Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

Лиза Рэндалл

Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

Издание подготовлено при поддержке Фонда Дмитрия Зимина «Династия»

Перевод Наталья Лисова

Научные консультанты Михаил Ревнивцев, д. ф.-м. н., Дмитрий Горбунов, к. ф.-м. н.

Редактор Юлия Быстрова

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректор М. Савина

Компьютерная верстка А. Фоминов

Дизайнер обложки Ю. Буга

© Lisa Randall, 2011

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2014

Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2002 г. Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком». Приоритетные направления деятельности Фонда – поддержка фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещение. В рамках программы по популяризации науки Фондом запущено несколько проектов. В их числе – сайт elementy.ru, ставший одним из ведущих в русскоязычном Интернете тематических ресурсов, а также проект «Библиотека «Династии» – издание современных научно-популярных книг, тщательно отобранных экспертами-учеными. Книга, которую вы держите в руках, выпущена в рамках этого проекта. Более подробную информацию о Фонде «Династия» вы найдете по адресу www.dynastyfdn.ru.

Все права защищены. Никакая часть электронной версии этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для частного и публичного использования без письменного разрешения владельца авторских прав.

© Электронная версия книги подготовлена компанией ЛитРес ()

* * *

Введение

Мир стоит на пороге великих открытий. Сегодня проводятся самые масштабные и интересные в истории эксперименты в области физики элементарных частиц и космологии, и самые талантливые физики и астрономы мира объединяют усилия для анализа их результатов. Возможно, в ближайшее десятилетие ученые обнаружат то, что изменит наши представления о фундаментальном строении вещества и структуре самого пространства; не исключено даже, что наши представления о природе реальности станут более полными. Ученые, которые вплотную занимаются этими вопросами, уверены, что новые факты не просто дополнят уже имеющиеся. Мы с нетерпением ждем открытий, которые приведут к зарождению принципиально новой парадигмы структуры Вселенной и изменят представление об ее устройстве, сложившееся на основании прошлых открытий.

10 сентября 2008 г. произошло историческое событие – первый пробный пуск Большого адронного коллайдера (БАК), на который все мы возлагаем большие надежды. Слово «большой» в названии относится не к адронам, а к самому коллайдеру. Основа БАКа – громадный кольцевой туннель длиной 26,6 км[1], расположенный между горами Юра и Женевским озером и дважды пересекающий франко-швейцарскую границу. Электрические поля внутри этого туннеля разгоняют два пучка частиц, в каждом из которых движутся миллиарды протонов (протоны принадлежат к классу элементарных частиц, известных как адроны, поэтому коллайдер – адронный); частицы носятся по окружности, делая за одну секунду примерно 11 000 оборотов.

Коллайдер служит площадкой для крупнейших экспериментов из тех, какие когда-либо ставились на Земле. Цель ученых – провести детальные исследования структуры материи на невозможных доселе расстояниях и при более высоких энергиях, чем когда-либо прежде. При таких энергиях должен возникнуть целый ряд необычных элементарных частиц; кроме того, предположительно должны возникнуть взаимодействия, имевшие место при рождении Вселенной – примерно через одну триллионную долю секунды после Большого взрыва.

При проектировании Большого адронного коллайдера пришлось задействовать всю изобретательность ученых и инженеров и все возможности современной техники; его строительство также оказалось сложнейшей задачей. К огромному разочарованию ученых и сочувствующих, всего через девять дней после первого успешного пуска в коллайдере из-за некачественной пайки в одном из контактов произошла авария. Однако осенью 2009 г. БАК вернулся в строй и заработал даже лучше, чем кто-либо надеялся. Так многолетние ожидания стали реальностью.

Весной того же года с космодрома во Французской Гвиане были запущены научно-исследовательские космические аппараты – крупнейший космический телескоп Herschel и космическая обсерватория Planck. Я узнала об этом от группы радостно возбужденных астрономов Калифорнийского технологического института. Они встречали 13 мая в 5:30 утра в Пасадене, а я гостила там, чтобы удаленно наблюдать за эпохальным пуском. Миссия Herschel – прояснить процессы формирования и эволюции звезд и галактик, а Planck – передать на Землю подробные данные об остаточном излучении, сохранившемся после Большого взрыва, что позволит больше узнать о начальном периоде эволюции нашей Вселенной. Надо сказать, что космический запуск всегда вызывает радость и тревогу одновременно – ведь от 2 до 5 % их заканчиваются неудачей, и тогда пропадают годы работы над специализированным научным оборудованием спутника, который вместе с ракетой падает обратно на Землю. К счастью, этот пуск прошел успешно, и весь день приходила информация о благополучном ходе полета. Тем не менее пройдет еще не один год, прежде чем Herschel и Planck передадут нам ценнейшую информацию о звездах и Вселенной.

* * *

На сегодняшний момент физика дает прочную базу для наших знаний о том, как функционирует Вселенная на самых разных пространственных масштабах и при самых разных энергиях. Теоретические и экспериментальные исследования позволили ученым глубоко понять элементы и структуры – от самых крошечных до громадных. Со временем нам удалось восстановить подробную и непротиворечивую картину того, как из отдельных кусочков складывается целое. Физические теории описывают, как развивался космос: из крошечных составляющих сформировались атомы, которые в свою очередь слились в звезды, а те – образовали галактики и более крупные структуры, разбросанные по Вселенной. Затем некоторые звезды взорвались и породили тяжелые элементы, которые попали в нашу Галактику и в Солнечную систему, – без них в конечном итоге не возникла бы жизнь. На базе надежных и обширных сведений, полученных при помощи БАКа и космических аппаратов, физики надеются расширить наши представления об окружающем мире и достигнуть большей точности, чем когда-либо прежде. Это рискованная и амбициозная затея.

Вероятно, вам доводилось слышать четкое и на первый взгляд точное определение науки, противопоставляющее ее всевозможным системам верований, таким как религия. Однако реальная история развития науки далеко не проста. Нам, безусловно, нравится думать – по крайней мере сама я поначалу думала именно так, – что наука достоверно отражает реальность и правила, которым подчиняется физический мир. Но актуальные исследования почти неизбежно проходят в ситуации неопределенности, когда мы надеемся, что продвигаемся вперед, но не до конца в этом уверены. Чтобы достойно ответить на вызовы, ученый должен рождать перспективные идеи и при этом всегда сомневаться в них, проверять истинность их самих и вытекающих из них следствий. Научные исследования неизбежно балансируют на грани сложных, иногда противоречивых или конкурирующих, но, как правило, чрезвычайно интересных идей. Задача ученых – расширять пределы человеческих знаний. Но, когда жонглирование данными, концепциями и уравнениями только начинается, их интерпретация часто остается неясной – причем для всех, включая и самих ученых.

Мои исследования сосредоточены на теории элементарных частиц (самых маленьких из известных нам объектов), но иногда затрагивают и теорию струн, и космологию (самые крупные объекты). Мы с коллегами пытаемся понять, что лежит в основе материи, что находится там, далеко во Вселенной, и как связаны между собой все фундаментальные величины и свойства, обнаруженные экспериментальным путем. Физики-теоретики не проводят настоящих экспериментов, цель которых – определить, какие из имеющихся теорий применимы в реальном мире. Вместо этого мы пытаемся предсказывать возможные выводы из того, что могут дать эксперименты, и разрабатываем новые способы проверки идей. Ответы на вопросы, которые мы пытаемся отыскать, вряд ли изменят в ближайшем будущем нашу повседневную жизнь. Но в итоге они, возможно, помогут нам понять, кто мы и откуда взялись.

Эта книга – о наших исследованиях и важнейших научных вопросах, стоящих перед человечеством. Новые открытия в физике частиц и космологии способны радикально изменить наши представления о мире: о его устройстве, эволюции и силах, им управляющих. В книге рассказывается об экспериментальных исследованиях на базе Большого адронного коллайдера и о теоретических работах, в которых ученые выступают как провидцы. В ней говорится также о космологических исследованиях – о том, как человек пытается проникнуть в суть Вселенной, особенно так называемой «темной» материи.

