы, а для их описания по-прежнему можно использовать уравнения Максвелла. Это был радикально-консервативный подход.

Подобная смелая стратегия работает на удивление хорошо. Если согласиться с тем, что основная масса атома и весь его положительный заряд сосредоточены в маленьких ядрах, а кроме этого есть только электроны, все остальное можно отдать на откуп уравнениям Максвелла плюс квантовым условиям, относящимся на этот раз к электронному полю. Вместе они дают одновременно точную и результативную модель атома.

Откуда мы знаем, что она верна? Атомы поют, открывая души свету. Я позволил себе некоторую поэтическую вольность, но эта фраза описывает и мастерство, и научный метод спектроскопии.

Спектроскопия

Начнем сначала — с фотонного[65] и электронного поля. Согласно квантовому условию, поле фотона дает нам фотоны. Они электрически нейтральны и непосредственно друг с другом не взаимодействуют.

Квантовое условие для электронного поля дает нам электроны, взаимодействующие благодаря электрическим силам. Именно поэтому все возбуждения электронного поля нельзя построить, просто складывая независимо фундаментальные возбуждения. Однако, когда электроны находятся достаточно далеко друг от друга, энергия их взаимодействия гораздо меньше энергии, заключенной в их массе (то есть E = mc²), так что их опять можно рассматривать по отдельности. Другими словами, фундаментальные возбуждения электронного поля представляют собой сгустки влияющих друг на друга маленьких частиц — электронов. На этой «полевой закваске» «выпекаются» как элементарные курсы, рассказывающие об окружающем мире, так и серьезные учебники по химии и биологии.

Чтобы построить модель атома, учтем влияние ядра на возбуждения электронного поля, содержащего достаточно электронов, чтобы сбалансировать положительный электрический заряд ядра. При такой «конструкции» точные уравнения для электронного поля могут оказаться достаточно сложными, поскольку должны учитывать как влияние ядра на электроны, так и влияние электронов друг на друга. Это начало долгой истории ядерной физики и химии, строящихся на фундаментальных принципах. Многие талантливые люди посвятили всю жизнь исследованиям тех или иных разделов этих наук.

Однако наша цель и более глобальна, и более ограниченна. Мы хотим в самом общем виде понять, что собой представляют наиболее важные гипотезы атомной физики и как они связаны с основами мироустройства. Если исходить из этого, главный вывод атомной физики удивительно прост: изучая цвета испускаемого атомами света, мы можем собрать обширную, детальную информацию об их устройстве.

Набор цветов, которые испускает атом, называется спектром, а его изучение — спектроскопией. Спектроскопия — один из самых мощных инструментов, дающих нам возможность общаться с природой. Его можно использовать для изучения не только электрически нейтральных атомов, но и молекул, ионов и вообще всего, что испускает фотоны.

В 1913 году, еще до того как квантовая механика обрела свою современную, совершенную форму, Нильс Бор сформулировал правила, ограничивающие допустимые значения энергий атома водорода. Правила Бора появились неожиданно — в результате вдохновенной догадки. Предсказанный им спектр точно совпадал с имевшимися экспериментальными данными, что было не так уж удивительно: правила и строились с учетом этих данных. Больше удивляло то, что модель Бора помогла сделать дополнительные предположения и все они оказались правильными. Когда на семинаре Эйнштейн впервые услышал об этом замечательном подтверждении теории Бора, он был явно потрясен и сказал: «Тогда это одно из величайших открытий».

Головокружительный успех Бора привел к важным последствиям: начался поиск более общих, логически последовательных квантовых условий. Сегодня правила Бора, как и формулу Планка — Эйнштейна, мы считаем предшественниками современных квантовых условий.

Эйнштейн говорил, что работа Бора — «наивысшая музыкальность в области мысли»[66]. И все же ее преемница — современная квантовая механика — существенно гармоничнее. Сходство ее уравнений с уравнениями, описывающими звуки музыки, поражает.

Если говорить конкретнее, уравнения электронного поля вокруг ядра напоминают уравнения гонга, изготовленного из странного материала. Оставаясь в рамках этой метафоры, можно сказать, что спектр цветов, испускаемых атомом, соответствует звуковому спектру гонга. Оба отражают устойчивую структуру колебаний своих «инструментов». Но они не предназначены для музыки, это не ноты какой-то имеющей смысл гаммы. А если речь не об одном электроне, спектр разрешенных колебаний может быть особенно сложным.

Спектры атомов абсолютно конкретны, и, в принципе, их можно рассчитать. Их упорядоченная сложность — подарок рациональному мышлению человека. Поскольку разные типы атомов испускают разные спектры света, эти спектры — своего рода подпись атома, его дактилоскопический отпечаток. Таким образом, просто оглядываясь вокруг — и уделяя особое внимание цвету, — можно изучить поведение атомов, далеко отстоящих от нас в пространстве и времени. Космос становится огромной, хорошо оборудованной химической лабораторией. По этой причине спектроскопия — основа астрофизики и космологии.

Кроме того, спектроскопия позволяет нам проверить основополагающие представления о мире. Поскольку точные теоретические расчеты спектров (когда удается их выполнить) пока согласуются с результатами экспериментов, есть уверенность, что сформулированные нами законы правильны. А поскольку до сих пор астрономы и химики, куда бы и когда бы они ни поглядели, видели один набор атомных спектров, мы делаем вывод, что одни и те же законы действуют на одни и те же исходные вещества везде во Вселенной и во все времена.

Замечательные результаты моделирования атомов и спектроскопии — следствие смелого предположения, согласно которому у атомов есть крошечное ядро, где сосредоточены весь его положительный заряд и практически вся масса. На волне этого успеха фундаментальная физика обратилась к следующему вопросу: что представляют собой ядра? Начались полные сюрпризов, взлетов и падений исследования, игравшие главную роль в физике почти все двадцатое столетие. Чтобы поскорее перейти непосредственно к основным открытиям, я опущу почти всю эту историю. Если вы захотите больше узнать о ранних этапах становления ядерной физики, ее неожиданных, изменивших мир побочных результатах, прочтите книгу Ричарда Роудса «Создание атомной бомбы»[67].

Главное открытие ядерной физики до квантовой хромодинамики состояло в том, что моделирование атомных ядер полезно начинать с протонов и нейтронов. Но, чтобы не дать ядрам развалиться, между их составляющими должны действовать какие-то неизвестные силы: электрическое отталкивание протонов стремится разорвать ядро, а гравитация слишком мала. Эти новые силы ученые назвали сильным взаимодействием и стали разбираться, что же оно собой представляет. Когда с этой целью начали исследовать поведение протонов и нейтронов, все очень быстро совсем запуталось. Прорыв случился, только когда ученые заглянули внутрь протонов.

Внутри протонов

Чтобы заглянуть внутрь протонов, физики следовали той же стратегии, которая позволила раньше исследовать строение атома, а именно проводили эксперименты по рассеянию в духе Гейгера и Марсдена. О них мы говорили выше, но теперь и рассеивающиеся пучки были другого типа, и методика усовершенствована. Ученые вновь направляли на интересующий объект пучок частиц, следили, как они отклоняются, а затем, используя полученную картину, делали шаг назад к структуре, обусловившей эти отклонения.

Самое важное усовершенствование состояло в том, что нужно было не только определить степень отклонения частиц (в первых экспериментах это были электроны), но и измерить потери ими энергии. Эта дополнительная информация позволяет нам выполнить анализ как во времени, так и в пространстве. Она помогает — после кропотливой обработки изображений — получить моментальный снимок внутренности протона. Важно получить именно такой снимок, потому что, оказывается, составляющие протона быстро движутся. При длинной выдержке — в нашем контексте это означает выдержку, превышающую одну миллионную от одной миллиардной одной миллиардной секунды, — все будет смазано.

Свобода и тюрьма[68]

Картина внутреннего устройства протона преподносит нам несколько сюрпризов — например, демонстрирует, что он содержит частицы меньших размеров, включая кварки. Раньше они использовались как теоретические конструкции, позволяющие упорядочить результаты наблюдений сильно взаимодействующих частиц, но в их физическом существовании ученые сомневались — даже Мюррей Гелл-Манн[69], один из авторов гипотезы о кварках. Он сравнивал кварки с кусками телятины из «рецепта, который иногда используют во французской кухне: кусок мяса фазана готовят между двумя кусками телятины, которые затем выбрасывают»[70]. Другой «отец» кварков, Джордж Цвейг[71], воспринимал их гораздо более буквально. Он годами придумывал способ обнаружить изолированные кварки вне протонов. Эти попытки не увенчались успехом, и как мы теперь знаем — или думаем, что знаем, — они были обречены на неудачу.

Весь этот скептицизм был вполне обоснован. Кварки — частицы с весьма необычными свойствами и поведением. Начнем с того, что их электрический заряд равен доле заряда электрона. Никогда прежде никто не сталкивался с дробными зарядами. А еще никому не удавалось обнаружить свободные кварки — только внутри протонов и других сильно взаимодействующих частиц, так называемых адронов.

Это явление называют конфайнментом. Оно осталось загадкой даже после того, как ученые получили мгновенные снимки протонов, подтвердившие гипотезу кварков.

Судя по всему, внутри протона кварки практически не влияют друг на друга. Однако в конечном счете силы, действующие между ними, не дают им вырваться наружу.

Моя первая серьезная работа по физике, написанная, когда я был аспирантом Дэвида Гросса, касалась именно этой проблемы. Мы хотели объяснить парадоксальное поведение кварков, не задевая при этом таких «священных коров», как локальность, общая теория относительности и квантовая теория. Таким образом, мы хотели на базе квантовых полей построить теорию, где силы взаимодействия частиц, разнесенных на большое расстояние, соответствуют сильному притяжению, но ослабевают, когда частицы сближаются. В обычной жизни так ведет себя эластичная резиновая лента. Но резиновые ленты — не квантовые поля. Не так-то легко заставить квантовые поля действовать наподобие резиновой ленты.

После короткой, но напряженной схватки нам удалось построить теорию, которая с этим справилась, — она называется квантовая хромодинамика, или КХД. Сначала свидетельства в ее пользу были очень шаткими. Но со временем, после экспериментов при более высоких энергиях, такие свидетельства начали накапливаться и становиться все надежнее. Теперь, спустя практически пятьдесят лет, количество их огромно.

Наш путь начинался с нечетко сформулированной идеи и озадаченности. Он вел через рутинные исследования, озарения, расчеты, результаты, проверки — но в конце нас ждала еще одна истина о физическом мире, с которой согласились коллеги. И каждый шаг по тому пути был невероятным подарком. В 2004 году Дэвид Гросс и я получили за эту работу Нобелевскую премию. Мы разделили ее с Дэвидом Политцером, который независимо провел похожие вычисления.

Масса из энергии: m = E/c²

Теперь я расскажу о самом поразительном следствии из КХД — она объясняет происхождение большей части массы.

Знаменитая формула Эйнштейна E = mc² определяет энергию покоя тела, обусловленную наличием у него массы. Поскольку энергия сохраняется, мы можем использовать эту формулу, чтобы вычислить, какая энергия высвобождается, когда частицы распадаются. Ее же используют, например, следя за тем, как энергия радиоактивности Земли перемещает континенты (тектоника плит) или как протекают ядерные реакции в звездах.

Замечательно, что логика формулы допускает ее прочтение и в противоположном направлении.

Внутри протонов имеются кварки и глюоны[72]. Масса кварков очень мала, а глюоны — безмассовые частицы. Но внутри протонов они быстро двигаются и, следовательно, обладают энергией. Все их энергии складываются. Если суммарная энергия «упакована» в один объект — покоящийся как целое протон, — этот объект обладает массой m = E/c². Эта энергия и обеспечивает практически всю массу протонов и нейтронов. В свою очередь, почти вся наша масса приходится на массу содержащихся в нас протонов и нейтронов. Сторонники восточной философии часто говорят о ци — пространственно-временной энергетической субстанции. По их мнению, ци лежит в основе устройства Вселенной и все существует благодаря ее видоизменению и движению. Многие пытаются развивать свое внутреннее ци. КХД учит, что мы получаем эту субстанцию естественным путем.

Одно из моих ранних подростковых воспоминаний связано с небольшой тетрадкой. Она была у меня, когда я впервые услышал об общей теории относительности и алгебре. Ни одну из этих дисциплин я по-настоящему не понимал, но думал, что, поработав как следует, смогу открыть что-нибудь замечательное, наподобие E = mc². В тетрадке я записал эту формулу как m = E/c². Я и не подозревал…

Совпадение в теории Ньютона

Более двух столетий теория тяготения Ньютона, в основе которой лежит простое выражение для гравитационной силы (мы об этом говорили выше), шагала от успеха к успеху. И с самого начала было в ней одно поразительное, необъяснимое совпадение — а на самом деле бесконечное их число. Согласно закону движения Ньютона, сила, действующая на тело, равняется его массе, помноженной на вызванное этой силой ускорение. С другой стороны, согласно закону тяготения Ньютона, сила, действующая на тело, также пропорциональна его массе. Приравнивая эти два выражения, мы видим, что масса тела сокращается. Другими словами, гравитация — универсальный источник ускорения, одинакового для всех тел, на которые она действует.

В теории Ньютона есть два вида масс. В одних условиях инертная масса определяет степень сопротивления тела внешним силам. В других условиях гравитационная масса определяет силу притяжения, которую тело испытывает или создает[73]. В логике теории нет ничего, что требовало бы пропорциональности этих масс, она и так работала бы безукоризненно. Можно представить себе, что соотношение масс зависит, например, от химического состава тела. Теория Ньютона оставляет эту никогда не нарушаемую пропорциональность, или, что то же самое, универсальность гравитационного ускорения, как необъяснимое совпадение.

Свою теорию гравитации Эйнштейн сформулировал в 1915 году. Она удивительным образом и очень убедительно объяснила совпадения масс в исследованиях Ньютона, а кроме того, перевела гравитацию в рамки полевой теории наподобие электромагнетизма. Это удовлетворяло стремлению Ньютона к законам тяготения, основанным на локальности действия.

Если не настаивать на математических подробностях, величественную логику общей теории относительности можно обрисовать десятью широкими мазками.

1. Универсальная истина должна иметь универсальное объяснение.

2. Именно поэтому «совпадение», указывающее, что сила тяготения приводит к одинаковому ускорению любого тела, занимающего заданное положение в заданный момент времени, должно быть основополагающим.

3. Это значит, что гравитационное ускорение должно отражать свойства пространства-времени.

4. Одно из свойств, которые может иметь пространство-время, — кривизна[74].

5. Кривизна пространства-времени влияет на движение тел. Тела, двигающиеся «так прямо, как только возможно», могут тем не менее двигаться не вдоль прямой линии.

6. В пространстве-времени прямая линия символизирует движение с постоянной скоростью, поэтому отклонение от прямолинейного движения отражает ускорение.

7. Объединяя пункты 5 и 6, мы видим, как реализуется пункт 3: гравитация отражает кривизну пространства-времени.

8. Поскольку кривизна может меняться от точки к точке и во времени, она определяет поле.

9. Чтобы вывести теорию гравитации, нужны уравнения, увязывающие кривизну поля пространства-времени с влиянием материи. Действительно, как учил Ньютон, материя может создавать гравитацию.

10. Из закона тяготения Ньютона следует, что основное свойство материи, ответственное за гравитацию, — масса. Точнее, это предполагает, что кривизна пространства-времени, содержащая информацию о массе, должна быть пропорциональна массе. Это допущение — шаг в правильном направлении. Чтобы получить точные уравнения, его надо подкорректировать, но, если вы знаете специальную теорию относительности, это вопрос техники. Как я отмечал раньше, суть корректировки — в признании того, что источником гравитации являются все формы энергии, а не только связанная с массой покоя.

Джон Уилер, поэт общей теории относительности, считал так: «Пространство-время говорит материи, как двигаться, материя говорит пространству-времени, как изгибаться»[75].

Алхимия природы

Слабые силы ничего не изгибают и не передвигают, но их важность связана со способностью к трансформации. Эта способность, эффективно использующая чрезвычайную слабость слабых сил, обеспечивает им уникальную, центральную роль в эволюции Вселенной. Слабые силы — своего рода аккумулятор, медленно высвобождающий космическую энергию.

Знакомство с темой удобно начать с распада нейтрона. Это один из самых простых и в то же время важных процессов, за который ответственны слабые силы. Свободный нейтрон с периодом полураспада чуть больше десяти минут практически всегда спонтанно превращается в протон, электрон и антинейтрино. (Антинейтрино — античастица, соответствующая нейтрино.) Поскольку нейтроны и протоны существенно тяжелее остальных частиц, поучительно взглянуть на распад нейтрона под другим углом. Рассмотрим его превращение в протон с высвобождением энергии.

Первое, что надо отметить: в субатомном мире десять минут — это вечность. Для сравнения: время жизни адронов, распадающихся из-за сильных взаимодействий, в которых участвуют кварки и глюоны, составляет крохотную долю секунды. Сильное взаимодействие действует примерно в 10²⁷, или в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000, раз быстрее. Если исходить из таких стандартов, формирование нестабильности, обусловленной слабой силой и вызывающей распад нейтрона, требует очень длительного времени. Другими словами, это очень слабая нестабильность. Именно поэтому ее причину мы называем слабой силой.

Распад нейтрона — результат превращения одного из двух d-кварков в u-кварк (плюс электрон и антинейтрино). Поскольку нейтрон имеет кварковую структуру udd, а протон — uud, такое превращение кварков обеспечивает превращение нейтронов в протоны.

Хотя слабая сила действительно очень мала, она может делать то, что недоступно другим. Ни сильная, ни электромагнитная, ни гравитационная силы не превращают одни кварки в другие. В то же время слабая сила способна превращать более тяжелые кварки в более легкие. Все «бонусные частицы», вскользь упоминавшиеся в предыдущей главе[76], из-за слабой силы очень нестабильны.

Слабая сила действует на кварки везде, где бы они ни находились. Так, она может превращать в протоны не только свободные нейтроны, но и те, которые находятся внутри атомных ядер. В новом ядре оказывается на один протон больше и на один нейтрон меньше, чем в старом, а также излучаются электрон и антинейтрино. Поскольку число протонов в атоме определяет электрические, а значит, и химические его свойства, этот процесс меняет атом одного химического элемента на атом другого. Именно к этому стремились алхимики, но, по утверждению основоположников современной химии, сделать это искусственным путем невозможно. Слабая сила играет роль природного алхимика.

Это всё, что есть?

Уже в 1929 году Поль Дирак, великий ученый, занимавшийся математической физикой и устранивший элемент случайности в квантовой электродинамике, декларировал: «Фундаментальные законы, необходимые для построения математической теории большей части физики и всей химии, в полной мере известны».

Дирак имел в виду законы квантовой электродинамики в применении к материи, которая считалась состоящей из электронов, фотонов и атомных ядер. Через девяносто лет, вместивших тысячи новых экспериментов, разработок и открытий, смелое заявление Дирака не только выстояло, но и стало еще более очевидным. С пониманием сути сильных и слабых сил расширились и границы понимания фундаментальных законов. «Большая часть физики» стала еще больше. Так, например, в 1929 году физика еще не имела ясного представления о том, откуда берется энергия звезд или какие силы удерживают ядра атомов как единое целое. Сегодня, благодаря тысячам убедительных экспериментов, мы это знаем.

Дирак продолжал так: «Трудность только в том, что использование этих законов приводит к уравнениям слишком сложным, чтобы их можно было решить». Но в его время о современных суперкомпьютерах еще и не мечтали. С их помощью мы стали существенно лучше решать уравнения, появившиеся как результат формулировки фундаментальных принципов. В рамках квантовой теории уравнения КЭД, КХД, общей теории относительности и слабых сил обеспечили появление многих технических новшеств, включая лазеры, транзисторы, ядерные реакторы, магнитно-резонансные томографы (МРТ) и систему GPS.

Тем не менее в ближайшее время химики и инженеры-материаловеды не останутся без работы. Если речь идет о достаточно сложных системах, а не о простых случаях с участием небольших молекул или идеальных кристаллов, предсказывать их поведение путем расчетов «в лоб» не имеет практического смысла. Химики и инженеры редко имеют дело с кварками и глюонами (а по сути, вовсе не имеют). Чтобы продвигаться вперед, им надо оперировать приближениями, исследовать идеализированные системы, строить более быстрые и мощные компьютеры и проводить эксперименты.

Другой вопрос — действительно ли трудность только в том, что фундаментальные уравнения трудно решить? Могут ли быть какие-то значительные эффекты, которые ими совсем не учитываются?

Вместе четыре закона, описывающие четыре фундаментальные силы, составляют то, что иногда называют «Стандартной моделью». Я предпочитаю называть ее «Ядром» (Core)[77]. Вместе эти законы работают как хорошо отлаженный механизм. Есть веские основания полагать, что «Ядро» — совокупность законов КЭД, КХД, гравитации и слабых сил — образует достаточно надежный фундамент для практического применения физики и останется таковым в обозримом будущем.

Одна из причин очевидна. Эти законы проверялись с гораздо большей точностью и в гораздо более разнообразных условиях, чем необходимо для их практического использования в химии, биологии, материаловедении и даже в астрофизике (за исключением космологии ранней Вселенной). Другая причина скорее теоретическая. Квантовые поля — мощный, но своенравный инструмент. Использовать их математически самосогласованно чертовски сложно. Если теряешь бдительность, сталкиваешься с не имеющими решений системами уравнений. Это придает «Ядру», основой которого являются квантовые поля, своего рода жесткость: его трудно изменить, не разрушив полностью.

К «Ядру» можно что-то добавить, но такое добавление должно либо включать новые формы материи, слабо связанные с известными нам, либо менять поведение элементарных частиц, но только при «нереализуемых» — то есть очень высоких — энергиях. Аксионы, о которых речь пойдет дальше, — один из примеров первой возможности. Теория суперструн, постулирующая, что наши элементарные частицы — на самом деле струны, относится ко второй[78]. Подобные новшества могут помочь выявить космологические и эстетические недочеты наших фундаментальных уравнений, но вряд ли как-то повлияют на их практическое применение.

Перефразируя Дирака, можно сказать «это всё, что есть, — для практических целей».

Само «Ядро» содержит семена своей трансцендентальности. Три из четырех теорий — КЭД, КХД и слабых сил — основываются на разного рода зарядах[79]. Есть поля, отвечающие зарядам, и поля, которые могут превращать одни заряды в другие, — например, цветные глюонные поля превращают цветной заряд одного вида в другой. У нас есть электрический заряд, три вида цветных зарядов и два слабых. Что может быть естественнее, чем задуматься о более общей модели, где все заряды трактуются единообразно и допускают взаимные превращения?

Эта привлекательная идея сталкивается с большими трудностями. Нет абсолютно никаких свидетельств, что подобные превращения возможны. Наоборот, если они и случаются, то редко. Если допустить превращение цветных зарядов в какие-то другие, то станет возможно превращение кварков в электроны, а протоны окажутся нестабильными. Но попытки зафиксировать распад протона пока ни к чему не привели.

С другой стороны, на примере теории слабого взаимодействия мы нашли способ спасти красивые уравнения, кажущиеся «слишком хорошими для этого мира». Мы можем представить себе более пустой мир, в котором они выполняются, а затем сделать из него наш, заполнив его подходящей субстанцией (конденсатом Хиггса[80]).

Можем ли мы и дальше следовать той же стратегии? Может ли различие зарядов быть обусловлено влиянием других космических сред, состоящих из более тяжелых и неуловимых частиц, подобных частицам Хиггса?

Есть прекрасный повод так думать. Он связан с еще одной ключевой идеей «Ядра»: асимптотической свободой — ослаблением сильного взаимодействия на малых расстояниях. Мы уже рассказывали об асимптотической свободе, не называя ее. Асимптотическая свобода была ключом к открытию КХД, и она же в большой степени — источник ее предсказательной силы. Используя те же приемы, можно рассчитать, как меняются с расстоянием другие силы. Результаты удивительны: мы обнаруживаем, что унификация достигается на чрезвычайно малых расстояниях. Напряженности всех четырех сил становятся равными, а это именно то, что в соответствии с нашими предположениями должно иметь место в единой теории поля. На малых расстояниях можно минимизировать влияние среды, с которой связано различие зарядов. Кажется, рассчитанные параметры позволяют заглянуть мельком в тот идеальный мир, который мы себе представляли[81]. Так туманные мечты Эйнштейна о единой теории поля стали конкретными и даже получили количественное выражение.

Увидеть всё в целом

Объективный мир просто есть, он не случается. Лишь для взора сознания, соединенного с моим физическим телом, часть этого мира мимолетно проявляется в пространстве и непрерывно меняется во времени[82].

Герман Вейль

В предыдущей главе идея о том, что «фундаментальные законы описывают изменения», была первым принципом, руководствуясь которым мы двигались к научному пониманию устройства мира. Этот принцип хорошо послужил нам. Настоящая глава посвящена фундаментальным законам «Ядра». Они сообщают нам, что происходит.

Но граница между тем, что есть и что происходит, не вполне жесткая. Сами вечные законы, касающиеся изменений, не меняются и не появляются, они просто есть. И благодаря выводам из них мы узнаем многое о непреходящих характеристиках бытия — или, другими словами, о том, что есть, несмотря на то что по формальным признакам они указывают только на то, что происходит.

Например, вы переходите эту границу, когда, задаваясь вопросом, что происходит, всесторонне изучаете материю. Вы обнаруживаете, что у нее есть несколько составляющих, каждая из которых обладает небольшим числом простых свойств. Спрашивая, что происходит, если объединить эти составляющие, и обнаруживая, что материя существует (есть) в виде ядер, атомов и молекул, заполняющих периодическую систему и справочники по физике и химии, вы опять пересекаете эту границу.

Вместе с тем, прежде чем начнется построение мира по законам «Ядра», необходимо определиться с состоянием Вселенной в какой-то момент. Эти законы не охватывают парадигму единства пространства и времени. Их рабочий материал — не то, что Вейль назвал «объективным миром», а только его срезы.

Общая теория относительности учит нас, что разделение пространства-времени на пространство и время неестественно. Космологическая теория большого взрыва, которой мы займемся в главе 6, говорит, что ранняя Вселенная была удивительно простой. Эти факты — явный намек на то, что следует искать более всеобъемлющие законы, позволяющие увидеть мир как единое целое.

Глава 5. Здесь много материи и энергии

В предыдущих главах, говоря об изобилии пространства и времени, мы пришли к четырем фундаментальным выводам. Во-первых, Вселенная невероятно богата. Во-вторых, мы можем пользоваться лишь малой частью ее богатств. В-третьих, для наших целей более чем достаточно и их. В-четвертых, мы даже эти богатства используем далеко не полностью — есть еще много возможностей для развития.

В новой главе мы исследуем изобилие материи и энергии и вновь придем к этим четырем фундаментальным выводам.

Начнем с некоторых сравнений, чтобы получить меру космической энергии в человеческих масштабах. Взрослый человек потребляет в среднем 2000 калорий в день. Примерно такая же энергия требуется для непрерывной работы 100-ваттной лампочки. За год это составляет 3 миллиарда джоулей. (Один джоуль энергии обеспечивает мощность в 1 ватт в течение одной секунды, а в году около 30 миллионов секунд.) Давайте назовем это «годовой энергией человека» — ГЭЧ. Из нее около 20% используется для поддержания деятельности мозга.

В 2020 году мировое потребление энергии составило примерно 1,9 × 10¹¹, или 190 миллиардов ГЭЧ. Поскольку население Земли достигло около 7,5 миллиарда человек, на одного человека приходится примерно 25 ГЭЧ энергии. Это число — 25 — представляет собой отношение общей потребляемой энергии к количеству, используемому в процессе естественного метаболизма. Это объективная мера того, насколько далеко люди продвинулись в экономическом плане, не довольствуясь лишь прожиточным минимумом. В частности, американцы потребляют примерно 95 ГЭЧ на человека.

Энергии, которую наше Солнце вырабатывает за год, достаточно, чтобы обеспечить каждого человека примерно 500 триллионами ГЭЧ. Это намного больше, чем 25 и даже 95; таким образом, теоретически у нас остаются огромные возможности для экономического роста, если мы сможем осваивать больше энергии, вырабатываемой Солнцем.

Естественно, солнечный свет распространяется во всех направлениях. Чтобы получить больше того, что мы собираем сейчас, нам пришлось бы потратить много времени и ресурсов и разместить в космосе гигантские устройства для сбора солнечной энергии. Фримен Дайсон[83] с коллегами предложили инженерные решения подобных устройств, которые назвали сферами Дайсона.

Если мы скромно ограничимся той частью солнечной энергии, которая попадает на Землю сейчас, то обнаружим, что даже она примерно в 10 000 раз больше всего нашего нынешнего энергопотребления. Это число позволяет более реалистично оценить резервы солнечной энергии. Даже без сфер Дайсона у нас все еще есть огромный потенциал для роста.

Здесь мы рассмотрели солнечную энергию. Ранее мы пришли к выводу, что наше Солнце — лишь одна из многих звезд. Вселенная как целое обладает гораздо большим количеством энергии, чем люди в обозримом будущем смогут потребить. Пока мы можем лишь собирать крупицы этих сокровищ, чем и занимаются астрономы. Они если и не обогащают нашу экономику, то точно развивают наш разум.

Это еще раз доказывает: утверждение, что материи и энергии много, вполне объективно. Их более чем достаточно, чтобы создавать такие сложные и динамичные объекты, как человек, и обеспечивать ресурсами его чрезвычайно обширную повестку дня[84].

Динамическая сложность

Мы поняли, что для целей, которые ставят перед собой люди, во Вселенной достаточно энергии. Теперь рассмотрим с более фундаментальной точки зрения, почему ее достаточно.

Для этого ответим на два основных вопроса.

Какое именно свойство физической Вселенной делает возможным формирование «целей человечества»?

Почему для их достижения требуется так мало энергии по сравнению с той, что излучает наше Солнце?

Первый вопрос можно рассматривать на разных уровнях. Попытавшись дать точное определение «целям человека», мы рискуем быстро утонуть в мрачных глубинах туманной метафизики. Но если мы посмотрим с физической точки зрения, что же существенного в том, что люди делают и для чего живут, то ответ будет даже более ясным, чем вопрос. На этом уровне краеугольный камень — динамическая сложность. Хотя у ученых нет консенсуса в вопросе, как именно определять сложность, мы «узнаем ее, когда увидим»[85] на примерах наподобие следующих.

• Чтобы учиться и думать, мы меняем схемы связей, секреции и электрических импульсов в мозгу. Чтобы воспринимать мир, мы конвертируем входящие последовательности сигналов электромагнитного излучения (зрение), колебания давления воздуха (слух), локальную химию окружающих объектов (вкус и запах) и некоторые другие потоки данных в «единую валюту» мозговой активности. Чтобы двигаться и воздействовать на окружающие объекты, мы используем силу мышц, работающих за счет синхронизированного сокращения упорядоченных белковых молекул.

• При возведении храмов, синагог и мечетей люди составляют планы, собирают материалы, используют инструменты и оборудование, а также нанимают строителей и художников для создания сложной, «искусственной», «духовной» среды.

• Музыка и обряды — выражения динамической сложности в чистом виде.

В основе всего этого лежат сложные материальные структуры, меняющиеся во времени. В разных случаях структурированная материя принимает разные формы, начиная от нейронных сетей и заканчивая колебаниями воздуха, и включает разные элементы: инструментарий, символы, воспоминания, сигналы, инструкции, а также нас самих. Динамическая сложность — глубинная структура, лежащая в основе всего этого.

На протяжении большей части биологической и человеческой истории физическая реализация динамической сложности зависела от образования и разрыва огромного количества химических связей с использованием энергии Солнца. Сегодня открываются другие возможности, о которых я расскажу позже. Но образование и разрыв химических связей с помощью солнечной энергии — по-прежнему главный способ, и мы должны начать обсуждение с него.

У атомов множество функций, делающих их отличными строительными блоками для самых замысловатых творений.

• Существует много видов атомов, по одному на каждый химический элемент. Все атомы конкретного элемента практически идентичны[86]. Таким образом, в нашем распоряжении есть широкий ассортимент взаимозаменяемых деталей.

• Атомы доступны в огромном количестве. Напомню, человеческое тело содержит примерно октиллион (10²⁷) атомов, то есть больше, чем звезд в видимой Вселенной.

• Согласно правилам квантовой теории и законам электродинамики, атомы могут объединяться в более крупные единицы — молекулы и соединяться химическими связями.

Чтобы понять, как эти фундаментальные факты при благоприятных условиях могут привести к динамической сложности в больших масштабах, нам нужно осмыслить две важные концепции: комбинаторный взрыв и условную стабильность.

Комбинаторный взрыв в своей простейшей форме — резкий рост числа возможных вариантов, когда делается несколько независимых выборов. Например, заполнив девять разных клеточек любыми из десяти цифр, я могу получить числа 000 000 000, 000 000 001, 000 000 002… 999 999 999 — всего миллиард, то есть 10⁹ различных комбинаций. Десять и девять — маленькие числа, но 10⁹ — уже довольно большое. Такова сущность комбинаторного взрыва.

В ДНК мы можем выбрать любое из четырех азотистых оснований нуклеотидов (гуанин, аденин, тимин, цитозин, сокращенные обозначения — G, A, T, C) и прикрепить его в любом месте вдоль длинного сахаро-фосфатного остова (таких мест много тысяч). Точно так же при строительстве белков двадцать различных аминокислотных оснований прикрепляются к стандартным полипептидным цепям разной длины. Подобная архитектура обеспечивает возможность комбинаторных взрывов того же типа, что и при комбинациях из десяти чисел, только теперь элементов или 4, или 20. Таким образом, в последовательностях ДНК могут записываться невероятные объемы информации. Существует огромное количество белков, которые обеспечивают структурные и функциональные строительные блоки для живых организмов. Эти белки очень разнообразны по размерам и форме, и, соответственно, разнятся их механические и электрические свойства.

Молекулы других видов, как органические, так и неорганические, могут разветвляться, собираться в мембраны, образовывать петли или регулярные кристаллические структуры и проделывать многое другое. Это богатство возможностей приводит к комбинаторному взрыву комбинаторных взрывов. Всего один грамм вещества содержит миллиарды миллиардов атомов — и материала для обеспечения сложности в больших масштабах более чем достаточно. Поэтическая метафора Уильяма Блейка с «бесконечностью на ладони» имеет вполне научную основу.

Чтобы реализовать потенциал этого материала, мы должны уметь собирать из него структуры. Мы хотим, чтобы наши атомные строительные элементы так же, как игрушечные кубики Lego, или блоки конструктора Tinker, или используемые на уроках химии модели атомов и молекул в виде шариков и палочек, легко соединялись друг с другом, легко разбирались, но не рассыпались. Это ключевое свойство, то есть условная стабильность, требует правильного баланса стабильности и изменчивости.

Химики изучают вопрос, что именно осуществимо с точки зрения молекулярной сложности, а биологи — вопрос, что же реализовано на деле. Их работа бесконечна и увлекательна. Идя на радикальные упрощения, я надеюсь на их снисходительность и чувство юмора. Здесь я опишу только то, чего достаточно просто для понимания, а именно как во Вселенной и, в частности, в системе Солнце — Земля «объединяются усилия» и как это делает создание причудливых структур материи возможным.

У условной стабильности три важнейших «ингредиента»: высокая температура, низкая температура и масштаб промежуточной энергии. Высокая температура — на поверхности Солнца, около 6000°C. Низкая — на поверхности Земли, примерно 20°C. Промежуточная энергия — это количество энергии, необходимое для образования или разрыва типичной химической связи. Оно составляет примерно один электронвольт.

При температурах около 20°C молекулы остаются гибкими, но химические связи разрываются нечасто, поскольку соответствующая тепловая энергия редко достигает электронвольта. С другой стороны, фотоны, приходящие с поверхности Солнца, концентрируют в себе энергию, часто превышающую электронвольт. Они способны разрывать химические связи. Взаимодействие между этим в меру холодным, но не замораживающим фоном и доступной, но не чрезмерной концентрированной энергией позволяет перестраивать молекулярные структуры, хотя и не слишком легко. Такая условная стабильность, доступная нам на Земле, — как раз то, что с точки зрения физики нужно для образования динамической сложности.

Чтобы завершить разговор об огромном потенциале для образования динамической сложности и о том, как она реализуется на Земле, нам нужно понять, основываясь на фундаментальных принципах, как Солнцу удается выполнять свою роль. Но сначала давайте сделаем паузу и откалибруем нашу собственную динамическую сложность.

Основные блоки, из которых состоит человеческий мозг, — нейроны. Их число составляет примерно сто миллиардов, то есть 100 000 000 000, или 10¹¹. Это намного меньше октиллиона, но все еще невообразимо много. Примерно столько в нашей Галактике звезд.