Но это еще не все. Здесь рассматриваются и более общие вопросы, свойственные любым научным поискам. Наряду с описанием исследований, идущих в авангарде современной науки, я пытаюсь прояснить для читателя природу науки. Вы узнаете, как ученые решают, какие именно вопросы перед собой ставить, почему они не всегда могут договориться даже об этом и как верные научные идеи в конце концов побеждают. Я рассказываю, какими путями развивается наука и чем она принципиально отличается от иных способов поиска истины, стараюсь раскрыть философские основы науки и описать промежуточные этапы, когда еще неясно, чем закончится дело и кто окажется прав. Кроме того – и это не менее важно, – книга показывает, как научные идеи и методы применяются вне науки и способствуют более разумному принятию решений во всех сферах жизни.

Эта книга предназначена для всех, кто хотел бы получить лучшее представление о текущем состоянии теоретической и экспериментальной физики, а также о природе современной науки и принципах здравой научной мысли. Люди часто не понимают, что такое наука и что человечество может узнать с ее помощью. И книга – моя попытка развенчать некоторые неверные представления и, возможно, выразить собственное раздражение от того, как сейчас понимают и применяют науку.

Несколько последних лет подарили мне уникальные впечатления и беседы, которые многому меня научили, и мне хотелось бы поделиться ими. Я не являюсь специалистом во всех областях, которые затрагиваю, да и рассмотреть их здесь сколько-нибудь подробно невозможно. Но все же я надеюсь, что эта книга поможет читателю распознать самые надежные источники научной информации – или дезинформации, – что, безусловно, пригодится в будущем при самостоятельном поиске ответов. Некоторые мои соображения могут показаться очевидными, но более полное представление о том, как устроена современная наука, поможет лучше разобраться и в текущих исследованиях, и в проблемах, с которыми сталкивается в наши дни человечество.

Сегодня, в эпоху приквелов, вряд ли кого-то удивит, что в этой работе содержится как бы предыстория сюжета моей предыдущей книги «Закрученные пассажи»[2] и одновременно – информация о том, как обстоят дела в сегодня и чего мы ждем в будущем. Она заполняет пробелы – описывает научную базу новых идей и открытий – и объясняет, почему мы в настоящий момент с нетерпением ждем появления новых данных.

В книге подробности самых современных научных исследований чередуются с размышлениями о темах и концепциях, на которых зиждется наука и которые помогают разобраться в окружающем мире. Часть I, главы 11 и 12 части II, главы 15 и 18 части III и финальная часть VI (подведение итогов) больше рассказывают о научном мышлении, тогда как в остальных главах говорится преимущественно о физике – о сегодняшнем ее состоянии и о том, как мы к нему пришли. В определенном смысле это две книги в одной, но читать их лучше всего вместе. Кому-то может показаться, что современная физика слишком далека от повседневной жизни, чтобы быть понятной; однако знакомство с базовыми философскими и методологическими концепциями, направляющими нашу мысль, поможет прояснить для себя как сущность науки, так и значение научного мышления как такового, в чем мы убедимся на множестве примеров. И наоборот, полное понимание базовых элементов научного мышления достигается лишь на примерах из прикладной науки. Желающие могут, разумеется, бегло просмотреть или вообще пропустить одну из двух частей, но следует иметь в виду, что лишь вместе они образуют гармонию.

Ключевую роль на протяжении всей книги будет играть понятие масштаба. Законы физики – это те рамки, которые соединяют теоретические и физические описания в единое логически последовательное целое – от мельчайших сгустков частиц, которые в настоящее время исследуются на БАКе, до громадного космоса[3]. Категория масштаба принципиально важна как для нашего мышления, так и для конкретных фактов и идей, с которыми мы будем иметь дело. Признанные научные теории имеют свое применение на доступных нам масштабах. Но, по мере того как мы получаем все новые данные о неисследованных прежде объектах (больших и маленьких), эти теории постепенно поглощаются другими, все более точными и фундаментальными. В главе 1 мы попытаемся определить элементы масштаба и объяснить, почему в физике так важно классифицировать объекты по размерам и как новые научные достижения выстраиваются на фундаменте прежних.

Кроме того, в части I сравниваются различные способы получения знаний. Спросите, что представляют люди, когда думают о науке, и, скорее всего, вы получите абсолютно разные ответы. Некоторые скажут, что наука – это жесткие неизменные утверждения об устройстве физического мира. Другие определят науку как набор принципов, которые постоянно заменяются другими, а третьи заявят, что наука – это не что иное, как еще одна система верований, и ничем качественно не отличается от философии или религии. И все будут неправы.

В постоянных ожесточенных спорах, в том числе и внутри научного сообщества, нет ничего удивительного; главная причина здесь – непрерывная эволюция самой науки. В этой части мы немного поговорим об истории науки; это поможет читателю понять, как сегодняшние исследования вырастают из интеллектуальных прорывов XVII в., и вспомним некоторые не самые известные факты давней дискуссии между наукой и религией и их противостояния, возникшего примерно в то же время. Речь пойдет также о материалистических взглядах и о том, к каким неудобным следствиям они приводят в вопросе о науке и религии.

Часть II обращается к физической структуре материального мира и составляет примерную карту предстоящего научного путешествия: от материи знакомых и привычных масштабов мы двинемся вниз, к мельчайшим объектам, проводя одновременно их классификацию. Мы покинем знакомую территорию и перейдем к объектам субмикроскопическим, внутреннюю структуру которых можно исследовать лишь при помощи гигантских ускорителей частиц. Закончится раздел краткой информацией о наиболее крупных текущих экспериментах – Большом адронном коллайдере и астрономических исследованиях самого начала эволюции Вселенной.

Всякое интересное научное открытие потенциально способно радикально изменить наше мировоззрение: это в полной мере относится к нынешним амбициозным проектам. В части III мы начнем подробнее разбираться в работе БАКа и в том, как это громадное устройство создает и сталкивает между собой протонные пучки; цель эксперимента – получение новых частиц, которые расскажут нам об устройстве мельчайших обнаруженных объектов. В этом разделе объясняется также, как ученые, проводящие эксперимент, собираются интерпретировать полученные данные.

Европейский центр ядерных исследований – CERN[4] (равно как и лживый голливудский блокбастер «Ангелы и демоны») – много сделал для популяризации физики элементарных частиц и ее экспериментальной стороны. Многие слышали о гигантском ускорителе частиц, который будет сталкивать между собой высокоэнергетические протоны и создавать в крохотном пространстве невиданные прежде формы материи. Сегодня БАК работает и готов изменить наши взгляды на фундаментальную природу материи и пространства. Но мы пока не знаем, что именно обнаружится с его помощью.

В ходе нашего научного путешествия мы поразмышляем о научной неопределенности и о том, что на самом деле могут показать измерения. Исследования по самой природе своей пересекают грань непознанного. Эксперименты планируются таким образом, чтобы уменьшить или устранить как можно больше неопределенностей. Тем не менее, хотя это может показаться парадоксальным, в повседневной научной практике полно неопределенностей. Часть III исследует, как ученые отвечают на современные вызовы и как понимание принципов научного мышления помогает обычному человеку верно интерпретировать наш сложный мир.

В части III рассматривается также пресловутая проблема черных дыр и то, как раздутые по их поводу страхи смотрятся на фоне некоторых реальных опасностей. Мы рассмотрим важные вопросы анализа затрат и результатов и проблему рисков, поговорим о возможных подходах к ним – как в лаборатории, так и вне ее.