Каждый нейрон представляет собой очень эффективное маленькое устройство, обрабатывающее информацию, и связан с другими. Типичные нейроны могут образовывать сотни и даже тысячи таких связей. Большая часть информации, которую мы получаем, кодируется путем изменения силы этих связей — те, которые соответствуют полезным шаблонам поведения, усиливаются, а бесполезным — ослабляются. Максимальное количество связей возникает в возрасте от двух до трех лет, а максимальная сложность — позже, после селективного отбора связей.

Если мы рассмотрим возможные способы соединения такого количества нейронов, то получим головокружительные цифры, намного превышающие октиллионы. В наших черепах происходят взрывающие мозг комбинаторные взрывы. Так что нас не должно поражать, что это невообразимое количество нейронов, образующих такие причудливые шаблоны, во взаимодействии может создавать удивительные вещи.

В Уолте Уитмене действительно было множество миров[87]. И во мне тоже. И в вас.

Солнце работает на ядерном топливе. Это гигантский термоядерный реактор. Процесс ядерного горения[88], благодаря которому Солнце существует, состоит в превращении водорода в гелий. Атом водорода содержит один протон и один электрон. Атом гелия содержит два протона, два нейтрона и два электрона. На Солнце цепочка реакций приводит к превращению четырех атомов водорода в один атом гелия плюс два нейтрино, при этом высвобождается энергия.

Если вы вспомните наше обсуждение распада нейтрона в предыдущей главе, то можете подумать, что только что нашли опечатку. Там мы видели, что изолированные нейтроны хотят превратиться в протоны. Этот процесс высвобождает энергию, потому что нейтроны немного тяжелее протонов. В нашем описании реакций горения на Солнце происходит обратное — протоны превращаются в нейтроны. Но это не опечатка. В ядре гелия протоны и нейтроны притягиваются друг к другу из-за сильного взаимодействия. Собирая вместе эти частицы, можно получить много энергии. Таким образом, протоны могут превращаться в связанные нейтроны с выделением энергии.

Превращение протонов в нейтроны и наоборот требует участия слабого взаимодействия. Как мы обсуждали ранее, это делает распад нейтрона медленным процессом по стандартам физики элементарных частиц. При ядерных реакциях на Солнце действие слабого взаимодействия сильно замедляется. В этом процессе перед превращением частиц необходимо сначала их сблизить. Но такие «встречи» редки, поэтому время превращения накапливается медленно — в среднем протоны на Солнце превращаются в связанные нейтроны за миллиарды лет. Именно поэтому, к счастью, топлива на Солнце хватит еще надолго. С другой стороны, количество водорода так велико, что даже при медленном его сжигании Солнце продолжит светить.

Завершим разговор о том, как на Земле возникает динамическая сложность, соотнеся этот процесс с основными физическими принципами. Хорошо понимая общую картину материальной реальности, мы видим, что динамическая сложность лежит в основе биологии и в конечном счете психологии и экономики.

Каждая из четырех фундаментальных сил играет в этой истории свою роль, и все они решающие. Гравитация удерживает Землю на оптимальном расстоянии от Солнца — таком, где достигается равновесная температура. Электромагнитная сила — квантовая электродинамика — соединяет атомы в молекулы. Сильное взаимодействие — квантовая хромодинамика — обеспечивает притяжение, делающее возможным ядерное горение. А благодаря слабому взаимодействию ядерное горение происходит медленно.

Новые места, новые технологии, новые разумные существа

Принцип, согласно которому человеческая деятельность выражается через потоки информации в динамически сложной системе, а не через детальные химические и физиологические описания, расширяет кругозор и освобождает сознание. Он наталкивает на мысль, что разумные существа могут появиться и в других уголках Вселенной, и подготавливает к тому, что мы должны включить их в свой круг эмпатии.

Для благополучного существования нам требуются особые условия, в том числе температура, не выходящая за пределы узкого диапазона, воздух, содержащий особую смесь молекул и свободный от токсинов, надежное обеспечение водой и питательными веществами, а также защита от ультрафиолета и космических лучей. Эти условия сошлись в тонком слое над поверхностью Земли, но очень редки в других местах Вселенной. Колонизация космоса, притом что наши изнеженные тела приспособлены лишь к земным условиям, — безумно сложный проект.

Гораздо более простая, более реальная и не менее значимая задача — расширение нашей сферы влияния и информированности. Датчики и управляющие устройства, которые мы запускаем в космос, могут исследовать его, оставаясь с нами на связи.

Глубокое понимание материи дает нам возможность создавать и свои системы крупномасштабной динамической сложности. Они сильно отличаются от возникающих путем образования и разрыва химических связей. Мы можем дополнять или даже заменять химию электроникой и фотоникой.

Хороший пример — цифровая фотография. Здесь первичные датчики — приборы с зарядовой связью, или ПЗС-матрицы, — подсчитывают электроны, выбиваемые с их поверхности фотонами, и записывают полученные числа в виде массивов нулей и единиц, зашифрованных с использованием определенного формата. Эта информация кодирует изображение. Ее можно обработать разными способами — например, удалить шум, выделить интересующие области или как-либо еще улучшить качество, — а затем преобразовать обратно в изображения, используя дисплеи. Вся обработка выполняется на компьютерах или специализированными микросхемами. Фотопластинки, проявители, закрепители и темные комнаты, использовавшиеся фотографами прошлого, создавали ауру романтики и тайны, но, увы, делали съемку намного более долгой и трудной. Сейчас их практически не применяют.

Изменяющиеся шаблоны связей и управляемая с помощью химических реакций деятельность нашего мозга сегодня кажутся апогеем динамической сложности. Но важность других вариантов ее реализации возрастает, и остается много возможностей для их развития.

Современные компьютеры хранят и обрабатывают информацию не в виде упорядоченных и перегруппированных атомов или молекул, а в виде электронов. При этом требуется намного меньше энергии, как и времени на обработку. Для отображения информации в каждой из миллиардов или триллионов маленьких ячеек памяти создается либо высокая концентрация электронов (что приводит к низкому напряжению, интерпретируемому как 0), либо низкая концентрация электронов (что приводит к высокому напряжению, интерпретируемому как 1). Таким образом, мы создаем комбинаторный взрыв условно стабильных единиц. Это универсальная платформа для получения динамической сложности.

Для записи 0 и 1 также можно использовать направления спинов электронов — вверх или вниз. Управление ими — более тонкая работа, но в принципе это быстрее и эффективнее с энергетической точки зрения. Мы также можем работать с фотонами вместо электронов и контролировать их концентрацию (амплитуду), цвет (длину волны) или спин (поляризацию).

У этих новых систем, пришедших на смену химическим, много преимуществ в скорости, размере и энергоэффективности. Они также позволяют лучше использовать все многообразие квантового мира контролируемым образом[89]. В частности, они вот уже долгое время помогают распространять экспансию человеческого разума на огромные расстояния в космосе.

Что может пойти не так

Чем больше сила, тем больше ответственность[90].

Из к/ф «Человек-паук»

Главный вывод из наших основных принципов таков: есть много пространства, много времени и много материи и энергии. Физический мир рисует нам — людям — перспективы намного более долгого и богатого будущего, чем все прежние. Если, конечно, мы его не взорвем.

Многое могло бы пойти не так. В прошлом чума, землетрясения и извержения вулканов опустошали человеческие цивилизации и вызывали жуткие катастрофы. Неудачное столкновение Земли с другим космическим телом обрекло динозавров на вымирание[91]. Мы можем и должны уменьшать подобные риски. Но здесь, в завершение части, я кратко выделю две возможных опасности, которые, наоборот, возникли вследствие нашей же деятельности. Они тесно связаны с темами этой главы и сегодня приобретают угрожающие размеры.

Солнце снабжает Землю гораздо большей энергией, чем мы используем. Технологии, позволяющие ее улавливать, быстро развиваются, и нет сомнений, что в будущем, если не произойдет катастрофы, мы сможем обеспечить с их помощью устойчивое развитие мировой экономики.

Но в настоящее время проще и удобнее использовать энергию, которая когда-то улавливалась растениями, а теперь хранится в ископаемом топливе — угле и нефти. К сожалению, сжигание этого топлива в больших масштабах приводит к выбросу в атмосферу углекислого газа и других загрязняющих веществ. В результате ее свойства меняются. Атмосфера поглощает все больше солнечной энергии, вызывая повышение средней температуры Земли. Это первый угрожающий нам кризис.

Сестра нашей Земли — планета Венера — жемчужина ночного неба. Она тоже служит нам предупреждением. Ее атмосфера, богатая углекислым газом, чрезвычайно эффективно улавливает энергию Солнца. Температура поверхности Венеры приближается к 460°C, что больше температуры плавления свинца, и исключает сложную химию. Венера ближе к Солнцу, но если мы поместим ее на орбиту Земли, то температура все равно будет опасно высокой — около 340°C. Земля не станет такой горячей в ближайшее время, но даже повышение температуры на несколько градусов чревато серьезными, возможно катастрофическими, последствиями. Такое потепление приводит к таянию полярного льда. Из-за этого повышается уровень моря, происходят суровые катаклизмы, вызванные ростом влажности воздуха, и нарушаются условия жизни чувствительных к температуре растений и животных. Тем самым мы подвергаем опасности наши запасы пищи (и наших друзей).

Вторая рукотворная угроза — ядерное оружие. Работая над проблемами сильных и слабых взаимодействий, ученые открыли новые эффективные виды топлива, основанные на ядерном, а не химическом горении. Это позволило создать новые виды бомб, гораздо более разрушительные. Если бы они использовались в военных действиях, миллионы людей погибли бы в ужасных мучениях, а основные центры цивилизации превратились бы в необитаемую пустыню. Прогресс человечества замедлился бы катастрофически и, возможно, необратимо[92].

Блага экономического роста и науки идут рука об руку с серьезными опасностями. Этих опасностей можно избежать. Избежим ли мы их — вопрос открытый.

Глава 6. Космическая история — открытая книга

В первых пяти главах мы описали основные составляющие физической реальности: пространство, время, поля, законы и динамическую сложность. Они относились к тому, что у нас есть. Следующие две главы будут посвящены тому, каким образом то, что у нас есть, образовалось.

С самого своего появления люди размышляли о происхождении физического мира. Легенды о сотворении мира сохранились во многих культурах. Разнообразные мифы на эту тему возникали в разное время и в разных странах, и некоторые веками считались неоспоримыми. Но интеллектуальный и технический инструментарий, позволяющий приоткрыть завесу тайны, впервые стал доступен в ХХ веке.

За последние несколько десятилетий в общих чертах сложилась удивительно ясная картина космической истории. Решающим прорывом стала работа Эдвина Хаббла[93], в которой описывались положение галактик и их движение. Хаббл обнаружил, что галактики удаляются от нас со скоростями, пропорциональными их расстояниям от нас. Из этого расширения Вселенной, если его обратить назад во времени, следует, что материя когда-то была гораздо плотнее, а Вселенная выглядела совершенно иначе.

На что она была похожа? В этой главе я рассмотрю вопрос в три этапа. Сначала представлю смелую гипотезу возникновения Вселенной, широко известную как теория Большого взрыва, и сделаю акцент на ее странной простоте. Затем я набросаю космическую историю, которая вытекает из этой гипотезы. И наконец, обсужу основные наблюдаемые последствия и накопленные свидетельства ее правильности. Глобальный успех этой истории оправдывает смелую гипотезу, которая ее породила.

Все это так, но когда мы заглядываем в самое начало мира, то наблюдаемых свидетельств становится меньше и наши уравнения перестают быть надежными ориентирами. В конце главы я остановлюсь на радужных перспективах — как теоретических, так и экспериментальных, — которые обещают нам более глубокое понимание в этом вопросе.

Работа научит вас, как ее делать.

Аноним (цитируется по записке из печенья с сюрпризом)

Наука часто напоминает игру «Рискуй!»[94], где ответы подсказывают, какие вопросы правильные. Великий астроном и математик Иоганн Кеплер, герой некоторых наших предыдущих историй, в своей работе рассмотрел многие аспекты устройства Солнечной системы. В частности, он получил хорошие[95] ответы на вопросы о форме орбит планет и скоростях их движения. Теперь эти результаты известны как законы Кеплера. Но Кеплер задавался и другими вопросами: например, о том, почему планет именно шесть (как считалось в то время) и почему они находятся именно на таком расстоянии от Солнца. В связи с этим у него возникали забавные идеи; некоторые из них нашли воплощение в музыке — отсюда выражение «музыка сфер» — и стереометрии — так появились «платоновы тела». Но эти идеи так и не привели к хорошим ответам. Сегодня ученые считают, что Кеплер задавал неправильные вопросы.

Исходя из знания основных законов и нашего фундаментального понимания космической истории, мы считаем, что размер и форма Солнечной системы довольно случайны. На них повлияло то, как именно месиво, состоящее из газа, камней и пыли, распадалось на части и сжималось, образовав в конечном счете то, что мы наблюдаем сегодня. Мы рассматриваем нашу Солнечную систему как одну из многих во Вселенной. В других системах мы часто наблюдаем другое количество планет, расположенных иначе, чем Кеплер надеялся объяснить. Кроме того, с его времен и наша Солнечная система разрослась: включила в себя Уран, Нептун, астероиды, Плутон и множество других объектов.

Космическая история вмещает, в принципе, огромное количество всего, включая историю жизни на Земле, историю Китая, Швеции и Соединенных Штатов, историю рок-н-ролла и так далее. Но ни один здравомыслящий человек не взялся бы объяснять эти истории с помощью основных физических принципов.

В действительности космическая история, воссозданная с помощью фундаментальных принципов, позволяет установить три вещи. Во-первых, она предлагает странное, но информативное и убедительное описание того, на что была похожа ранняя Вселенная. Это описание дает хорошие ответы на многие интересные вопросы, а также немало удивительных наблюдаемых следствий. Во-вторых, она предоставила нам общий сценарий того, как могли возникнуть те или иные структуры физического мира, включая нашу Солнечную систему. В-третьих, она ставит новые, невероятно интересные вопросы, например что такое темная материя.

Поразительно простое начало

Делай все просто, насколько это возможно, но не проще.

Альберт Эйнштейн

Как мы уже говорили, открытие Хаббла, которое мы можем кратко охарактеризовать как «расширение Вселенной», фактически вынуждает нас задуматься о том, что происходило раньше.

На первый взгляд кажется, что мы переживаем последствия вселенского взрыва. Поняв, как все начиналось, мы, возможно, разберемся и в дальнейших событиях.

В качестве первой попытки давайте просто «поставим фильм на обратную перемотку»: мысленно поменяем вектор движения всех галактик на обратный и предоставим законам физики делать их работу[96]. И вот галактики несутся навстречу друг другу, постепенно сближаясь. За счет гравитации они начинают притягиваться, и их ускоренное движение высвобождает энергию. Материя перемешивается и нагревается. Температура повышается. Атомы теряют электроны, быстро движущиеся заряды испускают сумасшедшее излучение. Уплотнившиеся, стремительные протоны и нейтроны превращаются в бульон из кварков и глюонов. Наконец, наши с трудом приобретенные знания о фундаментальных взаимодействиях окупаются. В частности, асимптотическая свобода предполагает большое упрощение — при высоких энергиях сложность сильных взаимодействий исчезает. Горячая и плотная материя на удивление проста для понимания, ее можно объяснить, исходя непосредственно из фундаментальных принципов.

Но прежде чем принять эту реконструкцию прошлого, мы должны подготовиться к встрече с главной концептуальной проблемой. От нее зависит история Вселенной. Суть в следующем: простая картина обращенного вспять космического расширения, которую я только что набросал, крайне зыбка. Чего нам закономерно следует ожидать при стремительном сближении материи, так это того, что звезды, планеты, газовые облака и все остальное, притягиваясь под действием неумолимой гравитации, сольются в гигантские черные дыры. Да, негравитационные взаимодействия стремятся превратить сверхплотную, обладающую большой энергией материю в горячий однородный газ — это их любимое равновесное состояние. А вот гравитация ненавидит однородность. Гравитация любит, чтобы предметы слипались, и, в частности, требует, чтобы сверхплотная материя слиплась в черные дыры. Если бы сейчас мы не понимали картину мира лучше, при «обратной перемотке космического фильма» мы бы честно предсказали, что гравитация победит. Ранняя Вселенная превратилась бы в большие черные дыры, притягивающиеся друг к другу и сливающиеся в еще большие черные дыры. Но при таком повороте событий сейчас — снова прокрутим «фильм» вперед! — практически вся наша вселенская материя была бы по-прежнему заперта в черных дырах. Ведь если ты однажды угодил в большую черную дыру, выбраться из нее довольно сложно!

Вселенная, которую мы на самом деле наблюдаем, непохожа на наше «предсказание». Она, если ее усреднить по межгалактическим масштабам, очень однородна. В какую бы часть неба мы ни посмотрели, вырезав достаточно большой фрагмент, мы найдем галактики одного типа, распределенные с одинаковой плотностью. Это было еще одним революционным открытием Хаббла. Поскольку гравитационные силы стараются уменьшить однородность вещей, тот факт, что сегодня мы наблюдаем ее в крупных масштабах, означает, что раньше Вселенная была еще однороднее. С точки зрения нашего прокручиваемого назад «фильма» это означает, что процесс объединения материи идет именно так, как надо. Он тонко организован таким образом, чтобы избежать гравитационных слияний.

Теория Большого взрыва в космической истории использует простую концепцию ранней Вселенной как горячего однородного газа. Именно такую картину я нарисовал вначале, прежде чем выразить сомнение по поводу ее стабильности. Теория Большого взрыва просто игнорирует эти опасения. По сути, она постулирует полное равновесие для негравитационных взаимодействий и максимальное неравновесие для гравитации. Если расширяющуюся по Хабблу Вселенную прокрутить в обратном направлении, то предполагается первое, в то время как при прокручивании хаббловской квазиоднородной Вселенной предполагается второе. Такой вот странный гибрид двух противоположных идей.

Расширяющийся огненный шар

Итак, мы считаем, что вначале был очень горячий однородный газ. Мы также предполагаем, что пространство, которое могло бы, согласно общей теории относительности, быть искривленным, на самом деле является евклидовым, то есть плоским[97]. Для первой грубой модели физической космологии это все, что нам нужно знать.