Часть IV рассказывает о поиске бозона Хиггса, а также о конкретных моделях – обоснованных предположениях о том, что существует и может быть обнаружено при помощи БАКа. Если эксперименты на коллайдере подтвердят некоторые из предложенных теоретиками идей – или откроют что-нибудь непредвиденное, – их результаты заметно изменят наши представления о мире. В этом разделе объясняется механизм Хиггса, ответственный за появление масс у элементарных частиц, а также проблема иерархии, из которой вытекает, что мы должны обнаружить еще больше частиц. В ней также исследуются модели решения этой проблемы и предсказанные ими экзотические новые частицы, связанные, к примеру, с суперсимметрией или дополнительными пространственными измерениями.

Параллельно с конкретными гипотезами в этой части объясняется, как физики конструируют модели. В ней рассказывается не только о том, что ищут физики с помощью БАКа, но и о том, как они предугадывают, что именно найдут. В этой части описано, как ученые пытаются связать абстрактные на первый взгляд данные, полученные на БАКе, с глубокими и фундаментальными идеями, которые мы в настоящее время исследуем.

После исследования глубин вещества мы обратим в части V взгляд вовне. В то время как БАК исследует самые крохотные материальные объекты, космические аппараты и телескопы, напротив, разбираются с самыми крупными объектами космоса – они пытаются определить, в каком темпе ускоряется расширение Вселенной, и подробно изучают реликтовое излучение, оставшееся со времен Большого взрыва. Совсем скоро нас могут ожидать поразительные открытия в космологии – науке о том, как развивалась Вселенная. В этом разделе мы рассмотрим Вселенную в самом крупном масштабе и обсудим связь космологии и физики элементарных частиц, а также загадочную и неуловимую темную материю и эксперименты, направленные на ее поиски.

Завершит книгу часть VI с размышлениями о творческих возможностях человека и о том, из какого множества разнообразных элементов складывается креативное мышление. Мы обсудим, как человек может получить ответы на глобальные вопросы, совершая мелкие повседневные действия. И в самом конце поговорим о том, почему сегодня так важны наука и научное мышление, а также о симбиозе техники и научного мышления, привнесшем так много прогрессивного в современную жизнь.

Мне часто напоминают, как сложно неученым понимать и оценивать абстрактные идеи, с которыми имеет дело современная наука. Я осознала это в тот момент, когда мне пришлось после публичной лекции о дополнительных измерениях и физике встретиться с группой студентов колледжа. Мне сказали, что все они очень хотят задать мне один вопрос, и я подумала, что они что-то недопоняли в моей лекции. Оказалось, их всех интересовал мой возраст. Однако отсутствие интереса – не единственная проблема, и те студенты все же постепенно перешли к вопросам о науке. Бессмысленно, однако, отрицать, что фундаментальная наука часто абстрактна, и оправдать ее существование в глазах неспециалистов зачастую непросто. С этим препятствием я столкнулась осенью 2009 г. на слушаниях в Конгрессе, где я была вместе с Деннисом Коваром, заместителем директора по физике высоких энергий Управления науки Министерства энергетики США, Пьером Оддоном, директором Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми, и Хью Монтгомери, директором Лаборатории Джефферсона – еще одного центра ядерной физики. В правительственное учреждение я попала впервые со школьных времен – тогда я стала финалисткой научного конкурса, устроенного фирмой Westinghouse, и конгрессмен моего округа Бенджамин Розенталь устроил мне экскурсию; благодаря его великодушию я многое увидела, тогда как остальные финалисты смогли только сфотографироваться с ним.

Во время недавнего визита я вновь получила возможность увидеть кабинеты, в которых делается политика. Зал, где заседает Комитет по науке и технике Палаты представителей, находится в офисном здании Рейберн-Хаус. Мы как приглашенные «свидетели» сидели лицом к конгрессменам. Над головами депутатов висели воодушевляющие высказывания, одно из которых гласило: «Без откровения народ гибнет. (Притчи 29:18)».

Судя по всему, американское правительство не в состоянии обойтись без ссылок на Священное писание даже в зале, где конгрессмены обсуждают исключительно науку и технику. Тем не менее мысль, выраженная в этих словах, благородна и точна, и мы все были бы рады, если бы законодатели про нее не забывали.

Вторая табличка содержала цитату из Теннисона: «Ибо я погружался в будущее так далеко, насколько видят глаза, /И видел образ мира и все его будущие чудеса». Тоже неплохая мысль; пожалуй, об этом действительно стоит помнить, излагая цели наших исследований.

Однако ирония ситуации заключалась в том, что лицом к этим изречениям сидели мы – «свидетели» из мира науки, и без того настроенные в таком ключе. А народные представители сидели прямо под ними и, соответственно, не могли их видеть. Конгрессмен Липински сказал во вступительном слове, что открытия порождают еще больше вопросов и серьезные метафизические проблемы; он признал, что видел таблички с изречениями, но они очень легко забываются. «Мало кто из нас смотрит вверх хотя бы иногда», – сказал он, поблагодарив нас за напоминание.

Оставив интерьер Конгресса в покое, мы, ученые, перешли к делу и попробовали объяснить, почему настоящий период так интересен и беспрецедентен для космологии и физики элементарных частиц. Вопросы конгрессменов иногда были острыми и скептическими, но я могу представить себе, какое сопротивление им приходится преодолевать, объясняя своим избирателям, почему решение прекратить финансирование науки было бы ошибочным даже перед лицом экономического кризиса. Вопросы нам задавали самые разные – подробно расспрашивали о целях конкретных экспериментов, но брали и шире – интересовались ролью науки и тем, куда она ведет человечество.

Периодически конгрессмены покидали зал, чтобы участвовать в голосовании. В промежутках между такими выходами мы приводили примеры благ, полученных в качестве побочного продукта от развития фундаментальной науки. Даже самые общие научные исследования зачастую приносят неожиданные плоды. Мы говорили о том, как Тим Бернерс-Ли придумал Всемирную паутину как средство для обеспечения сотрудничества физиков из разных стран в совместных экспериментах в CERN. Мы обсуждали медицинские приложения, такие как ПЭТ – позитронно-эмиссионную томографию – метод исследования внутренних органов при помощи античастиц, парных к электрону. Мы объясняли важность промышленного производства сверхпроводящих магнитов, которые были разработаны для коллайдера, но сегодня применяются и в магнитно-резонансной томографии. Наконец, мы говорили о применении общей теории относительности в точном прогнозировании, в том числе в работе глобальной навигационной системы GPS, которой мы ежедневно пользуемся.

Конечно, серьезная наука не обязательно приносит немедленные практические плоды. Даже если работа окупается и приносит прибыль, мы редко знаем об этом заранее или даже в момент совершения открытия. Когда Бенджамин Франклин сделал вывод об электрической природе молнии, он никак не мог знать, что скоро электричество изменит лицо планеты. И Эйнштейн, работая над общей теорией относительности, не ждал, что ее можно будет применить в каких-либо практических устройствах.

Таким образом, в тот день мы упирали в первую очередь не на практические приложения научных исследований, а на жизненную важность чистой науки вообще. Наука в Америке имеет несколько сомнительный статус, но сегодня многие уже понимают ее ценность. После Эйнштейна представления общества о Вселенной, времени и пространстве изменились, о чем свидетельствует песня As Time Goes By[5], процитированная в «Закрученных пассажах». Даже язык и стиль мышления меняются по мере того, как человек лучше понимает окружающий мир и развивает в себе новые мыслительные возможности. От того, чем заняты сегодня ученые и как мы все к этому относимся, зависят и наш завтрашний взгляд на мир, и развитие стабильного думающего общества.

Мы живем в невероятно интересное время, когда проводятся самые дерзкие эксперименты в области физики и космологии. В книге мы рассмотрим широкий спектр всевозможных исследований и коснемся разных способов познания мира – через искусство, религию и науку, – но обсуждать будем преимущественно цели и методы современной физики. Ведь даже самые крохотные объекты Вселенной помогают нам понять, кто мы такие и откуда пришли. Крупные структуры проливают свет на наше космическое окружение, а также на происхождение Вселенной. Эта книга о том, что и каким образом мы надеемся найти. Наше путешествие будет полно загадок и приключений – так что добро пожаловать на борт.

Часть I

Масштабирование реальности

Глава 1

Тебе – мало, мне – в самый раз

Среди множества причин, по которым я выбрала своей профессией физику, было желание сделать что-нибудь долговременное, даже вечное. Если, рассуждала я, мне предстоит вложить столько времени, энергии и энтузиазма в какое-то дело, то результат этого дела должен быть истинным и… ну, скажем, остаться навсегда. Как большинство людей, я считала, что научные открытия и идеи выдерживают испытание временем.

Пока я билась над физикой, моя подруга Анна Христина Бюхманн изучала в колледже английский язык. По иронии судьбы, она выбрала своей профессией литературу ровно по той же причине, которая привела меня к физике и вообще к науке. Ее привлекали вдохновенные истории, способные пережить века. Обсуждая с ней много лет спустя роман Генри Филдинга «История Тома Джонса, найденыша», я узнала, что еще студенткой она принимала участие в написании аннотации того самого издания этого романа, которое мне так понравилось.

«Том Джонс» был опубликован 250 лет назад, тем не менее его юмор и затронутые в романе вопросы актуальны по сей день. Попав впервые в Японию, я прочла гораздо более древнее произведение – «Повесть о Гэндзи» – и поразилась тому, насколько современными выглядят его герои, хотя прошла уже целая тысяча лет с тех пор, как Мурасаки Сикибу описала их всех. Гомер создал «Одиссею» еще на 2000 лет раньше. Несмотря на то что и век, и люди там описаны совсем другие, мы до сих пор наслаждаемся рассказом о странствиях Одиссея и неподвластными времени картинами человеческой природы.

Ученые редко читают старые – и тем более древние – научные тексты. Как правило, мы оставляем это занятие историкам и литературным критикам. Тем не менее мы вовсю пользуемся знаниями, накопленными человечеством за многие века, – это можно сказать и о Ньютоне с его XVII в., и о Копернике, жившем еще на сотню лет раньше. Может быть, мы забываем их книги, зато тщательно сохраняем изложенные в них важные идеи.

Разумеется, наука не есть неизменное собрание универсальных законов, которое все мы изучаем в начальной школе. С другой стороны, это и не собрание произвольных правил. Наука – непрерывно развивающийся массив знаний. Многие из гипотез, которые мы в настоящий момент исследуем, окажутся ошибочными или неполными. Научные формулировки, естественно, меняются, по мере того как мы преодолеваем границы известного и вторгаемся в области непознанного, где можно уловить далекий отблеск еще более глубоких истин.

Ученым постоянно приходится сталкиваться с одним занятным парадоксом. Заключается он в том, что в погоне за вечными истинами нам часто приходится работать с идеями, которые мы сами же затем пересматриваем или отбрасываем – иногда под давлением экспериментальных данных, иногда просто с развитием представлений об изучаемом предмете. Прочное ядро проверенных и надежных знаний всегда окружено неопределенностью, которая и представляет предмет текущих исследований. Некоторые горячо обсуждаемые сегодня идеи и предположения будут мгновенно забыты, если завтра более убедительные или полные экспериментальные данные лишат их основы.

Когда Майк Хакаби, кандидат в президенты США от Республиканской партии на выборах 2008 г., предпочел в своих публичных речах сделать ставку на религию, а не на науку – отчасти потому, что научные «верования» меняются, тогда как христиане считают своим учителем вечного Бога, – в этом был резон. Вселенная развивается, и научные знания о ней – тоже. Постепенно ученые снимают с реальности один покров за другим и обнажают то, что скрывается в глубине. Зондируя все более далекие от нас масштабы реальности, мы расширяем и обогащаем представления человечества об окружающем мире. Когда нам удается узнать что-то новое о том, как устроен наш мир, мы делаем шаг вперед, а неизведанное отступает. При этом научные «верования» соответствующим образом изменяются.

Тем не менее сегодня, когда развитие техники позволяет нам выйти на новый уровень наблюдений, мы не спешим отбрасывать теории, которые при доступных прежде масштабах и энергиях или при доступных прежде скоростях и плотностях позволяли строить верные гипотезы. Научные теории растут и расширяются, вбирая в себя новые знания, но их надежная и проверенная основа остается прежней. Таким образом, наука всегда включает старые, подтвержденные знания в более полную картину, которая возникает при очередном расширении возможностей и для экспериментальных наблюдений, и для теоретических исследований. Перемены не обязательно означают, что старые правила неверны; они могут означать, к примеру, что в мельчайших масштабах, где были выявлены новые компоненты, эти правила уже не применимы. Так что массив наших знаний может включать прежние идеи и при этом расширяться со временем, хотя, скорее всего, за его пределами всегда будет лежать обширная область неизведанного. Как путешествия всегда очень интересны, хотя никто не в силах побывать в каждой точке планеты (не говоря уже о космосе), так и расширение представлений о природе материи и Вселенной обогащает нашу жизнь. А неизведанное всегда рядом, оно зовет и вдохновляет на дальнейшие исследования.

В моей собственной области исследований – физике элементарных частиц – рассматриваются все более короткие расстояния между частицами; цель нашей работы – изучать все более крохотные компоненты материи. В текущих экспериментальных и теоретических исследованиях ученые, забираясь все глубже, пытаются раскрыть внутренние тайны материи. Но она, несмотря на часто используемую аналогию, не похожа на русскую матрешку, где в уменьшенном масштабе повторяются точно такие же элементы. Изучение все более мелких расстояний между частицами интересно еще и тем, что правила в этом мире могут меняться с изменением масштабов. Могут проявляться совершенно новые взаимодействия и силы, действие которых на предыдущем уровне исследований, т. е. на больших расстояниях, невозможно было уловить.

Понятие масштаба, которое говорит физикам, о каких размерах и энергиях в данном исследовании идет речь, очень важно для понимания научного прогресса, как и многих других аспектов окружающего мира. Исследования показали, что далеко не во всех процессах ведущую роль играют одни и те же законы физики. Нам приходится соотносить и сравнивать между собой концепции, применимые к явлениям разных масштабов: на одном масштабе лучше применимы одни законы, на другом ведущую роль играют другие. Категоризация явлений и объектов по масштабу позволяет уложить все, что нам известно, в единую непротиворечивую картину.

В этой главе мы увидим, как разделение по масштабам – определение того, о каком масштабе в данном случае идет речь – помогает прояснить идеи (и не только научные), а также то, почему тонкие свойства строительных «кирпичиков» материи так сложно заметить на тех расстояниях, с какими мы имеем дело в повседневной жизни. Разбираясь с этими вопросами, мы поговорим о том, что означают в науке слова «верно» и «неверно» и почему даже радикальные на первый взгляд открытия не обязательно вызывают резкие изменения в наших устойчивых представлениях о мире.

Люди нередко путают развивающееся научное знание с незнанием, а открытие новых физических законов – с полным отсутствием до этого события каких бы то ни было надежных правил. Во время недавней поездки в Калифорнию у меня произошел интересный разговор со сценаристом Скоттом Дерриксоном, который помог мне выделить источник некоторых из этих неверных представлений. В тот момент Скотт работал над парой сценариев, в которых рассматривалась потенциальная связь между наукой и явлениями, которые, как он подозревал, ученые отбросили бы как сверхъестественные. Желая избежать серьезных ошибок, Скотт решил рассказать сюжет своей выдуманной истории физику – а именно мне. Так что мы встретились за ланчем в уличном кафе, чтобы обменяться мыслями и насладиться солнечным лос-анджелесским днем.