Ингредиенты нашего горячего газа перемещаются так быстро и взаимодействуют так активно, что достигают динамического баланса, который называется тепловым равновесием. При чрезвычайно высоких температурах, которые, как мы полагаем, установились во Вселенной в первые моменты после Большого взрыва, процесс формирования теплового равновесия особенно эффективен. Именно на этом этапе многое может произойти — и происходит. Образуются и разрушаются частицы — от фотонов до глюонов, кварков, антикварков, нейтрино, антинейтрино и других, — или, что то же самое, они излучаются и поглощаются. Все они здесь, в равновесии, и в предсказуемых концентрациях. Вспоминается афоризм Г. Уэллса, точно описывающий состояние теплового равновесия: «Если возможно все, то ничего интересного нет».

Другая характерная особенность сверхвысоких температур — невозможность существования стабильных структур. Молекулы распадаются на атомы, атомы — на электроны и ядра, ядра — на кварки и глюоны и так далее. Короче говоря, мы подходим к основам мироздания.

Отталкиваясь от этой точки — предсказуемой смеси основных ингредиентов, — мы можем использовать наши знания фундаментальных законов и предположить, что произойдет дальше. Результат прост: наш вездесущий огненный шар расширяется под собственным давлением, работающим против его же гравитации, и при этом охлаждается.

По мере остывания с огненным шаром происходят две особенно важные вещи. Во-первых, активность некоторых реакций постепенно снижается, а затем они резко прекращаются. Например, как только температура в шаре становится достаточно низкой, существенно уменьшается взаимодействие фотонов с прочей материей. Проще говоря, небо проясняется, и свет начинает более свободно распространяться с одного конца Вселенной до другого — как сегодня. Конечно, фотоны, которые были частью огненного шара, не исчезают. Они становятся так называемым космическим фоновым излучением — долгоживущим послесвечением, заполняющим Вселенную.

Второй результат — частицы начинают соединяться: кварки образуют протоны и нейтроны, электроны связываются с ядрами атомов и так далее. Материя постепенно обретает ту форму, в которой мы ее знаем.

Это наш первый грубый сценарий космической истории.

Прошлое никогда не умирает. Оно даже не прошлое.

Уильям Фолкнер

Космическое прошлое не умирает до конца. Его следы мы можем наблюдать и сегодня. Поскольку скорость света конечна, доходя до нас издалека, он многое способен нам рассказать.

Реконструкция того, что произошло в ранней Вселенной, очень похожа на реконструкцию обстоятельств преступления. Мы изучаем доказательства, формируем гипотезы, ищем подтверждения. Если мы обнаруживаем новые факты, приходится уточнять нашу теорию или изменять ее.

Космическая перепись

Благодаря улучшенным телескопам и камерам, а также более совершенным способам обработки данных астрономы смогли исследовать Вселенную гораздо глубже и полнее, чем Эдвин Хаббл. Он своей работой сделал главным подозреваемым Большой взрыв; позже это обвинение подтвердилось.

Напомню, Хаббл обнаружил, что далекие галактики удаляются от нас, причем их скорость пропорциональна расстоянию до нас. Соответственно, при «обратной перемотке» мы должны предположить Большой взрыв. Это справедливо для ближайших галактик, но не следует ожидать, что сработает и для самых далеких. Скорость, пропорциональная расстоянию, не приведет к тому, что все они схлопнутся одновременно: здесь в игру вступают гравитационные силы, изменяющие движение. Считая Большой взрыв отправной точкой, можно предсказать, как скорость расширения меняется во времени. Это предсказание уточняет гипотезы о том, как красное смещение галактик зависит от их расстояния, которое можно сравнить с наблюдаемым. И это хорошо работает[98].

«Отмотав» расширение Вселенной назад, мы определяем то, что обычно называют ее возрастом. Имеется в виду период, прошедший с тех пор, как она была гораздо более горячей, плотной и однородной, чем сейчас, или — слегка огрубляя — с самого Большого взрыва. В первые моменты после него звезды и галактики существовать не могли. Но можно предположить, когда такие структуры начали формироваться, а также оценить возраст некоторых космических древностей, используя радиоактивность и теорию эволюции звезд (мы это обсудили в главе 2). И эти два разных способа довольно хорошо согласуются.

Короче говоря, Вселенная примерно настолько же стара, насколько стары самые древние объекты в ней. И это закономерно.

Долгоживущее послесвечение

Послесвечение фотонов, возникшее в момент, когда огненный шар только-только охладился и стал прозрачным, впервые обнаружили в 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон[99]. Эти фотоны подверглись сильному красному смещению и теперь представляют собой в основном микроволновое излучение — то же, которое используется в СВЧ-печах. Они образуют так называемый космический микроволновый фон, или КМФ («реликтовое излучение»). КМФ — это образ ранней Вселенной, рассеянный по небу в невидимом «свете». Теория Большого взрыва не только предсказывает существование космического микроволнового фона, но и может многое сказать о его составе, в частности об интенсивности излучения на различных частотах. И здесь тоже наблюдения совпадают с предсказаниями.

Реликты

Когда бушующий огненный шар из кварков, антикварков и глюонов остывает, частицы начинают слипаться в протоны и нейтроны, образуя атомные ядра. Модель Большого взрыва позволяет рассчитать их относительное количество. Оказывается, значительная часть нашего потенциального строительного материала — ядра обычного водорода (¹H — одиночный протон) и гелия (⁴He — два протона и два нейтрона). Есть также примеси дейтерия (²H — один протон и один нейтрон, изотоп водорода), трития (³He — два протона и один нейтрон, изотоп гелия) и лития (⁷Li — три протона и четыре нейтрона). Все эти изотопы обнаружились благодаря методам спектроскопии в предсказанных пропорциях в средах, где не происходили процессы их переработки[100]. Все другие виды ядер образовались на гораздо более поздних этапах космической истории. Наблюдать и понимать их возникновение страшно интересно, но их связь с основными принципами не такая прямая.

Инфляционная модель

Как я подчеркивал выше, теория Большого взрыва полна странностей. Она предполагает существование условной отправной точки и постулирует, что материя в ранней Вселенной была чрезвычайно тонко организована, а точнее — крайне однородна, но ее гравитационная нестабильность нивелировалась.

Еще один таинственный аспект я прежде упомянул лишь вскользь, потому что детальное объяснение прервало бы мой рассказ[101]. Теория Большого взрыва предполагает, что пространство евклидово, то есть «плоское».

Этот постулат согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна, но все же необязателен. Теория относительности готова допустить и кривизну пространства. Нам нужна какая-то новая идея, объясняющая, почему природа не использует эту возможность.

Мой коллега из Массачусетского технологического института Алан Гут высказал по этому поводу блестящую и многообещающую мысль. Он предположил, что в начале истории Вселенная чрезвычайно быстро расширилась, и назвал этот процесс инфляцией (от лат. inflatio — «раздувание»). Интуитивно понятно, как это может помочь в поиске ответов на наши вопросы. Если Вселенная быстро расширяется, концентрация неоднородности материи падает, а также уменьшается ее кривизна[102].

Действительно ли подобное произошло? Хотелось бы так думать, но было бы хорошо конкретизировать представления о том, как это случилось, и найти более веские свидетельства в пользу инфляционной модели.

Эта гипотеза не вытекает логически из наших основных законов. Для инфляции требуются дополнительные факторы. Андрей Линде и Пол Стейнхардт высказали предложения о некоторых силах и полях, которые могли бы ее запустить, но пока их существование ничем не подтверждено. Обоснованная инфляционная модель помогла бы нам более тщательно проверить основную идею и выявить новые следствия. К сожалению, пока такой модели нет. Зато остается огромный простор для открытий.

Вперед в прошлое

Космический микроволновый фон — долгоживущее послесвечение Большого взрыва — открывает нам окно в раннюю историю Вселенной. Как вы помните, его составляют фотоны, присутствовавшие в огненном шаре, когда он только охладился и стал прозрачным. Это случилось примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. По сравнению с 13,8-миллиардолетним возрастом Вселенной срок невероятно короткий; множество интересных событий произошло еще раньше.

Мы хотели бы изучить и их тоже. Провести подобное «расследование» будет непросто, но надежда есть. Например, в окружающем нас пространстве должно быть еще минимум два других послесвечения. Их происхождение примерно такое же, как у космического микроволнового фона. Они образуют потоки нейтрино и гравитонов[103].

Поскольку и нейтрино, и гравитоны слабо взаимодействуют с другими видами материи, огненный шар стал для них прозрачным намного раньше, чем для фотонов. Как следствие, долгоживущие послесвечения нейтрино и гравитонов хранят еще более древние сообщения. В частности, гравитоны могут дать нам представление о том, что случилось через малые доли секунды после Большого взрыва, — и преподнести много сюрпризов. Мы могли бы узнать, что происходит при гораздо более экстремальных температурах и других параметрах, чем все достижимое в земных лабораториях и, скорее всего, вообще где-либо в современной Вселенной. Например, если бы нам повезло, мы увидели бы вспышку гравитационного излучения, испускаемого быстродвижущимся веществом во время космической инфляции.

Наблюдение за более экзотическими послесвечениями затруднено из-за той же особенности, которая делает его таким увлекательным: эти частицы очень слабо взаимодействуют с прочей материей, настолько, что Вселенная становится для них прозрачной. Нам понадобятся новые высокочувствительные антенны и телескопы, чтобы вообще их увидеть. Эти приборы вряд ли будут похожи на те, что используются для регистрации фотонов, — здесь много возможностей для творчества. А возможно, есть также и другие долгоживущие послесвечения, вызванные частицами, существование которых еще не установлено.

Таким послесвечением могла бы оказаться темная материя. Я, как и большинство моих коллег, склоняюсь к подобному мнению. Точнее, я подозреваю, что это послесвечение вызвано аксионами. Я расшифрую и обосную это утверждение в главе 9.

Самое начало

Чем ближе мы к Большому взрыву, тем сильнее размывается наша космическая картина. По этой причине невозможно с уверенностью утверждать что-то про «самое начало»: концепция может оказаться ошибочной или даже бессмысленной.

Аврелий Августин в своей «Исповеди» сделал блестящее предположение по этому поводу, и, думаю, он был на правильном пути. Прихожанин спросил: «Что делал Бог, перед тем как сотворил Вселенную?» Августин пишет, что первым побуждением его было ответить: «Готовил ад для людей, задающих слишком много вопросов». Но он очень уважал прихожанина, себя и Бога, чтобы такое сказать. Так что он серьезно задумался и помолился об ответе: вопрос мучил и его самого.

В результате Августин серьезно углубился в размышления о природе времени и сделал вывод, очень похожий на наш, описанный в главе 2. По сути, он пришел к заключению, что время — это то, что измеряют часы, — ни больше ни меньше. Так родился и ответ на вопрос прихожанина. Августин рассудил, что, пока Бог не сотворил мир, не было и часов — а следовательно, не было ни самого времени, ни понятия «раньше». Таким образом, вопрос «Что произошло до того, как Бог создал Вселенную?», если вдуматься, лишен смысла.

Суть ответа Августина сохраняется и при переводе на язык современной физической космологии. Ничто не предшествует зарождению Вселенной, потому что в этом контексте время — свойство, которое измеряют часы, — не имеет смысла.

Глава 7. Откуда взялась сложность?

Физический мир сложен: тут есть место и джунглям, и интернету, и собранию сочинений Шекспира. Тем не менее наши основные принципы обещают сотворить все это, имея в распоряжении лишь несколько составляющих, несколько законов и странно простой источник.

Возникает вопрос: а откуда в принципе появляется сложность? Давайте разберемся с этим в новой главе. В конце я расскажу о перспективах космической сложности и о том, как явная сложность может возникнуть внутри абсолютной простоты.

Цементирующая гравитация

Ибо кто имеет, тому дано будет; а кто не имеет, у того отнимется и то, что имеет.

Евангелие от Марка 4:25

Ибо всякому имеющему дастся и приумножится, а у неимеющего отнимется и то, что имеет.

Евангелие от Матфея 25:29

Эти цитаты описывают так называемый эффект Матфея, хотя Евангелие от Марка почти наверняка написано раньше. Попросту говоря, смысл таков: «богатые становятся богаче, а бедные — беднее». Гравитационная неустойчивость, играющая центральную роль в усложнении Вселенной, — тоже пример эффекта Матфея. Плотные области Вселенной обладают более мощным притяжением, там накапливается больше материи, и в результате они еще сильнее уплотняются. Области с плотностью ниже средней, наоборот, все больше опустошаются. Таким образом, разница в плотности со временем нарастает.

Чтобы извлечь больше информации из теории Большого взрыва, нам нужно отказаться от предположения, что изначальное вещество распределялось полностью однородно. Даже минимальных отклонений было бы достаточно, поскольку со временем они усиливаются за счет гравитационной неустойчивости.

К счастью, космический микроволновый фон, который дает нам картину Вселенной через 380 000 лет после Большого взрыва, не совсем однороден. Его интенсивность меняется в зависимости от угла в пределах нескольких десятитысячных, и эта величина отражает контраст плотности того же уровня. Возможность обнаруживать такие крошечные неоднородности стала триумфом экспериментальной техники. Джон Мазер и Джордж Смут разделили Нобелевскую премию 2006 года за работу по этой теме.

Согласно расчетам, со временем неоднородность могла значительно вырасти. Это и позволило более плотным областям Вселенной превратиться в галактики, звезды и структуры, которые мы наблюдаем сегодня.

Почему материя в ранней Вселенной была почти, но все-таки не абсолютно однородной? Мы не знаем наверняка, но есть прекрасная гипотеза, которой я хотел бы поделиться.

Как мы обсуждали ранее, теория космической инфляции при поверхностном рассмотрении предлагает объяснение идеальной однородности. Но с точки зрения фундаментальной физики и квантовых полей все несколько сложнее. Квантовым полям присуща квантово-механическая неопределенность. Из-за этого они не могут создать идеальную однородность, хотя могут приблизиться к ней. Возможно, правильная физическая реализация теории инфляции еще убедит нас в том, что образованию наблюдаемых нами космических структур способствовала квантовая неопределенность в ранней Вселенной.

Незавершенное дело материи

Как мы обсуждали в главе 5, реакции ядерного горения, протекающие на Солнце, — ключевой фактор для образования динамической сложности на Земле. К счастью, Солнце все еще развивается. Оно пока не пришло к равновесию. Однако материя, согласно теории Большого взрыва, зародилась в тепловом равновесии. Как же наше Солнце избежало этого?

Мы можем проследить цепь событий. Космический огненный шар расширялся и охлаждался. Для теплового равновесия нужны частые взаимодействия, но наш шар со временем становился все менее горячим и более вялым. Взаимодействия в нем происходили все реже. И вот равновесие начало нарушаться. Наличие таких нарушений можно предположить в космическом микроволновом фоне и других пока не обнаруженных долгоживущих послесвечениях, которые мы обсуждали раньше. В них фотоны — или нейтрино, гравитоны и аксионы — взаимодействуют очень редко.

Так что ядерное горение во время Большого взрыва не дошло до логического завершения. В расширяющейся Вселенной многие протоны не смогли найти друг друга и начали объединяться лишь гораздо позже — на Солнце и в других звездах. Эта горючая смесь ядер, возникшая в результате Большого взрыва, — еще одно из его долгоживущих послесвечений.

Кости, боулинг и многие другие игры и спортивные соревнования были бы скучными — хотя, возможно, и прибыльными, — если бы вы всегда могли добиваться нужного результата. Научились каждый раз выбрасывать семерку или выбивать страйк — и выигрыш в кармане. Но на практике это невозможно, потому что небольшие мелочи: различия в мышечных движениях, влажность руки, прилипшая грязь на шаре — играют здесь свою роль. Короче говоря, результат сильно зависит от многих факторов, которые практически невозможно предсказать или проконтролировать.

Точно так же, когда в игру вступает гравитационная неустойчивость и материя начинает слипаться, форма, которую эти сгустки в итоге примут, сильно зависит от начальных положений и скоростей отдельных частиц. Расчеты показывают, что из очень похожих газовых облаков могут образовываться совершенно разные галактики и системы. Даже небольшие изменения в начальных положениях нескольких частиц могут повлиять на количество звезд и планет.

Наблюдения подтверждают это. Астрономы давно заметили, что звезды часто образуют двойные системы. В последнее время активно исследуются экзопланеты, то есть планеты, вращающиеся вокруг других звезд. Размеры и расположение этих планет могут сильно разниться.

Очень небольшие изменения в ранней истории Солнечной системы могли привести к тому, что один астероид столкнулся с Землей и убил динозавров, а другой промахнулся.

Таким образом, хотя несколько ингредиентов, несколько законов и странно простой источник определяют общий ход космической истории, они не в состоянии предсказать ее всевозможные мелкие детали. Мир подобен дереву: растет, повинуясь простым правилам, но образует много ветвей, немного отличных друг от друга. И каждая ветвь — дом для множества разнообразных птиц и насекомых.

Нет никакого противоречия в том, что история, скажем, Швеции сложнее, чем история Вселенной. Наши фундаментальные принципы предсказывают это.

Тепловая смерть и лекарства от нее

На первый взгляд отдаленное будущее Вселенной кажется мрачным. Галактики будут удаляться, у звезд закончится ядерное топливо, микроволновое фоновое излучение превратится в радиоволны и иссякнет. Еще до появления теории Большого взрыва и открытий Хаббла космологов беспокоила перспектива «тепловой смерти» Вселенной, поскольку ее приближение к некоему равновесию казалось неизбежным. Предполагалось, что дальше ничего интересного уже не произойдет.

Первое, что нужно сказать по этому поводу: в ближайшее время беспокоиться не о чем. У нашего Солнца в запасе по крайней мере пара миллиардов благополучных лет, да и другие звезды продолжают рождаться в разных уголках нашей Галактики. Многие из них (М-звезды) будут излучать тепло намного дольше всей жизни Солнца.

Имея такой резерв времени, мы не должны недооценивать и то, насколько креативно наши изобретательные инженеры могут подойти к проблеме тепловой смерти. Сферы Дайсона, размещенные вокруг искусственно созданных звезд, вместе с энергосберегающими технологиями могли бы поддерживать разумную жизнь намного дольше, чем это делают звезды в естественных условиях.

Особенно приятно, что разум требует для своего функционирования совсем немного энергии — а иногда может обходиться и вовсе без нее. Квантовые компьютеры лучше всего функционируют в холоде и темноте, где ничто не мешает их деликатной работе. Достаточно сложный временной кристалл[104] такого типа может запускать программу снова и снова на радость содержащему его искусственному интеллекту.