Скотт знал, что сценаристы зачастую неверно представляют науку, но хотел, чтобы именно его истории о привидениях и путешествиях во времени были написаны с разумной долей научной достоверности. Особая трудность состояла в том, что он как сценарист должен был представить своей аудитории не просто описание интересных новых явлений, но и преподнести их эффектно и увлекательно. Не имея специального образования, Скотт тем не менее был сообразителен и восприимчив к новым знаниям. Поэтому я объяснила ему, почему его сюжеты, как бы изобретательны и хороши они ни были, всегда будут несостоятельными с точки зрения науки.

В истории, возразил в ответ Скотт, не раз возникали ситуации, когда какие-то явления, считавшиеся до поры невозможными, оказывались вполне реальными. Разве ученые не отнеслись поначалу с недоверием к теории относительности? Кто мог предположить, что случайность играет в фундаментальных физических законах какую-то роль? Несмотря на большое уважение к науке, Скотт считал, что ученые нередко ошибаются в том, к каким последствиям приведут их открытия.

Некоторые критики идут еще дальше и утверждают, что предсказания ученых по определению сомнительны. Несмотря на данные науки, скептики упрямо твердят, что в них всегда может скрываться какой-то подвох или недосмотр. Как знать, вдруг человек все же может воскреснуть из мертвых или в крайнем случае попасть в Средние века или в Древний Египет.

Конечно, быть восприимчивым ко всему новому – это разумно, да и то, что впереди нас ожидают новые открытия, сомнений не вызывает; тем не менее эти рассуждения скрывают глубокий изъян. Чтобы убедиться в этом, следует подробнее разобрать смысл понятия «масштаб». «Неверующие» в прозорливость ученых игнорируют тот факт, что, хотя всегда будут существовать области неисследованных расстояний и энергий, где могут действовать неизвестные нам пока законы физики, в привычном для нас, «человеческом», измерении существующие законы действуют безотказно. Мы столетиями проверяли их справедливость всеми возможными способами.

Однажды в музее Уитни я встретилась с хореографом Элизабет Стреб – мы обе участвовали в дискуссии о творческих возможностях человека. Выяснилось, что она тоже сомневается в точности и определенности научных знаний применительно к масштабам привычной жизни. Элизабет задала мне примерно тот же вопрос, что немного раньше задавал Скотт: «Не могут неизвестные нам законы природы, действующие в отношении крохотных измерений, наличие которых предполагают физики, воздействовать на нас – на то, как мы двигаемся, например? Мы их не видим и не чувствуем, а они влияют на нас?»

Работы Элизабет прекрасны, ей удалось невероятно глубоко проникнуть в философию танца и движения. Причина же, по которой мы не можем определить, существуют ли дополнительные измерения и какую роль они играют во Вселенной, заключается в том, что они слишком малы. Мы до сих пор не зарегистрировали их влияния ни на один параметр из всего спектра наблюдаемых величин. А чтобы дополнительные измерения влияли на движение тела, их существование должно вызывать в окружающем мире намного более серьезные последствия. Разумеется, если бы такое влияние было, мы давно обнаружили бы его результаты. Поэтому мы точно знаем, что основы танца нисколько не изменятся, даже если мы гораздо лучше поймем квантовую гравитацию. Ее действие слишком слабо по отношению к любым явлениям, заметным в человеческом масштабе.

В прошлом ученые часто ошибались, потому что еще не могли исследовать очень маленькие или очень большие расстояния и скорости или чрезвычайно высокие энергии. Это вовсе не означало, что ученые, подобно луддитам, отказывались от прогресса. Просто они полностью доверяли самым современным на тот момент математическим описаниям мира и сделанным с их помощью прогнозам относительно сути и поведения объектов и явлений, которые тогда можно было наблюдать. Явления, считавшиеся учеными прошлого невозможными, на самом деле могли иметь место и иногда действительно происходили на расстояниях или скоростях, с которыми они никогда прежде не имели дела. И, разумеется, ученые тогда не могли знать о будущих идеях и теориях, которые в конце концов утвердились для тех самых крохотных расстояний или громадных энергий.

Когда ученые говорят, что им что-то известно, это означает лишь, что у них есть определенные мысли и теории, предсказания которых хорошо проверены в определенном диапазоне расстояний или энергий. Такие мысли и теории не обязательно представляют собой фундаментальные физические законы. Это просто правила, подтвержденные надежными экспериментами в диапазоне параметров, доступных сегодняшней технике. Все это не означает, что данные законы никогда не опровергнут и не дополнят новые. Законы Ньютона верны, но не применимы для скоростей, близких к скорости света, где действует теория Эйнштейна. Законы Ньютона одновременно и верны, и неполны. Они применимы в ограниченной области.

Более совершенные знания, которые мы получаем с помощью более точных измерений, – всегда шаг вперед, предвещающий новые, подчас прорывные концепции. Нам сегодня известны многие явления, которые древние не могли даже представить себе, не то что обнаружить, ведь оборудование для наблюдений в те времена было примитивным с современной точки зрения. Так что Скотт был прав: иногда ученые ошибаются, считая невозможным то, что в конце концов оказывается реальностью. Но это не значит, что не существует никаких правил. Призраки и путешественники во времени не появятся в наших домах, и инопланетные существа не выйдут неожиданно из стен. Может оказаться, что дополнительные пространственные измерения существуют, но они крохотные, или особым образом изогнутые, или еще каким-то образом скрыты от наблюдений, иначе как объяснить, почему до сих пор не получено никаких свидетельств их существования.

Необычные явления действительно могут иметь место. Но происходят они в масштабах, чрезвычайно трудных для обычного человеческого восприятия. Если такие явления навсегда останутся для нас абсолютно непостижимыми, то особого интереса ученых они не вызовут. Объективно говоря, они не представляют интереса и для писателей-фантастов, поскольку никак не могут повлиять на нашу повседневную жизнь.

Понятно, что нефизиков интересуют в первую очередь те «странные» явления, которые мы можем наблюдать. Как говорил Стивен Спилберг в дискуссии о научно-фантастическом кино, странный мир, который нельзя представить на киноэкране и в который не могут попасть герои фильма, не слишком интересен зрителю (о чем свидетельствует забавное доказательство на рис. 1). Интересен мир, в который можно попасть и который можно заметить. И абстрактные идеи, и художественный вымысел литератора невозможны без воображения, но типы воображения в них существенно различаются. Если какие-то научные идеи применимы только в условиях, далеких от параметров нашей повседневной земной жизни, они тем не менее представляют собой существенную часть описания физического мира, но вряд ли попадут в фильм.

Дело просто в том, что третье измерение плотно скручено и слишком мало, чтобы наблюдать его при нормальных энергиях.

Несмотря на четкую классификацию масштабов в науке, многие люди, пытаясь понять сложные вещи в окружающем мире, ошибочно сокращают себе путь к истине. Иногда это выливается в слишком буквальное толкование теорий. Вообще, неверное приложение научных знаний – явление не новое. В XVIII в., когда ученые активно изучали в лабораториях магнетизм, люди, далекие от науки, придумали «животный магнетизм» – некие «жизненные токи», присущие всем живым существам. И лишь в 1784 г. французская Королевская комиссия, созданная по указу Людовика XVI (среди прочих в нее входил Бенджамин Франклин), формально опровергла эту теорию.

Сегодня подобные неверные экстраполяции часто связаны с квантовой механикой, когда ее пытаются применить на макроуровне, где ее следствия, как правило, усредняются и не оставляют измеримых следов[6]. Меня тревожит, что столько людей вокруг всерьез воспринимают идеи, высказанные, к примеру, Рондой Берн в ее бестселлере «Тайна»[7], о том, что позитивные мысли притягивают богатство, здоровье и счастье. Равно как тревожит и следующее утверждение Берн: «Я никогда не изучала физику в школе, тем не менее когда я читала сложные книги по квантовой физике, то прекрасно их понимала, потому что хотела понять. Изучение квантовой физики помогло мне глубже проникнуть в тайну на энергетическом уровне».

Еще пионер квантовой механики нобелевский лауреат Нильс Бор заметил: «Если квантовая механика не вызывает у вас легкого головокружения, значит, вы ее не понимаете». К сожалению, квантовая механика печально известна большим количеством неверных интерпретаций. Наш язык и вообще стиль мышления происходят от классической логики, которая, разумеется, не берет в расчет квантовую механику. Но это не означает, что квантовой логикой можно объяснить любое непривычное явление. Тем не менее даже без глубокого знания квантовой механики с ее помощью можно делать верные предсказания. Так, можно наверняка утверждать, что квантовая механика не имеет отношения к «тайне» Ронды Берн и ее так называемому принципу притяжения между людьми, а также далекими друг от друга предметами или явлениями. На больших расстояниях, о которых идет речь, квантовая механика не может играть такой роли. Квантовая механика не имеет отношения и ко многим другим соблазнительным идеям, которые ей нередко приписывают. Невозможно изменить ход эксперимента пристальным взглядом; квантовая механика не отвергает возможность делать достоверные предсказания, а точность измерений в большинстве случаев ограничена чисто технически и не обусловлена принципом неопределенности.

Подобные заблуждения стали главной темой удивительного разговора, который произошел у меня с Марком Висенте, режиссером фильма «Кроличья нора, или Что мы знаем о себе и Вселенной». Этот фильм – настоящая головная боль ученых: в нем утверждается, что человеческий фактор влияет на ход экспериментов. Я не была уверена в плодотворности этой дискуссии, однако времени у меня было много и его нужно было чем-то занять. Уже несколько часов я сидела на летном поле аэропорта Dallas-Fort Worth и дожидалась, пока механики выправят легкую вмятину в крыле самолета (один из членов экипажа с готовностью пояснил нам, что сначала вмятину эту сочли слишком мелкой, но потом, на нашу беду, «измерили техническими средствами»).

Было очевидно, что, прежде чем начинать разговор с Марком, необходимо выяснить, как он сам относится к своему фильму. Я была знакома с его работой по отзывам многочисленных слушателей на лекциях, часто задававших мне странные вопросы об увиденном. Надо сказать, что ответ Марка немало удивил меня. Он изменил курс на 180° и признался, что первоначально подходил к науке с предубеждением, но теперь считает свои прежние взгляды заблуждением. В конце концов Марк пришел к выводу: то, что он показал в фильме, – не наука. Возможно, рассказ о явлениях, связанных с квантовой механикой, на человеческом уровне – естественно, поверхностный, иначе просто и быть не может – устраивает многих зрителей, но это не делает его корректным с научной точки зрения.

Но даже если новые теории требуют радикально новых допущений – как, безусловно, обстояло дело с квантовой механикой, – то рано или поздно веские научные аргументы и эксперименты помогают определить их истинность. Это не волшебство. Научный метод, а также данные экспериментов, как и стремление к логичности и непротиворечивости, – надежные инструменты, позволяющие ученым выходить за пределы интуитивного понимания и повседневных масштабов и разрабатывать странные на первый взгляд теории относительно явлений иных, труднодостижимых масштабов.

В следующем разделе показано, как представление о масштабе систематически помогает объединять различные теоретические концепции в единое непротиворечивое целое.

Параметр среднего роста человека находится примерно на середине шкалы (если строить ее в степенях числа десять, т. е. в логарифмическом масштабе) между мельчайшим вообразимым размером и громадностью Вселенной[8]. Мы очень велики по сравнению с элементами внутренней структуры материи и чрезвычайно малы по сравнению со звездами, галактиками и пространством Вселенной. Все очень просто: легче всего человек «понимает» те размеры, которые может воспринять с помощью пяти чувств или простейших измерительных инструментов. Более «далекие» масштабы мы осваиваем путем наблюдений и логических умозаключений. Может показаться, что по мере удаления от непосредственно видимых и измеримых величин появляются величины все более абстрактные и трудные для понимания. Но техника вкупе с теорией позволяет нам познать природу материи в громадном диапазоне размеров.

Для любого участка этого обширного диапазона – от крохотных объектов, исследуемых в Большом адронном коллайдере, до галактик и самого космоса – сегодня имеются соответствующие научные теории. Для объекта каждого размера внутри этого диапазона и соответствующих расстояний могут действовать разные законы. Физикам приходится иметь дело с огромными объемами информации в очень большом диапазоне масштабов. Хотя фундаментальные законы физики, действующие на крупных масштабах, часто работают и на самых крохотных расстояниях, это не означает, что любые расчеты в энергетических масштабах удобно проводить с применением этих законов. Если для получения точного ответа на некий научный вопрос можно не задействовать внутреннюю структуру объекта или какие-то дополнительные обоснования, мы этого и не делаем, а применяем более простые правила.

Физика – и это одна из ее важнейших особенностей – дает нам представление о том, на каком диапазоне шкалы находятся те или иные измерения или предсказания в соответствии с доступным нам уровнем точности, и позволяет проводить расчеты сообразно этому. Прелесть такого взгляда на мир в том, что мы можем сосредоточиться на масштабе, значимом для интересующих нас объектов или явлений, выделить действующие в этом масштабе элементы, а затем вывести и применить законы, по которым эти элементы взаимодействуют между собой. Формулируя теории и проводя вычисления, ученые усредняют или просто игнорируют (иногда сами того не сознавая) физические процессы, проходящие в неизмеримо малых масштабах. Если это возможно, мы отбираем значимые – релевантные – факты и отбрасываем подробности, стараясь сосредоточиться на самом оптимальном участке диапазона. Это единственный способ разобраться в невообразимо плотном массиве информации.

Всегда имеет смысл отбросить мелочи и сосредоточиться на главном, не отвлекаясь на незначимые детали. Недавняя лекция профессора психологии из Гарварда Стивена Косслина напомнила мне, как ученые – и люди вообще – предпочитают работать с информацией. Во время эксперимента, который лектор проводил с аудиторией, он просил нас следить за отрезками, которые появлялись на экране один за другим. Отрезки имели направление (север, юго-восток и т. д.), а все вместе образовывали ломаную линию (рис. 2). Нас попросили закрыть глаза и описать увиденное. Выяснилось, что, хотя наш мозг способен удерживать в памяти лишь несколько отдельных отрезков, мы можем вспомнить гораздо более длинные последовательности, сгруппировав отрезки в повторяющиеся формы. Думая в масштабах целого, а не отдельного отрезка, мы можем удержать в памяти всю ломаную.

Практически во всем, что мы видим, слышим, ощущаем на вкус, запах или прикосновение, мы можем выбирать: сосредоточиться ли нам на подробностях, приблизившись к объекту, или, наоборот, рассматривать «картину в целом» – с иными приоритетами. Что бы мы ни делали – разглядывали произведение искусства, дегустировали вино, читали философский трактат или планировали отпуск, – мы автоматически мыслим двумя категориями: то, что нас в данный момент интересует – будь то размеры, ароматы, идеи или расстояния, – и то, что в данный момент для нас несущественно.

Вообще, сосредоточиться на главном и забыть на время о структурах слишком мелких, чтобы быть значимыми, полезно во многих случаях. Вспомните, как вы поступаете, когда пользуетесь каким-нибудь картографическим сервисом вроде Googlemaps и смотрите на маленький экран своего iPhone. Если вы едете или идете издалека, то сначала смотрите на общую карту, чтобы примерно понять, где место назначения находится относительно других знакомых мест. Затем, рассмотрев общую картинку, переходите к подробностям. На первом шаге вам не нужны лишние факты, вы просто хотите сориентироваться. Но, когда вы переходите к конкретным деталям своего путешествия – если надо найти, например, определенную улицу, – подробности, которые прежде были несущественны, начинают играть главную роль.