Наконец, мы должны помнить, что наше понимание устройства Вселенной остается неполным с научной точки зрения и постоянно развивается. Самое, казалось бы, ясное представление о каждом из наших фундаментальных принципов радикально изменилось всего за последние сто лет. Научимся ли мы сжигать «мертвые» звезды, высвобождать содержащуюся в них энергию E = mc² — и использовать ее?[105] Сможем ли мы искусственно воспроизвести Большой взрыв и создать сами новую Вселенную? А использовать в качестве источника энергии темную материю?[106] Мы не знаем ответов, и, конечно же, на этом длинном пути могут возникнуть другие приятные сюрпризы. Несколько миллиардов лет по меркам истории науки и техники — большой срок.

Сложность в простоте

Вселенная — некоторые называют ее Библиотекой — состоит из огромного, возможно бесконечного, числа шестигранных галерей с широкими вентиляционными колодцами, огражденными невысокими перилами.

Хорхе Луис Борхес. Вавилонская библиотека

Здесь, в пятнадцати словах, я представлю простой алгоритм, пригодный для написания и Полного собрания сочинений Шекспира, и статьи, которая получит Нобелевскую премию по физике в 2025 году, и по крайней мере одного доказательства великой теоремы Ферма.

1. Случайным образом выбрать символ — букву, цифру, пробел или знак препинания.

2. Записать его.

3. Повторить первый пункт.

Результат будет содержать все обещанное и многое другое.

У Борхеса похожие мысли выражены более поэтично. Кстати, наш алгоритм годится и для написания «Вавилонской библиотеки»[107]. Этот парадоксальный мысленный эксперимент показывает, как очень простая — то есть легко описываемая — структура может содержать огромные сложности. И он отлично отражает реальность.

Квантово-механические волновые функции содержат огромное количество информации; функция чего-то такого большого, как наша Вселенная, могла бы легко вместить и Вавилонскую библиотеку. Простые правила генерируют «информационно емкие» волновые функции, так же как наш простой алгоритм позволяет получить сложнейшие результаты.

Если собрать эти мысли вместе, возникнет соблазн думать, что волновая функция Вселенной порождается простым правилом, которое еще предстоит открыть. Если это так, то Вселенная, которую мы воспринимаем и частью которой являемся, лучше всего иллюстрирует «возникновение сложности».

Глава 8. Мы еще многого не увидели

Когда я был ребенком, я и говорил как ребенок, я и мыслил по-детски, и рассуждал по-детски. Но когда я стал взрослым, то оставил все детское позади. Мы сейчас видим неясно, как отражение в тусклом зеркале, тогда же увидим лицом к лицу. Сейчас я знаю лишь отчасти, тогда же буду знать так же совершенно, как меня знает Бог.

Святой апостол Павел. Первое послание к Коринфянам

Пророки разных вер давно подозревали, что далеко не все в мире доступно нашим ничем не вооруженным органам чувств.

Святой Павел в приведенном отрывке противопоставляет непосредственное, бесхитростное детское видение мира смутным подозрениям взрослых о том, что есть еще что-то доступное нашему восприятию, и о том, что мы движемся к страстно ожидаемой и ослепительной истине.

В платоновской аллегории[108] Сократ описывает своему другу Главкону странную тюрьму. Узники обитают в темной пещере, и единственное, что им разрешено видеть, — представления кукол, чьи тени проецируются на стену. Узники ошибочно полагают, что это и есть полная реальность. Главкон замечает: «Вы представляете здесь необычную картину, и это необычные узники», на что Сократ отвечает: «Они очень похожи на нас, людей».

А Уильям Блейк в отрывке из «Бракосочетания неба и ада» поделился верой в то, что «если бы двери восприятия были чисты, все предстало бы человеку таким, как оно есть, — бесконечным»[109].

Наука составила список вещей, которые, возможно, люди смогут когда-нибудь наблюдать. Этот список помогает визионерам в их предвидениях, и он же показывает, сколь бедно наше естественное восприятие по сравнению с полной физической реальностью. Наука ищет способы преодолеть все эти ограничения. Достигнуто многое, но можно сделать гораздо больше.

Сенсорные системы многих животных значительно отличаются от человеческой. Мы с ними ощущаем мир совершенно по-разному не только на уровне интеллекта, но даже на уровне грубого восприятия.

Например, собаки и многие другие млекопитающие живут в параллельной вселенной, где главенствуют запахи. Собачьи носы, словно химические лаборатории, обрабатывают поступающие туда молекулы тремя сотнями миллионов рецепторов. Для сравнения: у человека шесть миллионов обонятельных рецепторов. Большая часть мозга собаки — около 20% — занята обработкой этих результатов. У людей под анализ запахов отведено менее 1% мозга.

Летучие мыши перемещаются в темноте, посылая чрезвычайно высокочастотные звуки (ультразвуки) и анализируя отраженные (ультра)звуки, а вот человеческий слух их не улавливает. Длина волны воспринимаемого нами звука слишком велика, поэтому мы не можем использовать его для точной навигации. Люди в целом плохо понимают, откуда вообще исходят звуки, которые они слышат.

Пауки конструируют чувствительную систему другого типа. Их паутина — не только ловушка, но и сигнальное устройство, колебания которого указывают на присутствие и положение добычи.

Зрение — наш главный канал связи с внешним миром. Через него мы получаем очень много информации, и 20–50% нашего мозга (в зависимости от того, как считать[110]) предназначены для ее обработки. Но в реальности внешний мир все равно намного богаче.

Наше зрение реагирует на состояние электромагнитного поля — но только на излучение, попадающее в зрачки. Кроме того, чувствительность глаза ограничивается узким диапазоном длин волн, от 350 до 700 нанометров (это примерно полумиллионная часть метра), называемым видимым светом. Но даже в этом диапазоне мы не воспринимаем спектр правильно. У нас в глазу есть три[111] разных типа колбочек, грубо настроенных на разные диапазоны длин волн, задействованных в цветовом зрении, а также есть палочки, грубо настроенные на широкий диапазон, для периферического и ночного зрения.

Многие рептилии воспринимают инфракрасное излучение. Пчелы, как и многие птицы, воспринимают ультрафиолет. Птицы лучше нас анализируют спектр видимого света: их рецепторные клетки содержат вкрапления масла, которые избирательно фильтруют диапазоны длин волн. Как ни странно, ракообразные[112], известные как креветки-богомолы, на сегодня считаются лучшими природными спектроскопистами: у разных их видов есть от двенадцати до шестнадцати различных типов рецепторов (для сравнения: у человека только четыре). Их чувствительность захватывает и значительную часть инфракрасного и ультрафиолетового спектра излучения. Они также чувствительны к поляризации, чего совсем нет у людей.

Наши предки жили во вселенной, отличающейся в сенсорном смысле от нынешней. Трудно представить себе мир без очков, зеркал, линз (и их усовершенствованных форм — микроскопов и телескопов), искусственного освещения и фонарей, датчиков дыма, термометров, барометров и множества других устройств, которые расширяют наше восприятие. Тем не менее в таком мире люди жили в течение большей части истории.

Технологии уже предоставили нам сверхвозможности, и конца этому не видно. Приемники и генераторы электромагнитного излучения как в видимой области, так и за ее границами становятся компактными и дешевыми, равно как и датчики магнитного поля, генераторы и приемники ультразвука, а также устройства, которые могут отбирать и анализировать химические образцы («искусственные носы»). В нашей повседневной жизни двери восприятия открываются все шире.

Другие проекты по расширению нашего восприятия требуют экстраординарных усилий во многих областях науки и призваны решать важные вопросы, общаясь с природой на новом уровне. Открытия, которые при этом делаются, не станут в обозримом будущем частью повседневной жизни. Но у людей появился стимул усердно работать дальше. Ведь поднятые вопросы очень интересны.

Здесь я кратко опишу два больших проекта, которые в последние годы расширили границы нашего восприятия мира. Это примеры запланированных открытий, когда мы поставили прямые вопросы природе и ожидаем ответы. В каждом случае я объясню, почему мы задаем именно этот вопрос, почему хотим получить ответ и что для этого делаем.

Цель этих проектов — раздвинуть границы того, что мы умеем делать[113], чтобы расширить горизонт наших знаний. Таким образом, они проводят стресс-тесты для нашего понимания основных законов.

Что мы ищем и почему

Представьте себе планету, покрытую льдом, под которым лежит огромный океан, — например, что-то похожее на Европу, спутник Сатурна. А в этом океане живет уникальный вид рыб — настолько разумных, что они интересуются динамикой. Поскольку рыбы движутся в воде сложным образом, они накапливают много интересных наблюдений и эмпирических правил, не объединенных в целостную систему. И вот однажды у некоей рыбы-гения, назовем ее рыбкой Ньютоном, возникает потрясающая идея. Рыбка Ньютон предлагает новые законы движения. Они намного проще, чем старые правила, но не описывают того, как объекты движутся на самом деле (то есть в воде). Рыбка Ньютон утверждает, что вы сможете вывести наблюдаемые движения из новых, более простых законов, если предположите, что пространство заполнено средой. В этом случае гипотетическая среда — ее мы называем водой — влияет на поведение тел. Идея рыбки Ньютона — соединить сложность наблюдаемой реальности с более фундаментальной простотой, лежащей в ее основе.

Омар Хайям

Когда какие-то явления в природе нас озадачивают или противоречат нашим знаниям, мы можем, как рыбка Ньютон, представить себе идеальный мир, а затем попытаться встроить в него свой. Эта стратегия и привела к современному пониманию слабого взаимодействия.

Среда, усложняющая понимание слабого взаимодействия, называется конденсатом Хиггса в честь Питера Хиггса — шотландского физика, который внес важный вклад в эту гипотезу[114]. Впервые эту среду ввели как теоретический элемент для получения более красивых уравнений. Похожий прием использовала и рыбка Ньютон.

Удалив конденсат Хиггса, мы сможем построить теорию слабого взаимодействия, очень похожую на наши теории сильного и электромагнитного взаимодействий. В этом воображаемом мире переносчиками слабого взаимодействия являются аналоги глюонов и фотонов — W- и Z-бозоны. Они реагируют на два новых вида заряда — назовем их слабым зарядом A и слабым зарядом B — и изменяют их. A и B похожи на три цветных заряда квантовой хромодинамики и один электрический заряд квантовой электродинамики, но в то же время отличаются от них. Слабое взаимодействие — и только оно — может преобразовать единицу заряда типа A в единицу заряда типа B и, соответственно (поскольку частицы определяются своими свойствами), превратить один вид частиц в другой. В этом, как мы теперь лучше понимаем, и заключается природа преобразующей силы слабого взаимодействия.

Причина, по которой нам необходимо ввести конденсат Хиггса, такова: в реальном мире мы обнаруживаем, что W- и Z-бозоны, в отличие от глюонов или фотонов, имеют ненулевую массу. Чтобы завершить аналогию с электродинамикой и теорией сильных взаимодействий и получить такие же красивые уравнения, мы должны ввести среду, которая бы их замедляла.

Такая теория слабого взаимодействия сформировалась в 1960-х годах. В 1970-х начали накапливаться экспериментальные свидетельства в ее пользу, и в конечном счете они убедили всех. Но один большой вопрос остался без ответа: из чего же состоит эта важнейшая вездесущая и всепроникающая среда — конденсат Хиггса? Люди дали много умозрительных ответов. Некоторые считали, что он сделан из нескольких различных частиц, для объяснения которых нужно вводить новые силы или даже новые измерения пространства. Но самая простая и осторожная гипотеза вводила всего одну новую частицу — частицу Хиггса. Важно было проверить, использует ли природа этот простейший вариант.

Как мы ищем его

Если у конденсата Хиггса только один ингредиент, мы можем многое сказать о нем. Грубо говоря, если эта частица представляет собой часть (квант) конденсата, вопрос в том, насколько она велика. Таким образом, свойства и поведение частицы Хиггса можно предсказать, узнав ее массу. Поставив такую цель, экспериментаторы смогли спланировать стратегию «охоты» на частицу Хиггса. Они делали это, имея вполне определенные представления о том, что ищут и как это распознать.

Чтобы «поймать» частицу Хиггса, нужно сделать две вещи: создать несколько таких частиц и получить доказательства их мимолетного существования. Оба шага очень сложны. Чтобы создавать тяжелые элементарные частицы, вы должны сконцентрировать в очень маленьком объеме большую энергию. Это делается на ускорителях, где пучки быстро движущихся протонов (или других частиц[115]) сталкиваются с материалом мишеней или друг с другом. Несколько лет до 2012 года поиски частиц Хиггса велись путем экспериментов, где концентрация энергии все время наращивалась, но тщетно. Теперь, оглядываясь назад, мы знаем: энергии нам все равно не хватало. И наконец, появился Большой адронный коллайдер, или БАК.

БАК представляет собой круглый подземный туннель длиной около двадцати семи километров. Он прорыт в сельской местности на территории Франции и Швейцарии. В рабочем режиме БАК два узких пучка протонов мчатся в противоположных направлениях внутри проложенной через туннель трубы. Двигаясь почти со скоростью света, протоны совершают одиннадцать тысяч оборотов в секунду.

Пучки пересекаются в четырех точках. Сталкивается только небольшая часть протонов, но это все равно составляет почти миллиард столкновений в секунду. Вся эта огневая мощь создает концентрацию энергии, необходимую для образования частиц Хиггса.

Следующая задача — обнаружить их. В точках пересечения пучков расположены огромные высокотехнологичные детекторы. Один из них — ATLAS — более чем в два раза превышает Парфенон. Детекторы измеряют энергии, заряды и массы частиц, возникающих в результате столкновений, а также определяют направления их движения. Они передают всю эту информацию со скоростью 25 миллионов гигабайт в год во Всемирную сеть, которая связывает тысячи суперкомпьютеров. Ее сбор необходим по следующим причинам.

• События сложные. Обычно из каждой частицы образуется десять или более других.

• Лишь в небольшом количестве событий — менее чем в одном на миллиард — участвуют частицы Хиггса.

• Время жизни частицы Хиггса — примерно 10^–22 секунды, то есть несколько десятых долей одной триллионной одной миллиардной доли секунды. Именно поэтому даже в событиях, в которых бозоны Хиггса все-таки участвовали, их присутствие было крайне кратковременным.

• В этих редких событиях, в которых так недолго присутствовали частицы Хиггса, участвует еще множество других частиц.

Короче говоря, охотясь на частицу Хиггса, вы должны очень хорошо понимать, что происходит, и отслеживать не только процессы с ее участием, но и все остальные. С одной стороны, важно не пропустить нужное событие, ухватившись за некоторые почти неизбежные последствия мимолетного присутствия частицы Хиггса, а с другой — предстоит отмести все посторонние процессы. Иначе вы получите массу ложных срабатываний.

Об открытии частицы Хиггса объявили 4 июля 2012 года. Удалось зарегистрировать сигнал, соответствующий избыточному количеству пар фотонов высоких энергий. Было предсказано, что такие пары возникают в результате распадов частиц Хиггса, а обнаруженное их количество явно превышало то, которое могло появиться в результате любой другой вероятной реакции[116]. С тех пор обнаружено еще несколько типов сигналов, возникающих из-за реакций распада частиц Хиггса. Частота их появления совпадала с теоретическими предсказаниями.

«Поймав» частицу Хиггса, мы расширили границы своего восприятия. Мы увидели то, что природа делает очень редко, очень ненадолго и только после того, как ее сильно попросить. Для пытливого человеческого ума пустое пространство больше никогда не будет выглядеть пустым. Рыбка Ньютон и Питер Хиггс научили нас этому.

Что мы ищем и почему

Напомним образное описание общей теории относительности, данное Джоном Уиллером: «Пространство-время указывает материи, как двигаться; материя указывает пространству-времени, как изгибаться». Афоризм Уиллера запоминается, но он же и вводит нас в заблуждение, точнее, к нему нужно важное дополнение: пространство-время — это тоже форма материи.

В частности, неправильно думать, что кривизна пространства-времени полностью определяется чем-то инородным, а именно «материей». Искривление пространства-времени требует энергии, а энергия вынуждает пространство-время изгибаться. Таким образом, кривизна сама участвует в создании себя. Пространство-время живет собственной жизнью.

Мы уже слышали об этом раньше. Триумфальная фарадеевская концепция поля, а точнее, уравнений Максвелла, облекшего ее в математическую форму, привела к открытию электромагнитных волн. Электромагнитное поле тоже живет собственной жизнью. Изменяющиеся электрические поля создают изменяющиеся магнитные поля, которые создают изменяющиеся электрические поля и так далее до бесконечности. Самоподдерживающееся возмущение полей движется в пространстве. Если оно повторяется с подходящей частотой (длиной волны), мы увидим его в виде света. Мы научились ловить и другие длины волн с помощью разных детекторов — например, радиоприемников или посуды в микроволновках.

Искривленное поле Эйнштейна, которое отвечает за гравитацию, точно так же рождает самоподдерживающиеся возмущения — гравитационные волны. В них искривление пространства-времени в одних направлениях вызывает искривление в других.

Уравнения для гравитационных волн очень похожи на уравнения для электромагнитных — только смысл символов другой[117]. Типы источников, возбуждающих волны, различны: для электромагнитных волн это движущиеся электрические заряды, а для гравитационных — движущиеся массы. А еще, несмотря на качественное сходство, существует большая количественная разница между этими волнами.

Она возникает из-за того, что, согласно общей теории относительности, пространство-время — чрезвычайно жесткая структура и даже быстрые движения, связанные с большими массами, вызывают в ней лишь крошечные колебания. Это и хорошая и плохая новость.

Хорошая новость: гравитационные волны несут сообщения о некоторых самых бурных и интересных событиях во Вселенной, в которых участвуют крупные объекты. Эти волны дают нам новый способ познания Вселенной, остается лишь учиться фиксировать такие данные. Например, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория — LIGO — разрабатывалась в расчете на сигналы от нескольких необычных источников. Это могли бы быть взрывы в системе двух вращавшихся друг вокруг друга черных дыр или нейтронных звезд или черной дыры и нейтронной звезды в последний момент перед слиянием. Поскольку из-за гравитационного излучения вращающиеся объекты теряют энергию, их орбиты сближаются — медленно и постепенно, вплоть до последних мгновений. На последнем витке они, наоборот, движутся очень быстро. Именно тогда всплеск излучения становится таким сильным, что его можно зарегистрировать.

Плохая новость: гравитационные волны трудно обнаружить.

Как мы ищем

Концепцию, легшую в основу конструкции LIGO, изложил в своей статье Райнер Вайсс в 1967 году. Чтобы «поохотиться» на гравитационные волны, ученые и инженеры придумали и внедрили множество технологических инноваций. Первое успешное наблюдение гравитационных волн произошло почти пятьдесят лет спустя. За свою работу над LIGO Райнер Вайсс[118] вместе с Кипом Торном и Барри Баришем в 2017 году получили Нобелевскую премию.

Чтобы понять, как LIGO обнаруживает гравитационные волны, представьте себе три объекта в вершинах большой (воображаемой) буквы L. Для простоты предположим, что они плавают в космосе. Когда волна проходит, само пространство искажается, так что расстояния между объектами меняются со временем. Найдя способ сравнивать длины плеч L, мы сможем попытаться обнаружить этот эффект и получим способ узнавать о приходе гравитационных волн.

Однако некоторые грубые расчеты дают неутешительные оценки величины эффекта. Относительное изменение длин должно составить 10^–21, или одну миллиардную одной триллионной. Большинству физиков казалось невозможным обнаружить такой мизерный эффект. Но Райнер Вайсс и его друзья предложили новые идеи.

В качестве опорных объектов экспериментаторы выбрали зеркала: поставили их далеко друг от друга[119], а затем заставили световые лучи по многу раз отражаться в каждом, что увеличило длину плеч интерферометра. Стандартный метод интерферометрии позволяет сравнивать длины световых путей с точностью до долей длины волны. В итоге крошечное отношение длины световой волны к многократно увеличенной длине плеча позволило обнаружить изменение длин величиной 10^–21. Этот трюк подарил нам детектор, чрезвычайно чувствительный к относительным движениям зеркал. Следующая задача — отделить движение, вызванное гравитационными волнами, от всех остальных вероятных эффектов.

Конечно, пришлось учитывать множество факторов. В проектных документах и отчетах о полученных результатах группы LIGO подробнейше описываются принятые меры предосторожности и выполненные проверки на непротиворечивость результатов. Упомяну только одну из самых серьезных проблем. Вибрации поверхности, на которой расположена экспериментальная установка, возникают из-за чего угодно — от слабых землетрясений до плохой погоды и проезжающих мимо грузовиков. Для подавления таких вибраций зеркала подвешены на четверные маятники и стабилизированы с помощью активной обратной связи. Это чудо инженерной мысли вывело решение проблемы амортизации ударов и шумоподавления на новый уровень.

С другой стороны, предсказано, что колебания, вызванные гравитационными волнами, должны обладать некоторыми особыми свойствами. Вот главное: они должны возбуждать в двух разделенных в пространстве детекторах идентичные, но смещенные по времени интерференционные картины, которые соответствуют возмущению, распространяющемуся со скоростью света. Если говорить подробнее, теория слияния черных дыр и нейтронных звезд предсказывает, как должны выглядеть колебания в зависимости от времени в случае, если они вызваны гравитационными волнами от этих источников.

Первое успешное обнаружение гравитационных волн произошло 18 сентября 2015 года. Это соответствовало предсказанию о вспышке излучения, которая должна была возникнуть при слиянии двух черных дыр с массой примерно в 20–30 раз больше, чем масса нашего Солнца. Эти дыры находились от нас на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет.

С тех пор зафиксировано еще около пятидесяти подобных событий. Особенно интересное случилось 17 августа 2017 года. Оно соответствовало предсказаниям о том, что должно происходить при слиянии двух нейтронных звезд. Астрономы наблюдали процесс в нескольких областях электромагнитного спектра, в том числе зарегистрировали всплеск гамма-излучения и долгоживущее послесвечение в видимой области. Это положило начало новому виду «многоканальной» астрономии и обещает расширить наше представление о природе странных далеких событий.

Распределенная сенсория

• …слушай: за углом
• чертовски славный мир, ей-ей; идем[120].

Э. Э. Каммингс

Иллюзия «фантомной руки» — потрясающий опыт. Он состоит в том, что вы прячете свою правую руку за перегородкой, рядом с которой кладете фальшивую резиновую руку. На нее вы и смотрите. Ваш друг постукивает и поглаживает случайным образом вашу невидимую настоящую руку и синхронно — ее видимого резинового двойника. Через короткое время — обычно менее минуты — у вас возникнет ощущение, что поглаживания и постукивания чувствует больше резиновая, чем настоящая рука. Дайан Роджерс-Рамачандран и Вилейанур Рамачандран — пионеры в изучении этой и схожих иллюзий — обратили внимание на следующие глубокие следствия этой иллюзии:

Все мы в течение жизни делаем определенные предположения о нашем существовании… Но одно кажется незыблемым. Мы уверены, что мы заключены в своем теле. Однако стоит на несколько секунд подвергнуть нас правильной стимуляции, и мы временно отказываемся даже от этой основной аксиомы нашего существования.

Несколько лет назад в течение примерно часа я был в двух местах сразу. Я сидел дома в Кембридже, в штате Массачусетс, и одновременно посещал конференцию в Гётеборге, в Швеции. Мне это удалось благодаря ростовому аналогу иллюзии резиновой руки. Я видел и слышал все «глазами» и «ушами» робота, взглядом и вниманием которого управлял дистанционно с помощью джойстика. Я также мог «ходить» и разговаривать с людьми: они видели мое выражение лица на экране робота. Я выступал с коротким докладом, расхаживая по сцене и отслеживая реакцию публики, участвовал в групповой дискуссии и общался с коллегами во время кофе-брейков.

Сначала, осваивая систему управления, я остро осознавал искусственность ситуации. Но примерно через полчаса, когда появился автоматизм, я почувствовал себя так, будто действительно нахожусь в Гётеборге. Тем не менее в глубине души я понимал, что остаюсь в Кембридже, перед экраном компьютера. Мое сознание расширилось — робот расширил мое «я».

Система, которую я использовал, была довольно грубой. Никто не принял бы робота на платформе BeamPro за человека, равно как и резиновую руку за настоящую. Но я испытал незабываемые ощущения. В будущем усовершенствованные платформы и улучшенная обратная связь с виртуальной средой наверняка помогут разработать сенсорную систему, которая будет рассредоточена по всему пространству, но в то же время глубоко встроена в наше сознание.

Квантовое восприятие и самовосприятие

Думаю, я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику.

Ричард Фейнман

Я считаю, что понимаю уравнение, если могу предсказать свойства его решений, не решая его.

Поль Дирак

Естественное человеческое восприятие плохо сочетается с квантовой механикой. В квантовом мире сосуществуют многие возможные конфигурации и варианты поведения. Если вы посмотрите (то есть проведете наблюдение), то увидите только один вариант из возможных — и не сможете заранее сказать, какой именно. Нельзя с помощью одного набора ощущений (то есть наблюдений) полностью оценить состояние квантовой системы[121].

Главная цель естественного человеческого восприятия — дать нам представление о мире в виде объектов с более или менее предсказуемыми свойствами, занимающих более или менее определенные положения в трехмерном пространстве. Это очень полезная информация для повседневной жизни, и мы легко ее получаем. Но фундаментальное понимание подсказывает: можно увидеть еще многое. А квантовая механика переводит эти возможности на другой уровень.

К счастью, способы адаптировать квантовый мир к естественному человеческому восприятию существуют, хотя пока мало изучены. Если мы можем вычислить интересующее нас состояние — скажем, состояние кварков и глюонов в протоне, или электронов и ядер в молекуле, или кубитов в квантовом компьютере, — мы также можем вычислить, какими оказались бы наши наблюдения этих состояний при большом количестве экспериментов, как если бы мы их выполнили. Мы можем даже представить все результаты этих вычислений параллельно на многих дисплеях. Таким образом физики, химики и туристы могли бы погрузиться в квантовый мир и, возможно, наконец прийти к его пониманию.

Познай себя.

Надпись в храме Аполлона в Дельфах

Как ни странно, похожая проблема связана и с нашим восприятием себя. В мозгу происходит одновременно много вещей, но сознание позволяет нам в каждый момент заниматься только одной. В результате многое вообще от нас ускользает. Мы можем переключать внимание, но для нас сложно и неестественно сосредоточиваться одновременно на более чем одном деле[122].

По мере того как наша способность отслеживать и объяснять состояния мозга усовершенствуется, мы получим возможность представлять наше внутреннее «я» через визуальную систему на дисплеях, обходя фильтр естественного сознания. Мы будем получать больше информации, а пропускать — меньше. Люди по-новому и глубже узнают себя, а возможно, и других.

Глава 9. Впереди еще много загадок

Самое прекрасное, что мы можем испытать, — это ощущение тайны. Она — источник всякого подлинного искусства и науки. Тот, кто никогда не испытал этого чувства, кто не умеет остановиться и задуматься, охваченный робким восторгом, подобен мертвецу, и глаза его закрыты.

Альберт Эйнштейн

Хотя мы многое поняли об устройстве мира, в нем еще немало великих загадок. Вот три важные, пока не разгаданные тайны.

• Что спровоцировало Большой взрыв? Может ли он повториться?

• Есть ли значимые закономерности, скрытые в наблюдаемом разрастании сообщества элементарных частиц и сил?

• Как конкретно из материи возникает разум? (Или он возникает вообще не из материи?)

Давайте сосредоточимся на двух больших, но более конкретных тайнах. Поиск их разгадок находится на переднем крае науки и направлен на углубление нашего понимания основ физического мира.

Первая тайна связана со странной особенностью фундаментальных законов, которые остаются неизменными (почти, хотя и не совсем), если обратить время вспять. Вторая возникла в результате обескураживающего открытия: астрономы обнаружили новую силу, по всей видимости гравитационную, но непонятно откуда взявшуюся. На первый взгляд их наблюдения указывают на существование некой «темной стороны Вселенной» и двух новых элементов — темной материи и темной энергии. Оба они, хотя и составляют большую часть массы Вселенной, каким-то образом раньше ускользали от внимания исследователей.

Недавно возникла многообещающая идея, которая, кажется, могла бы пролить свет на эти загадки. Проблема, связанная с обращением времени, заставила многих физиков заподозрить, что существует новый вид частиц — аксионы. Их долгоживущее послесвечение, оставшееся после Большого взрыва, обладает подходящими свойствами, чтобы оказаться темной материей. Шквал разработок, порожденных этой идеей, привел к азартной гонке за открытиями. В ней приняли участие сотни ученых со всего мира.

Зеркальное отражение времени

В нашей жизни не много аспектов столь же очевидных, сколь асимметрия между прошлым и будущим. Мы помним прошлое, но можем только догадываться о будущем. Если вы прокрутите фильм — скажем, «Огни большого города» Чарли Чаплина — в обратном направлении, последовательность событий на экране будет мало похожа на реальность. Этот перемотанный назад фильм никогда не перепутаешь с настоящим.

Тем не менее начиная с зарождения современной науки — классической механики Ньютона — и еще совсем недавно вид фундаментальных законов не менялся при обращении (перемене знака) времени. Следовательно, законы, которые вы хотите использовать для предсказания прошлых состояний исходя из настоящих, — те же, что и для предсказания будущих состояний. Например, если вы представите фильм о планетах, вращающихся вокруг Солнца по законам Ньютона, и прокрутите его назад, планеты в фильме по-прежнему будут вращаться по законам Ньютона. Эта особенность законов называется симметрией относительно обращения времени, или сокращенно T-инвариантностью.

T-инвариантность сохранялась и при расширении области применения законов — например, в уравнениях электромагнетизма Максвелла, и в модифицированных Эйнштейном уравнениях гравитации, и в квантовых версиях этих уравнений. И все наблюдения фундаментальных взаимодействий, казалось, подтверждали эту симметрию.

Контраст между повседневным опытом и фундаментальными законами рождает два вопроса. Один звучит так: как реальная Вселенная определяет предпочтительное течение времени? Мы получили ответ в главе 6 и (особенно) в главе 7, где увидели, что гравитация вышла из равновесия[123]. Другой вопрос формулируется просто: почему? Почему в нашем фундаментальном описании природы есть эта Т-инвариантность, но в том мире, который дан нам в ощущениях, она явно отсутствует?

Почему? Первый подход — достижение дна

Родителей маленьких детей иногда раздражают их бесконечные «почему». (Почему мне нужно ложиться спать? Потому что людям нужно отдыхать. Почему людям нужно отдыхать? Потому что их тела устают. Почему их тела устают? Потому что после того, как мы какое-то время напрягаем мышцы, они перестают работать. Почему они перестают работать? Потому что их топливо — пища, которую мы едим, а потом остается некоторое количество отходов, которые нужно убирать. Почему? Потому что все деградирует, подчиняясь второму закону термодинамики. Почему? Потому что во время Большого взрыва гравитация была в неравновесном состоянии…) В конце концов у вас закончатся ответы[124]. В какой-то момент вы поймете, что уже не можете найти достаточно простое объяснение — вы дошли до дна. И тогда вы скажете: «Просто это так».

Было неясно, является ли T-инвариантность точной характеристикой фундаментальных законов и будет ли польза от поиска ее причин. Она казалась изящным, хотя и немного необычным свойством законов. Т-инвариантность могла оказаться тем самым дном. Большинство физиков так и думали.

Почему? Второй подход — священные принципы

Ситуация изменилась в 1964 году, когда Джеймс Кронин, Вал Фитч[125] и их коллеги обнаружили крошечный, непонятный эффект в распадах K-мезонов[126], нарушающий T-инвариантность. Раз T-инвариантность выполняется не совсем точно, она — еще не дно! Возник очевидный вопрос, требующий дальнейшего изучения: «Почему в природе Т-инвариантность выполняется, но все-таки не совсем точно?» Он оказался очень правильным.

В 1973 году Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава[127] совершили прорыв в поиске теоретического ответа. Они взяли за основу каркас из квантовой теории поля и наших теорий «Ядра» для сил (которые в то время еще не были полностью установлены). Как я упоминал ранее, этот каркас очень жесткий — вы не можете его изменить, не нарушив целостности. Никто не знает, как модифицировать его структуру, не нарушая священных принципов[128] теории относительности, квантовой механики и локальности. Но можно постараться не изменить саму структуру, а сделать к ней «пристройку». Кобаяси и Маскава обнаружили, что добавление третьего поколения кварков и лептонов[129] к двум уже известным позволяет ввести взаимодействие, нарушающее T-инвариантность и порождающее эффект, который наблюдали Кронин и Фитч. Если бы существовали только два известных на тот момент поколения, такой возможности не было бы.

Вскоре частицы из третьего поколения, существование которых предсказали Кобаяси и Маскава, начали обнаруживаться на ускорителях при работе в режиме более высоких энергий. С того момента многие эксперименты подтвердили также существование введенного ими взаимодействия.

Однако это еще не конец истории. Существует еще одно возможное взаимодействие. Оно тоже нарушает T-инвариантность и при этом полностью вписывается в жесткий каркас теорий нашего «Ядра» и квантовой теории поля. Это взаимодействие необязательно для объяснения наблюдений Кронина и Фитча или каких-либо других. Похоже, природа просто его не использует. Почему?

Почему? Третий подход — эволюция

В 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Куинн[130] предложили ответ на третье и, вероятно, последнее «почему» о Т-инвариантности. Этим ответом стала теория эволюции, открывшаяся при расширении «Ядра». Авторы предположили, что сила «ненужного» дополнительного взаимодействия — это не просто параметр, а квантовое поле, которое может меняться в пространстве и времени. Они показали, что если новое поле обладает некоторыми требуемыми, достаточно простыми свойствами, то действующие на него силы будут стремиться обратить его в ноль. Печчеи и Куинн неявно предположили, что ноль и есть предпочтительное значение этого поля, к которому оно, согласно космологии Большого взрыва, эволюционирует[131].

Это наконец может дать нам удовлетворительный ответ на наши вопросы. Он звучит так: почти точная, но не совсем, T-инвариантность характерна для фундаментальных законов вследствие того, как более глубокие принципы — относительность, квантовая механика и локальность — действуют на основные элементы физического мира.

Эти теоретические идеи имеют серьезнейшие последствия. Мы скоро займемся ими. Но сначала давайте обратимся к темной стороне Вселенной.

Темная материя и темная энергия схожи, поэтому имеет смысл представить их вместе. И то и другое имеет отношение к наблюдаемым движениям, у которых нет очевидной причины. Более точной, хотя и менее запоминающейся характеристикой этих явлений была бы формулировка «необъяснимые ускорения». Определенные закономерности, которые они демонстрируют, заставляют предположить связь с гравитацией из неизвестных источников. Чтобы объяснить все наблюдения, нам нужно было их ввести. По определению ими считаются темная материя и темная энергия.

Я хотел бы подчеркнуть, что ни то ни другое не является «темным» в обычном смысле. Оба явления пока просто невидимы. Из мест, где должно находиться «темное» вещество, не зарегистрированы излучения, не нашли там и поглощения света.

Темная материя может состоять из частиц нового вида, образовавшихся во время Большого взрыва и очень слабо взаимодействующих с прочими. Темная энергия может быть и плотностью самого пространства Вселенной.

Пока это самые популярные гипотезы, которые достаточно убедительно объясняют широкий спектр наблюдений. Есть сторонники и других концепций, но те более спекулятивны.

Подобные проблемы — проблемы скрытых источников ускорений — возникали и раньше в астрономии. Расскажу одну такую историю.

В 1687 году Ньютон представил миру свою механику и закон всемирного тяготения, которые называл «Системой мира». За последующие десятилетия их правильность не раз триумфально подтверждалась. За это время многие астрономы осуществили гораздо более точные наблюдения за движениями небесных тел, а другие исследователи провели гораздо более точные вычисления разнообразных эффектов, вытекающих из ньютоновской теории. Почти все наблюдения соответствовали предсказаниям.

Однако два противоречия нарушали эту благостную картину. Они касались движения Урана и Меркурия. Предсказания теории Ньютона и наблюдаемые положения этих планет расходились. Расхождения были сравнительно небольшими — намного меньше, чем, скажем, размер Луны в небе, но тем не менее вызывали сомнения. Либо в расчетах что-то не учитывалось, либо теория была ошибочной. Загадка требовала ответа.

Когда чрезвычайно успешная во всех прежних ситуациях теория сталкивается с противоречием, первая мысль, которая приходит на ум: чего-то не хватает. Исходя из этого, Джон Коуч Адамс и Урбен Леверье[132] предположили существование еще одной неизвестной планеты, гравитация которой могла сбивать Уран с курса. Другими словами, они предположили, что здесь действует очень специфический вид темной материи.