Конечно, выбранный масштаб карты определяется степенью подробности, которая вам необходима. Некоторые из моих друзей, бывая в Нью-Йорке, не обращают внимания на расположение своей гостиницы – такси довезет. Для них подробности вроде расположения отдельных кварталов города несущественны. Однако для всякого, кто знает Нью-Йорк, подобные вещи имеют значение. Недостаточно знать, что вы остановились в центре города. Для ньюйоркца важно, находится ли он в данный момент выше или ниже Хьюстон-стрит, к востоку или к западу от парка на Вашингтон-сквер и т. д.

Хотя разные люди могут выбрать разный масштаб, никому все же не придет в голову выводить на экран карту Соединенных Штатов, чтобы найти ресторан. Его местоположение окажется за пределами разрешения такой карты. С другой стороны, для поиска ресторана вам не потребуется и поэтажный план здания, в котором он расположен. Для любой задачи существует свой релевантный масштаб (рис. 3).

Точно так же мы в физике классифицируем объекты по размеру, чтобы иметь возможность сосредоточиться на интересующих нас вопросах. Так, крышка письменного стола кажется нам твердой – она и есть твердая, – но на самом деле она состоит из атомов и молекул; именно они все вместе действуют как твердая непроницаемая поверхность, с которой мы каждый день имеем дело. Но сами атомы и молекулы тоже не представляют собой неделимую сущность; в каждом атоме есть ядро и электроны. А ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, суть более фундаментальные объекты, известные как кварки. И все же не обязательно знать о кварках, чтобы разобраться в электромагнитных и химических свойствах атомов и химических элементов (этим занимается атомная физика). Люди много лет изучали атомную физику, прежде чем появились первые намеки на наличие так называемых элементарных частиц внутри атомов. И биологам при изучении клетки тоже не нужно знать о кварках внутри протона.

Я помню, как обидно мне было в школе, когда после долгих месяцев изучения законов Ньютона учительница объявила классу, что эти законы неверны. Но она была не совсем права. Законы Ньютона прекрасно работают на расстояниях и скоростях, которые можно было наблюдать в XVII в. Ньютон рассуждал о физических законах, которые действуют при той точности, с которой он (или кто угодно другой в ту эпоху) мог проводить измерения. Чтобы делать успешные предсказания в те времена, ему не нужна была общая теория относительности. Она не нужна и нам, когда мы предсказываем поведение больших тел при относительно низких скоростях и плотностях; здесь достаточно законов Ньютона. Сегодня, когда физики или инженеры изучают орбиты планет, им не обязательно знать точный состав Солнца. Так и законы, управляющие поведением кварков, не оказывают заметного влияния на движение небесных тел.

Концентрация на базовых компонентах, входящих в состав объекта, вряд ли поможет разобраться во взаимодействиях на более крупных масштабах, где крохотные субструктуры, как правило, играют незначительную роль. Было бы трудно добиться каких бы то ни было успехов в атомной физике, сосредоточив исследования на частицах, меньших, чем атомы, – кварках. Только в случаях, когда нам необходимо понять свойства ядра во всех подробностях, на сцену выходит кварковая субструктура. Бесконечно «точной точности» не существует, поэтому можно без опаски заниматься химией и молекулярной биологией, не обращая внимания на внутреннюю структуру атомных ядер. Движения Элизабет Стреб в танце не изменятся, что бы ни происходило в ее теле на уровне квантовой гравитации. Хореография опирается лишь на законы классической физики.

Все без исключения, в том числе и физики, с радостью пользуются более обобщенными описаниями, когда детали не поддаются разрешению. Физики формализуют этот интуитивный подход и распределяют объекты по категориям исходя из значимых в каждом конкретном случае расстояний (размеров) или энергий. Для решения любой задачи используется так называемая эффективная теория. Эффективная теория концентрируется на элементах и силах, которые действуют и производят «эффект» на рассматриваемых масштабах. Вместо того чтобы описывать частицы и взаимодействия в терминах неизмеримых параметров, мы формулируем нужные нам теории, уравнения и наблюдения для тех масштабов, которые нам в данный момент доступны и нужны для исследования.

Эффективная теория, которую мы применяем для исследований на больших масштабах, не предполагает, что вы сосредоточиваетесь на теориях, применимых на меньших масштабах. В ней говорится только о вещах, которые в данном масштабе можно измерить или увидеть. Если объект лежит за пределами разрешения того масштаба, в котором вы работаете, внутреннюю структуру этого объекта вам знать не обязательно. И такая практика вовсе не является научным мошенничеством. Это просто эффективный способ избавиться от избыточной информации, получить точные ответы и удержать в поле зрения все значимые элементы системы.

Неизвестные факторы, не оказывающие измеримого влияния на ситуацию, можно без опаски отбросить – вам не обязательно знать о них, чтобы успешно предсказывать поведение системы. Явления, недоступные исследователю при нынешнем уровне развития техники, по определению, не вызовут никаких измеримых последствий, помимо тех, что уже приняты во внимание.

Вот почему, даже не зная ничего о релятивистских законах движения или квантово-механическом описании атомных и субатомных систем, можно было делать точные предсказания. Это очень хорошо, ведь человек просто не в состоянии думать обо всем одновременно. Мы никогда ничего не добились бы, если бы не научились отбрасывать избыточные детали.

«Невозможные» явления могут иметь место, но лишь в средах, которые мы еще не наблюдали. Эти явления незначимы на известных нам масштабах – по крайней мере на масштабах уже исследованных. Происходящее на этих крошечных длинах будет скрыто от нас до тех пор, пока не изобретут инструменты, которые позволят все рассмотреть, или пока при помощи достаточно точных измерений не удастся определить лежащую в основе таких явлений закономерность по слабым эффектам, которые они вызывают на более крупных масштабах[9].

Делая предсказания, ученые имеют право игнорировать объекты и явления, слишком мелкие для наблюдений. Дело не только в том, что невозможно выявить эффект от слишком мелких объектов и процессов; вообще, физические эффекты любых процессов в некотором масштабе интересны лишь в той мере, в какой они влияют на физически измеримые параметры. Поэтому физики описывают объекты и свойства в каком-нибудь измеримом масштабе при помощи эффективной теории, а затем используют результаты в научных исследованиях в том масштабе, с которым имеют дело. Если подробности о малых расстояниях, или микроструктура теории, все же известны, можно вывести некоторые величины из более фундаментальных закономерностей строения материи. Если нет, эти величины считаются неизвестными и определяются экспериментально. Полученные величины более крупного масштаба в эффективной теории не позволяют фундаментально описать явление, но с их помощью удобно проводить наблюдения и делать предсказания.

Описание, сделанное в рамках эффективной теории, может суммировать следствия любого закона, справедливого для явлений в малом масштабе, который влияет и на явления более крупного масштаба, но слишком слабо для того, чтобы это можно было заметить. Таким образом, мы можем изучать и оценивать процессы с использованием меньшего числа параметров, чем потребовалось бы, если бы мы принимали во внимание все детали. Этого урезанного набора параметров вполне достаточно, чтобы описать интересующие нас процессы, и к тому же он универсален – параметры всегда одинаковы вне зависимости от масштаба явления. Чтобы определить их значение, нам достаточно просто измерить их в любом из множества процессов, в которых они фигурируют.

Важно, что эффективная теория действует на большом диапазоне длин и энергий. Поскольку несколько ее параметров были определены путем измерений, все, что относится к соответствующему ряду масштабов, можно без труда вычислить. Это дает нам набор элементов и правил, при помощи которых можно объяснить множество самых разных наблюдаемых явлений. В определенный момент теория, которую до той поры мы считали фундаментальной, оказывается всего лишь эффективной – ведь бесконечно малые измерения нам по-прежнему недоступны. Тем не менее мы доверяем этой теории, потому что она успешно предсказывает многие явления на целом ряде масштабов длин и энергий.