Адамс и Леверье рассчитали, где должна быть новая планета и где она должна появиться на ночном небе. Леверье сообщил о своем предположении Берлинской обсерватории. И наблюдатели ее увидели. Новую планету, открытую в 1846 году, назвали Нептуном.

Леверье попытался аналогично решить проблему с Меркурием: предположил существование еще одной планеты, которую назвал Вулканом. Вулкан должен был располагаться очень близко к Солнцу, чтобы его гравитация повлияла на Меркурий, но не оказала заметного действия на другие планеты. Это также объяснило бы, почему Вулкан не наблюдался: за мощью солнечного излучения трудно что-либо разглядеть.

Астрономы задались целью обнаружить Вулкан. Особенно тщательно его искали во время солнечных затмений, многие даже сообщали об успехе. Но ни одно наблюдение не убедило научное сообщество, и проблема усугубилась. В итоге решение пришло совсем с другой стороны и многим позже.

Альберт Эйнштейн предложил принципиально новую теорию гравитации. Хотя теория Ньютона и общая теория относительности основаны на радикально разных идеях, они делают много схожих предсказаний. В пределах Солнечной системы, безусловно, самое значительное (но все равно небольшое) расхождение касается движения Меркурия. Одним из первых триумфальных достижений теории Эйнштейна, уже вошедших в его оригинальную статью, была ее способность объяснить наблюдаемое движение Меркурия, не вводя дополнительную планету. Вулкан больше не вспоминали.

Открытие темной энергии потребовало изменения закона тяготения, и Эйнштейн модифицировал его с позиций общей теории относительности. Он учел темную энергию, дав ей другое название — «космологическая постоянная». В рамках концепций общей теории относительности это, по сути, был единственный способ изменить закон тяготения — ввести такой вот «свободный параметр». Когда Эйнштейн работал над уравнением, еще не существовало наблюдений, которые требовали бы ненулевой космологической постоянной, и в духе бритвы Оккама[133] Эйнштейн приравнял ее к нулю. Но она могла бы принять и ненулевое значение, если бы того потребовали наблюдения.

Подводя итог этим историческим параллелям, можно в шутку сказать, что темную материю породил Нептун, а темную энергию — Меркурий. А мораль в том, что у хороших научных загадок часто находятся достойные отгадки.

Темная материя

Современная проблема темной материи затрагивает всю Вселенную. Астрономы сталкиваются со множеством «избыточных» ускорений разных масштабов. Здесь я упомяну два класса наблюдений, которые охватывают десятки, если не сотни документально подтвержденных примеров.

Первый класс касается скорости, с которой звезды и газовые облака на внешних окраинах галактик вращаются вокруг этих галактик. Один из законов Кеплера, который, как мы знаем сегодня, следует из обеих теорий гравитации — Ньютона и Эйнштейна, — связывает скорость вращения по орбите с количеством находящейся у нее внутри массы. Таким образом, по этой скорости можно предположить, как распределяются массы в интересующей нас галактике. Но обнаружилось, что для объяснения наблюдаемых скоростей требуется наличие большой массы в местах, где излучается мало света. Практически все изученные галактики как будто окружены ореолами из темной (невидимой) материи. На самом деле правильнее сказать, что освещенная часть галактики — инородная примесь в облаке темной материи. И гало темной материи в сумме весит примерно в шесть раз больше, чем эта «примесь».

Второй класс наблюдений касается искривления света, или так называемого гравитационного линзирования. Астрономы во многих случаях отмечали, что изображение далеких галактик сильно искажено, как если бы вы смотрели на них через стакан с водой или бутылку из-под колы. В частности, это происходит, когда свет наблюдаемой галактики проходит через область пространства, содержащую кластер других галактик. Общая теория относительности предсказывает, что гравитация должна искривлять свет, поэтому существование гравитационного линзирования неудивительно. Удивителен его масштаб. И для объяснения такого эффекта астрономам нужно, чтобы галактики в кластере весили примерно в шесть раз больше, чем видимые звезды и газовые облака.

Эти и другие наблюдения говорят о том, что темная материя составляет около 25% массы Вселенной. Доля «обычной» материи — той, которую мы понимаем и из которой сделаны, — около 4%. Большая часть того, что остается, — это темная энергия.

Темная энергия

Другой класс наблюдений приводит нас к темной энергии. Здесь важна предыстория.

Напомню, Альберт Эйнштейн сформулировал свою теорию гравитации — общую теорию относительности — в 1915 году, а вскоре, в 1917-м, изменил уравнения и ввел в них «космологическую постоянную». Физически введение этого параметра соответствует наделению ненулевой плотностью самого пространства. Ненулевое значение космологической постоянной означает, что каждая единица объема пространства вносит равный, ненулевой вклад в общую массу Вселенной, даже когда (как нам кажется) там ничего нет.

Ненулевая космологическая постоянная легко укладывается в рамки общей теории относительности, не требуя значительного изменения основных ее принципов. Материя искривляет пространство-время так же, как раньше, и так же реагирует на искривление. Космологическая постоянная просто учитывает возможность того, что само пространство-время — материя, которую наша теория позволяет изгибать, толкать и трясти, — также обладает инерцией. Другие возможные вариации общей теории относительности либо чрезмерно искусственны, либо приводят к малым физическим эффектам.

Универсальная плотность космического вакуума, соответствующая космологической постоянной, сопровождается другим специфическим свойством. Вместе с положительной плотностью массы пространства необходимо ввести отрицательное давление, абсолютная величина которого равна плотности, умноженной на квадрат скорости света. Это соотношение между плотностью и давлением для массы, связанной в космосе, и есть аналог соотношения для частиц E = mc², которое связывает их энергию с массой.

В 1990-х годах космологическая постоянная подверглась «ребрендингу» и стала темной энергией. Новое название отражает новое отношение. Современные физики извлекли уроки из понимания других сил и осознали: плотность пространства — не просто параметр, фигурирующий в общей теории относительности и не имеющий иного смысла. Он связан с остальной физикой, и на него могут влиять разные источники. Во Вселенной, наполненной вездесущими квантовыми полями, было бы удивительно, если бы космическое пространство не обладало инерцией.

В 1998 году астрономы «поймали» темную энергию. Точнее, они наблюдали, как скорость расширения Вселенной возрастает, что соответствует отрицательному давлению. Данные получили из измерений красного смещения, подобно тому, как это делал Хаббл, но с использованием сверхновых вместо цефеид — пульсирующих переменных звезд. Сверхновые намного ярче, и их возможно наблюдать на больших расстояниях.

Плотность пространства, которую ученые измерили, по всем меркам крайне мала. Объем пространства, равный объему Земли, весит около 7 миллиграммов. В пределах Солнечной системы или даже Галактики доля массы пустого пространства совершенно ничтожна по сравнению с массой обычной (или темной) материи. Но межгалактические пустоты настолько велики, что эта небольшая, зато рассеянная по всему космосу плотность вносит основной вклад в общую массу Вселенной.

На сегодня считается, что темная энергия составляет около 70% массы Вселенной. Никто не знает, почему несколько различных, гораздо более крупных вкладов от разных источников — и положительных, и отрицательных — вместе приводят именно к такому результату. Это большая космическая загадка.

Космологическая «Стандартная модель»

Понимая, что темная материя и темная энергия в настоящее время составляют (гипотетически) большую часть массы Вселенной, мы можем ожидать, что и в ранней ее истории они играли значительную роль. Но чтобы «прокрутить фильм в обратном направлении» и проверить это предположение, нужно познакомиться с ними ближе.

Вернувшись к Большому взрыву, мы получим шанс узнать о свойствах темной стороны Вселенной. И если здесь мы сделаем какие-то ошибочные предположения, наша модель Большого взрыва не сможет привести к созданию наблюдаемой Вселенной.

Учитывая, сколь мало мы знаем, кажется нереальным вообще предположить, как темная материя и темная энергия могли вести себя в первые моменты после Большого взрыва. К счастью, оказалось, что нам и не нужно знать много. Хватит и некоторых простых догадок.

Во-первых, мы предполагаем, что темная материя состоит из неких частиц, которые слабо взаимодействуют как друг с другом, так и с обычной материей. Вначале темная материя находилась в равновесии с остальной частью космического огненного шара, но почти сразу отделилась, превратившись в долгоживущее послесвечение того типа, который мы обсуждали в главе 6. Тонкий момент, из-за которого более ранние предположения о темной материи провалились, заключается в том, что, отделившись, ее частицы должны были двигаться намного медленнее скорости света[134]. Поскольку (по предположению) гравитация — единственная значимая сила и она одинаково действует на любую материю, это все, что нам нужно знать. Мы можем вычислить, как движется темная материя, отделившаяся от прочей, и как она влияет на Вселенную. Это так называемая модель холодной темной материи.

Во-вторых, мы принимаем идею Эйнштейна о том, что темная энергия представляет собой универсальную плотность самого пространства и связана с универсальным отрицательным давлением.

Теперь мы можем проследить эволюцию контрастов плотности в реликтовом излучении, возникшем через 380 000 лет после Большого взрыва, — и сделать это вплоть до настоящего времени. Добавление темной материи заставляет нестабильность развиваться быстрее; при включении ее в расчеты модельная Вселенная эволюционирует и становится похожей на нашу. Таким образом, темная сторона Вселенной позволяет нам подтвердить прогнозы, полученные в рамках космологической модели Большого взрыва: начав с зародышевых контрастов плотности и учтя гравитационную нестабильность, мы можем воссоздать структуру Вселенной, наблюдаемую сегодня.

Подростком я иногда сопровождал маму в походах в супермаркет. Во время одного из них я заметил стиральный порошок Axion и подумал, что это хорошее название для элементарной частицы. Слово было коротким, запоминающимся и хорошо сочеталось с названиями «протон», «нейтрон», «электрон» и «пион». Мелькнула мысль, что если у меня когда-либо появится шанс назвать частицу, то я назову ее «аксион». В 1978 году шанс появился. Я понял, что идея Печчеи — Куинн о введении нового квантового поля имела важное следствие, которое они не заметили[135].

Как мы обсуждали ранее, квантовым полям соответствуют частицы — их кванты. И именно этому полю соответствовала необычайно интересная частица. У нее была интригующая техническая особенность — устранение проблемы с аксиальным током. Звезды сошлись, и аксионы вошли в мир — по крайней мере, в мир физической литературы. Между прочим, с этим названием никогда бы не согласились редакторы Physical Review Letters и, возможно, создатели моющего средства Axion, если бы я еще до публикации сболтнул лишнего о том, что в действительности вдохновило меня на такое название. Так что я просто сослался на аксиальный ток.

По следам аксионов

Аксионы обладают свойствами, необходимыми для того, чтобы образовать космологическую темную материю. Они очень слабо взаимодействуют друг с другом и с прочими частицами. Аксионы образовались при высокой температуре, а позже высвободились из космического огненного шара. Их долгоживущее послесвечение заполняет Вселенную. Расчетная плотность фона аксионов согласуется с наблюдаемой плотностью темной материи, а в момент образования они были почти неподвижны. Таким образом, они удовлетворяют требованиям космологической теории «холодной темной материи».

Красивая версия, но правдивая ли? Да, аксионы слабо взаимодействуют с материей, но теория говорит нам, что они с ней все-таки взаимодействуют, и рассказывает, каким образом. Чтобы обнаружить фоновое аксионное излучение, нам потребуется разработать новые чувствительные детекторы. Сотни физиков, как теоретиков, так и экспериментаторов, работают сегодня над этой задачей. Если есть в мире справедливость и если нам улыбнется удача, мы вскоре добьемся успеха, достойного встать в ряд с открытиями Нептуна, космического микроволнового излучения, частицы Хиггса, гравитационных волн и экзопланет. Часто разгадки научных тайн несут огромную ценность.

Как тайны перестают быть тайнами

Упомянутый нами Вал Фитч, один из первооткрывателей нарушения Т-инвариантности, был мудрым человеком с тонким чувством юмора. Когда в начале карьеры я профессорствовал на физическом факультете Принстонского университета, он был там деканом. Рассказывая ему о возникших у меня идеях насчет аксионов и темной материи[136], я рассуждал о нарушении Т-симметрии, как если бы это был факт из древней истории. В то время я не знал ничего иного. В какой-то момент он мягко улыбнулся и сказал: «Вчерашняя сенсация сегодня становится нормой».

Такова судьба всех успешно разгаданных научных загадок. Я пережил это и сам, работая над проблемой асимптотической свободы и теорией КХД (квантовой хромодинамики). В первые годы после нашего прорыва было много шума и сомнений, всех волновал вопрос, действительно ли тайна сильных взаимодействий раскрыта. На крупных международных конференциях доклады по теме «Проверка теории КХД», где сообщалось об использовании теории для предсказаний и ее экспериментальной проверке, были гвоздем программы. Но по мере того, как сомнения исчезали, постепенно утихал и ажиотаж. Сегодня работы такого сорта, но гораздо более сложные, считаются ординарными. Это называется фоновыми вычислениями. Вчерашняя сенсация — это сегодняшняя норма и завтрашняя история.

Умение видеть загадки

Помимо будущего конкретных загадок, есть интересные вопросы о том, что ждет загадки вообще.

Фонд Математического института Клэя предложил приз в размере миллиона долларов за доказательство того, что теория КХД предсказывает конфайнмент — удержание кварков. У физиков более низкие — или, скорее, другие — стандарты. По-моему, мы сделали большее. С помощью компьютеров мы можем практически безошибочно рассчитать, какие частицы возникают в теории КХД. Изолированных кварков среди них нет. И действительно, расчеты дают нам частицы с теми массами и свойствами, которые мы наблюдаем в Природе — ни больше ни меньше. Должен ли получить приз суперкомпьютер? Или работающие на нем программисты?

В 2017 году в AlphaZero — новейшую программу на основе искусственных нейронных сетей — ввели правила игры в шахматы. После этого она несколько часов играла сама с собой, училась на собственном опыте и достигла сверхчеловеческого мастерства. И что, AlphaZero понимает, что такое шахматы? Если вы хотите ответить «нет», я отсылаю вас к Эмануилу Ласкеру, многократному чемпиону мира по шахматам с 1894 по 1921 год[137].

На шахматной доске нет места лжи и лицемерию. Красота шахматной комбинации в том, что она всегда правдива. Беспощадная правда, завершающаяся шахом и матом, ест глаза лицемеру.

Подобные примеры показывают, что есть способы познания, недоступные людям. Но на самом деле это не новость.

Геномы людей и других земных существ — большое хранилище бессознательных знаний. Мы решили множество сложных проблем, возникающих при создании жизнеспособных организмов, и выполнили трюки, которые и представить не может техническая мысль. Мы «научились» этому в ходе длительной, неэффективной биологической эволюции, а не с помощью логических рассуждений. И мы определенно не знаем на сознательном уровне всего, что знаем. Например, как с огромной скоростью обрабатывать визуальную информацию или как заставлять тело оставаться в вертикальном положении, ходить и бегать.

Способность наших машин выполнять длительные, но точные вычисления, хранить огромное количество информации и чрезвычайно быстро учиться на практике уже открывает новые возможности понимания. Они будут сдвигать границы познания в таких направлениях и позволят забираться в такие места, которые без их помощи недоступны для человеческого мозга. И они, конечно, помогут нам в исследованиях.

Особое качество людей, которого нет ни у эволюционного механизма, ни (пока что) у машин, — способность распознавать пробелы в нашем понимании и получать удовольствие от их заполнения. Это ценное и мощное наше свойство — умение видеть загадки. И оно дает нам немало преимуществ.

Глава 10. На все можно смотреть с разных сторон

Мерилом развитого интеллекта является способность одновременно удерживать в уме две противоположные идеи и при этом сохранять способность действовать.

Фрэнсис Скотт Фицджеральд

Ясно, что эта комплементарность опровергает схоластическую онтологию. Что есть истина? Мы задаем вопрос Пилата не в скептическом, антинаучном смысле, а, скорее, в уверенности, что дальнейшая работа над этой новой ситуацией приведет к более глубокому пониманию физического и ментального мира.

Арнольд Зоммерфельд

Дополнительность (или комплементарность) в самой фундаментальной форме — концепция, согласно которой одна и та же вещь, если рассматривать ее с разных точек зрения, обладает очень разными, даже взаимоисключающими свойствами. И такое отношение к опыту и проблемам я считаю чрезвычайно полезным. Оно открывает глаза. Оно изменило мое мировоззрение, помогло мне стать великодушнее и терпимее, а также развить воображение. Теперь я хотел бы вместе с вами проанализировать эту расширяющую кругозор идею, как я ее понимаю.

Мир прост и сложен, логичен и странен, закономерен и хаотичен. Фундаментальные законы не объясняют эту двойственность — на самом деле, как мы видели, они высвечивают ее и углубляют. Природа людей тоже двойственна: мы крошечные и огромные, эфемерные и долгоживущие, мудрые и невежественные. Невозможно судить о физической реальности, по-настоящему не прочувствовав принцип дополнительности. Невозможно и понять без него самих себя.

Первым этот принцип сформулировал великий датский ученый Нильс Бор. По одной версии, Бор почерпнул его из опыта работы с квантовой физикой, а по другой — пришел к такому образу мыслей раньше, естественным образом, и как раз это сделало возможными его уникальные открытия. Некоторые биографы Бора объясняют все влиянием Сёрена Кьеркегора, датского мистика и философа, которым Бор восхищался.

Между первыми приблизительными представлениями о квантовом поведении, относящимися примерно к 1900 году, и созданием современной квантовой теории в конце 1920-х был период напряженных раздумий. Тогда казалось невозможным согласовать результаты различных экспериментов. Бор строил причудливые модели, которые объясняли одни наблюдения и игнорировали другие. Альберт Эйнштейн написал о его работе:

Мне всегда казалось чудом, что этой колеблющейся и полной противоречий основы оказалось достаточно, чтобы позволить Бору — человеку с гениальной интуицией и тонким чутьем — найти главнейшие законы <…> атомов, включая их значение для химии. Это мне кажется чудом и теперь. Это наивысшая музыкальность в области мысли.

Исходя из этого опыта, Бор развил принцип дополнительности в мощный метод, позволяющий проникнуть в суть вещей. Из точных наук этот мудрый метод перекочевал и в философию.

В квантовой механике ключевой способ описания объекта, будь то электрон или слон, — его волновая функция. Волновая функция объекта — своего рода заготовка, которую мы можем превратить в прогнозы относительно его поведения. Мы можем совершать с волновой функцией разные манипуляции, получая ответы на разные вопросы. Если мы хотим предсказать, где будет находиться объект, мы должны обработать его волновую функцию одним способом, а если интересуемся скоростью — то другим.

Если не вдаваться в детали, эти два способа исследования волновой функции похожи на два способа анализа музыкального произведения: гармонический и мелодический. Гармонический анализ локален, только, в отличие от частицы, здесь отслеживается не точка в пространстве, а момент времени. Мелодический анализ исследует более общие свойства. Гармония — аналог местоположения, а мелодия — скорости.

Мы не можем провести эти два вида анализа одновременно. Они мешают друг другу. Если вы хотите узнать о местоположении, придется обработать информацию о волновой функции таким образом, что будут уничтожены данные о скорости, и наоборот.

Хотя точные детали сложны, я все же подчеркну: все сказанное основывается на прочном математическом фундаменте. В современной квантовой теории дополнительность — факт, а не голословное утверждение.

До сих пор я обсуждал принцип квантовой дополнительности, используя такие понятия, как волновые функции и обработка информации. Но мы можем рассмотреть ситуацию более конкретно, с другой — экспериментальной — точки зрения. Вместо того чтобы спросить, как исследовать волновую функцию частицы и сделать прогнозы о ее поведении, мы спросим, как нам взаимодействовать с частицей, чтобы измерить ее свойства.

В рамках математического аппарата квантовой механики комплементарность положения частицы и ее скорости формулируется как теорема. Но так можно описать природу, а не раскрыть истину. В действительности многие основатели квантовой теории, включая Эйнштейна, скептически относились к ее сложившейся математической форме. Из невозможности квантовой теории одновременно предсказать положение и скорость должна следовать наша неспособность одновременно измерять эти свойства в эксперименте. Иначе нам потребовался бы новый математический аппарат, пригодный для описания таких измерений.

Вскоре после того, как молодой Вернер Гейзенберг заложил основы современной квантовой теории, он осознал ее поразительный математический результат: положение и скорость не измерить одновременно. Он сформулировал этот вывод как «принцип неопределенности». И ключевой вопрос, который он ставит, таков: правильно ли описываются конкретные факты, то есть события, которые мы наблюдаем в физическом мире? Гейзенберг, а затем Эйнштейн и Бор — все они ломали голову над ответом.

На уровне физического поведения комплементарность отражает два ключевых момента. Первый заключается в том, что для измерения свойств чего-либо вы должны с этим чем-либо взаимодействовать. Другими словами, наши измерения не фиксируют реальность, а только «берут с нее пробу». Вот как это изложил Бор:

В квантовой теории <…> логическое осмысление ранее неизвестных фундаментальных закономерностей <…> потребовало осознания того, что невозможно провести четкое разделение между независимым поведением объектов и их взаимодействием с измерительными приборами.

Второй ключевой момент, усиливающий первый, таков: точные измерения требуют сильного взаимодействия с измерительными приборами.

Помня об этом, Гейзенберг рассмотрел множество способов измерить положение и скорость элементарных частиц и обнаружил, что все они согласуются с его принципом неопределенности. Этот анализ укрепил уверенность в том, что странный математический аппарат квантовой теории — отражение странных явлений в физическом мире.

Факт, что наблюдение — активный и «агрессивный» процесс — стал отправной точкой анализа Гейзенберга. Без него мы не можем использовать математический аппарат квантовой теории для описания физической реальности. Однако это разрушает модель мира, которую мы выстраиваем в детстве. Согласно ей, существует точная граница между нами самими и внешним миром, обладающим свойствами, которые мы открываем путем наблюдений. Осмыслив открытия Гейзенберга и Бора, мы понимаем: это не так. Наблюдая за миром, мы участвуем в его построении.

Гейзенберг работал над принципом неопределенности в Институте Нильса Бора в Копенгагене. У этих двух создателей квантовой теории были горячие дискуссии, и между ними возникли своего рода отношения наставничества. Ранние идеи Бора о дополнительности возникли как интерпретация работ Гейзенберга.

Эйнштейн не разделял мнения Бора и Гейзенберга. Ему не нравилась идея комплементарности — сама мысль, что могут быть правильные, но несовместимые точки зрения. Он надеялся, что возникнет более полное понимание, которое объединит их, — например, что найдется способ измерить одновременно и положение, и скорость (или импульс[138]) частицы. Он уделял серьезное внимание этой проблеме. Его остроумные мысленные эксперименты были сложнее, чем те, которые предлагал Гейзенберг.

Свои знаменитые дебаты с Эйнштейном Бор описывает в обзорной статье «Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории познания в атомной физике». Там Эйнштейн использует серию мысленных экспериментов, оспаривающих некоторые аспекты квантово-механической комплементарности, особенно комплементарность энергии и времени. Отвечая на эти доводы, Бор смог найти тонкие изъяны в анализе Эйнштейна и отстоять физическую непротиворечивость квантовой теории.

Эти дебаты, как и дальнейшие, прояснили природу квантовой теории, и до настоящего времени ее правильность не оспаривалась всерьез. Люди использовали квантовую теорию для создания множества чудесных устройств, от лазеров до айфонов и GPS-навигаторов. Эти устройства вполне работоспособны. Если «то, что не убивает» правда «делает нас сильнее», то позиции квантовой теории и вытекающей из нее комплементарности теперь реально сильны.

Кстати, если вам интересно, что все это означает на примере упомянутого в начале раздела слона, ответ такой: хотя для слона квантовая неопределенность в принципе присутствует, о ней можно спокойно забыть. У нас не возникает проблем с измерением положений и скорости слона с точностью, достаточной для практических задач. Неопределенность этих параметров по сравнению с их реальными величинами ничтожно мала. Другое дело — электроны в атомах.

Еще один источник комплементарности — разные уровни описания. Иногда описание системы, использующее одну модель, при работе с ней становится слишком сложным, чтобы ответить на важные вопросы. Тогда мы можем найти дополнительную модель, основанную на других идеях.

Простой пример объяснит эту значимую, полезную, практичную идею как нельзя лучше. Горячий газ, заполняющий воздушный шар, состоит из огромного количества атомов. Если бы мы хотели предсказать поведение газа, применяя ко всем этим атомам законы механики, то столкнулись бы с двумя большими проблемами.

• Даже если бы мы ограничились рамками классической механики, нам нужно было бы знать положение и скорость каждого атома в начальный момент времени. Сбор и хранение такого количества данных совершенно непрактичны. Использование квантовой механики только усугубило бы проблему.

• Даже если бы мы получили и сохранили данные, еще непрактичнее было бы при помощи вычислений отслеживать изменения в движениях частиц.

Несмотря на это, опытные экипажи уверенно управляют воздушными шарами. В некоторых отношениях поведение воздуха легко предсказуемо.

Используя совершенно другие концепции, мы можем найти простые законы, описывающие поведение воздуха в макромасштабах, — в терминах плотности, давления и температуры. Именно эти параметры помогают ответить на вопросы, возникающие у пилотов аэростатов. Да, описание на уровне атомов гораздо информативнее, но большая часть этой информации будет совершенно бесполезна для вас, если вы захотите полетать (и даже хуже: она отвлечет ваше внимание).

Рассмотрим, например, положение и скорость любого конкретного атома, которые в результате его движения быстро меняются. Фактическая траектория атома сильно зависит от точных начальных значений, а также от того, что делают другие атомы. Таким образом, информацию о положении и скорости конкретной частицы чрезвычайно сложно вычислить и она быстро устаревает. Плотность, давление и температура в этом отношении намного полезнее. Открытие и количественное определение этих простых, стабильных свойств, дающих ответы на важные вопросы, стало крупным научным достижением.

Большая часть деятельности ученых сводится к поиску как раз таких свойств. Иногда мы называем их эмерджентными[139]. (Мы уже сталкивались с этой концепцией ранее, в главе 7, но под несколько другим углом.)

Найти полезные эмерджентные свойства и научиться их использовать — большая удача. За свою историю естественные науки обогатились множеством важных эмерджентных свойств (энтропия, химическая связь, жесткость и так далее), и на их основе удалось построить множество полезных моделей.

Подобные вопросы возникают и за пределами естественных наук. К примеру, нам хотелось бы составить более адекватное представление о поведении людей или о фондовом рынке. Анализ этих явлений на «атомарном» уровне, основанный на изучении поведения отдельных нейронов или отдельных инвесторов, не говоря уже о поведении кварков, глюонов, электронов и фотонов, которые их образуют, невероятно сложен. И если ваша цель — наладить отношения с людьми или заработать денег путем инвестирования, такой подход бессмыслен.

Вместо этого для ответов на наши масштабные вопросы мы обращаемся к различным концепциям из книг по психологии и экономике. Они предлагают нам модели людей и рынков, дополняющие «атомарные». В области психологии и экономики у нас пока не слишком много моделей, работающих так же надежно, как модели газов, созданные физиками. Но поиск продолжается.

Описание действительности в терминах ее самых элементарных строительных блоков — огромное удовольствие. Заманчиво было бы думать, что этот способ идеален, в то время как другие описания высокого уровня — лишь приближенные компромиссы, которые отражают слабость понимания. Такое отношение делает совершенное врагом хорошего. На первый взгляд оно выглядит глубоким, но на самом деле поверхностно.

Чтобы ответить на интересующие нас вопросы, часто нужно изменить точку зрения. Открытие новых концепций и изобретение способов работы с ними — нескончаемая творческая деятельность. Специалисты в области информатики и инженеры-программисты хорошо понимают, что при написании полезных алгоритмов важен способ представления данных. Он отличает полезную информацию от той, которая «в принципе» существует, но в реальности недоступна, поскольку на ее поиск и обработку уйдет слишком много времени и усилий. Это похоже на различие между обладанием золотыми слитками и знанием факта, что в океанской воде в принципе растворено огромное количество атомов золота.

По этой причине полное понимание фундаментальных законов, если бы мы когда-либо его достигли, не было бы ни «Теорией всего», ни «Концом науки»[140]. Нам по-прежнему будут нужны взаимодополняющие описания реальности. На многие серьезные вопросы ответов еще нет, впереди немало масштабной научной работы.

И так будет всегда.

Примеры в искусстве

Моя подруга-музыкант Минна Пёлланен привела прекрасный пример комплементарности в своей области. Я кратко упомянул его ранее. В полифонической музыке две очень разные вещи происходят одновременно: каждый голос ведет свою мелодию, а в ансамбле все они создают гармонию. Мы можем прислушаться к мелодии или гармонии. И то и другое важно. Можно переключаться с одного на другое, но, вообще говоря, слышать все одновременно не получится.

Пикассо и кубисты создали визуальное искусство, которое тоже демонстрирует комплементарность. На одной картине они изображали сцену под разными углами зрения, привлекая внимание к тем деталям, которые считали важными. Маленькие дети на рисунках делают то же. Причудливые комбинации и расположение рядом предметов, увиденных под разными углами, подчеркивают различные точки зрения. Вроде бы они противоречат друг другу и в физическом мире не могут быть реализованы одновременно. Такая простодушная комплементарность в детских рисунках может выглядеть очаровательно, а в работах мастеров — гениально.

Модели людей — свобода и детерминизм

Мы конструируем мысленные модели людей, пытаясь ответить на вопросы об их поведении. Например, чтобы предсказать, как кто-то будет взаимодействовать с другими в определенной ситуации, мы рассмотрим его личность, эмоциональное состояние, историю жизни, культуру, в которой он родился, и так далее. Короче говоря, мы построим модель его сознания и мотивов. Концепция воли — выборов, которые делает сознание, — займет здесь центральное место.

С другой стороны, пытаясь предсказать, что произойдет с тем же человеком в эпицентре ядерного взрыва, мы используем совсем иную модель, основанную на физике. Здесь сознание и воля вообще не будут играть никакой роли.

Обе модели — одна основанная на работе сознания и психологии, другая на материи и физике — верны. Каждая успешно решает свою задачу, но ни одна не является полной и не может заменить другую. Люди действительно делают выбор, и их тела действительно подчиняются физическим законам. Это реалии повседневной жизни. В соответствии с принципом дополнительности мы принимаем и ту и другую модель, понимая, что они не конфликтуют. Факты не могут опровергнуть другие факты — лишь отражают разные способы обращения с реальностью.

Есть ли у людей свобода воли или они просто куклы, танцующие под дудку математической физики? Этот вопрос так же неправилен, как и другой: является ли музыка гармоничной или мелодичной.

Свобода воли — важное понятие в юриспруденции и морали, в то время как физика обходится без него.

Удаление свободы воли из законодательства или введение ее в физику повредило бы и тому и другому. Это совершенно не нужно! Свобода воли и физический детерминизм — комплементарные аспекты реальности.

Комплементарность, расширение сознания и терпимость

Давайте я переформулирую основные выводы из принципа комплементарности.

• Вопросы, на которые вы хотите получить ответы, определяют концепции, которые вы должны использовать.

• Различные (а иногда даже несовместимые) способы анализа одного и того же явления могут дать о нем достоверную информацию.

Таким образом, комплементарность — приглашение рассмотреть явление с разных точек зрения. Вдохновленные ею вопросы и подходы дают нам проверить новые точки зрения и извлечь из них уроки. Так мы открываем свежие факты и расширяем кругозор.

Почему бы не использовать эти идеи, разрешая предполагаемые конфликты между искусством и наукой, или философией и наукой, или религией А и религией Б, или религией и наукой?

Полезно взглянуть на мир под разными углами.

Лично меня раннее знакомство с католицизмом подтолкнуло к тому, чтобы мыслить глобально и искать скрытые смыслы за внешней оболочкой вещей.

Я продолжил делать это и после того, как отказался от строгих догм веры. Сегодня я часто обращаюсь к Платону, Аврелию Августину, Дэвиду Юму и «устаревшим» научным работам — Галилея, Ньютона, Дарвина, Максвелла, — чтобы пообщаться с великими мыслителями и порассуждать по-другому.

Конечно, попытка понять различные способы мышления не означает необходимость соглашаться с ними, а тем более перенимать их. Мы должны сохранять независимость. Идеологии или религии, претендующие на исключительное право диктовать однозначно «правильные» взгляды, противоречат духу комплементарности.

Тем не менее у науки — особый статус. Благодаря множеству впечатляющих успехов она заслужила огромное доверие как своим пониманием основ физической реальности, так и методами ее анализа. «Кабинетные» ученые узкого профиля теряют шанс обогатить свой ум, а люди, избегающие науку, — обедняют свой.

Точность и постижимость

Развитие суперкомпьютеров и искусственного интеллекта меняет как вопросы, которые мы можем задавать, так и ответы, которые мы можем искать. Сам Бор полушутя говорил о комплементарности ясности и истинности. Это, конечно, гипербола: есть вещи, такие как основы арифметики, которые одновременно и ясны, и верны. Но успешные модели, требующие сверхчеловеческих вычислений, обнаруживают сходную, весьма серьезную комплементарность.

Чемпионами по шахматам и го, искусство игры в которые когда-то считалось признаком интеллекта, теперь стали компьютеры. В обширной литературе, посвященной этим играм, великие мастера делятся концепциями и секретами, благодаря которым добились успехов. Но современным чемпионам — компьютерам — это не нужно. Концепции людей приспособлены к мозгу, обладающему феноменальной способностью использовать образы и обрабатывать разную информацию параллельно, но имеющему относительно слабую память и работающему с относительно малой скоростью. Компьютер находит совершенно новые концепции, а также перенимает лучшие из человеческих, просто играя против самого себя одну партию за другой и отбирая наиболее результативные методы. Другими словами, искусственный интеллект следует научному методу обучения с помощью эксперимента.

В квантовой хромодинамике — нашей теории сильных взаимодействий — возникли концепции, призванные преодолеть разрыв между основными уравнениями для кварков и глюонов и более сложными объектами, которые в конечном счете появляются в природе. Эти концепции помогли людям разобраться в проблеме. Однако сегодня разумнее и эффективнее делегировать подобные вычисления суперкомпьютерам с минимальным количеством инструкций.

Эти примеры отличаются ясностью и правдивостью. Основной феномен, который они иллюстрируют и который, вероятно, получит широкое распространение, состоит в следующем: мыслящие машины могут открывать и использовать модели, которые «невооруженному» человеческому мозгу не подходят.

В двух словах можно сказать, что постижимость человеческим сознанием и точное представление комплементарны.

Смирение и самоуважение

Я считаю комплементарность смирения и самоуважения центральным выводом из наших основных принципов. Этот мотив повторяется как тема со многими вариациями. Безбрежность космоса подчеркивает нашу малость, но в нас самих — множество нейронов и еще гораздо больше атомов, из которых они состоят. Продолжительность космической истории намного превышает срок нашей жизни, но у нас есть время для огромного количества мыслей. Космические энергии несравнимы с тем, чем располагает человек, но все же у нас достаточно сил, чтобы жить, развиваться и активно участвовать в жизни других людей. Мир сложен и изобилует загадками, а наши возможности постичь его ограничены, но мы много знаем и узнаём все больше. Скромность необходима нам, но и самоуважение — тоже.

Могут пройти многие десятилетия, прежде чем автономный многофункциональный искусственный интеллект достигнет человеческого уровня. Но мотивация так сильна, а прогресс настолько неумолим, что, если отбросить вероятность катастрофических войн, эпидемий или изменений климата, этот процесс, вероятно, займет всего одно или два столетия. Учитывая преимущества машин в скорости мысли, возможностях восприятия и физической мощи, интеллектуальное первенство перейдет от слегка приодетых Homo sapiens к киборгам и сверхразуму.

Возможно также, что генная инженерия позволит создать существ со сверхчеловеческими способностями. Они будут умнее нас, сильнее и (я надеюсь и жду) будут обладать большей эмпатией.

Понятно, что эти яркие перспективы на самом деле добавляют современным мыслящим людям новые комплексы неполноценности. Тем не менее самоуважение по-прежнему необходимо. В трогательном отрывке из романа 1935 года «Странный Джон» Олафа Уильяма Стэплдона — выдающегося научного фантаста — его герой, сверхчеловек (мутант), описывает Homo sapiens как «археоптерикса духа»[141]. Он говорит это своему другу и биографу — обычному человеку.

Археоптерикс был благородным существом и, как я подозреваю, не несчастным. Летал, возможно плохо, но лучше, чем наши сородичи, и лучше, чем наши предки, и это был пьянящий опыт. Слава археоптерикса умножена, а не преуменьшена выдающимися способностями его потомков.