С помощью эффективной теории в физике можно не только справляться с информацией о явлениях, происходящих на малых масштабах, но и обобщать крупномасштабные эффекты, действие которых слишком слабо и недоступно для наблюдения. К примеру, наша Вселенная может быть чуть-чуть искривлена – так, как предсказывал Эйнштейн, когда разрабатывал свою теорию гравитации. Эта кривизна значима на больших расстояниях, где задействована крупномасштабная структура пространства. Но мы можем последовательно разобраться в том, почему эти эффекты кривизны слишком слабы и не отражаются в большинстве наблюдений и экспериментов, которые мы проводим на гораздо меньших масштабах. Рассмотрение подобных эффектов имеет смысл для нас только в том случае, если мы включим в описание физики элементарных частиц гравитацию; по большей части они слишком слабы, чтобы проявляться в тех экспериментах, которые я буду описывать. Но и в этом случае подходящая эффективная теория скажет нам, как суммировать гравитационные эффекты и выразить их через несколько неизвестных параметров, которые придется определить экспериментально.

Одна из важнейших черт любой эффективной теории: она, описывая то, что мы можем увидеть, одновременно систематизирует то, что мы увидеть не можем – как на малых, так и на больших масштабах. Имея эффективную теорию, мы можем определить, насколько серьезно способен повлиять на каждое конкретное измерение неизвестный (или известный) фундаментальный закон. Даже не дожидаясь новых открытий в других масштабах, мы можем математически вычислить максимальную степень влияния, которое произведет любая новая структура на эффективную теорию в том масштабе, в котором мы работаем. В главе 12 мы подробнее рассмотрим еще одну особенность эффективной теории: ее подлинные ограничения можно понять только после того, как будут открыты физические законы следующего масштабного уровня.

Еще одним примером эффективной теории может служить термодинамика. Эта наука, появившаяся задолго до атомной или квантовой теории, объясняет нам, как работают холодильники и автомобильные двигатели. Термодинамическое состояние системы достаточно хорошо характеризуется ее давлением, температурой и объемом. Конечно, сегодня мы знаем, что система состоит из газа, а тот – из атомов и молекул, в которых скрыта гораздо более тонкая структура, чем все, что можно описать при помощи трех упомянутых параметров; тем не менее во многих случаях для характеристики наблюдаемого поведения системы мы можем ограничиться ими тремя.

Температура, давление и объем – реальные величины, которые можно измерить. Теория зависимостей между ними полностью разработана и может быть использована для успешных предсказаний. В эффективной теории газа не упоминается молекулярная структура вещества (рис. 4). И хотя температура и давление газа в действительности определяются поведением образующих его элементов, ученые свободно использовали эти величины в расчетах задолго до того, как атомы и молекулы были открыты.

Если фундаментальная теория разработана, мы можем соотнести температуру и давление со свойствами составляющих газ атомов и понять, в какой момент термодинамическое описание перестанет соответствовать действительности. Мы по-прежнему можем использовать термодинамику для широкого круга предсказаний. Более того, многие явления можно понять только с термодинамической точки зрения, поскольку без громадных вычислительных мощностей и объемов памяти, намного превосходящих все, чем мы на данный момент располагаем, невозможно проследить траектории движения всех отдельно взятых атомов. Так что эффективная теория – единственный способ разобраться в некоторых важных физических явлениях, имеющих место в твердых и жидких конденсированных средах.

На этом примере можно продемонстрировать еще один принципиально важный аспект эффективной теории. Иногда физики используют термин «фундаментальный» как относительное понятие. С точки зрения термодинамики атомное и молекулярное описания фундаментальны. Но если говорить о физике элементарных частиц, которая рассматривает кварки и электроны внутри атомов, то сам атом тоже имеет сложную структуру и состоит из более мелких элементов. Таким образом, с точки зрения физики элементарных частиц разговор на уровне атомов возможен только в рамках эффективной теории.

Описание науки как строгой последовательности развития от полностью понятных областей к пределу человеческих знаний лучше всего подходит для таких наук, как физика и космология, где мы хорошо понимаем функциональные единицы и соотношения между ними. Вполне может быть, что в более новых областях науки, таких как системная биология, эффективные теории работать не будут. Здесь отношения между происходящим на молекулярном уровне и на более крупных макроскопических уровнях, а также релевантные механизмы обратных связей еще только предстоит понять до конца.

Тем не менее концепция эффективной теории применима к широкому кругу научных тем. Математические уравнения, в соответствии с которыми происходит эволюция биологического вида, не изменятся с появлением новых физических результатов; эту тему мы обсуждали с математическим биологом Мартином Новаком. Он и его коллеги могут определить параметры этих уравнений независимо от любых более глубоких описаний. Вполне возможно, что на самом деле эти параметры определяются более базовыми величинами – физическими или какими-нибудь другими, – но сами по себе уравнения, по которым биологи отслеживают развитие популяций со временем, ни от чего не зависят.

В физике элементарных частиц без эффективных теорий не обойтись. Мы выделяем простые системы на разных масштабах и рассматриваем их взаимоотношения. Следует отметить, что пресловутая невидимость внутренней структуры частицы, из-за которой мы сосредоточиваемся на «видимых» величинах и не обращаем внимания на более фундаментальные эффекты, так замечательно скрывает внутренние взаимодействия, что для их обнаружения нам приходится тратить огромные деньги и прикладывать громадные усилия. Именно тот факт, что наиболее фундаментальные теории на доступных масштабах проявляются чрезвычайно слабо, делает современную физику такой сложной и затратной. Чтобы заметить проявления фундаментальной природы вещества и взаимодействия на этом уровне, мы должны либо непосредственно исследовать все более мелкие масштабы, либо проводить все более точные измерения. Только при помощи передовых технологий мы можем получить доступ к самым мелким и самым крупным линейным масштабам. Поэтому, чтобы хоть немного продвинуться вперед, нам приходится проводить сложнейшие эксперименты и строить гигантские сооружения, такие как Большой адронный коллайдер.

Истории появления различных теорий света прекрасно демонстрируют, как по мере развития науки эффективные теории используются и сменяют друг друга, как одни идеи отбрасываются, а другие сохраняются и применяются в конкретной ограниченной области. Еще в Древней Греции человек начал изучать свет – тогда родилась геометрическая оптика. И сегодня это одна из тем, по которым сдает экзамены любой студент-физик. Эта теория предполагает, что свет движется по прямой, и позволяет определить, как ведут себя его лучи в различных средах и как их можно регистрировать и использовать.

Странно, что практически никто – по крайней мере в Гарварде, где я сегодня преподаю, а когда-то училась – не изучает классическую и геометрическую оптику. Может быть, ее немного преподают в школе, но, откровенно говоря, она и там не занимает существенного места в расписании.

Геометрическая оптика вышла из моды. Ее расцвет наступил несколько веков назад с появлением ньютоновой «Оптики» и продолжался в XIX в., когда Уильям Роуэн Гамильтон впервые математически предсказал новый взгляд на природу оптических явлений.

Классическая теория оптики по-прежнему применяется в таких областях, как фотография, медицина, инженерное дело и астрономия, используется при изготовлении новых зеркал, телескопов и микроскопов. Специалисты по классической оптике и инженеры разрабатывают устройства для демонстрации различных физических явлений. Тем не менее все они лишь применяют оптику и не открывают никаких новых законов.

В 2009 г. мне было предоставлено почетное право прочесть так называемую гамильтоновскую лекцию в Университете Дублина, которую до меня читали несколько весьма уважаемых моих коллег. Она посвящена памяти сэра Уильяма Роуэна Гамильтона, замечательного ирландского математика и физика XIX в. Признаюсь, я настолько привыкла, что имя Гамильтона стало почти нарицательным в физике, что, как это ни смешно, поначалу даже не связала его с реальным человеком, к тому же ирландцем. Меня поразило, в каком множестве областей математики и физики, в том числе и в геометрической физике, Гамильтон совершил настоящий переворот.

День Гамильтона в Дублине празднуется очень широко. Торжественная процессия движется вдоль Королевского канала; затем все останавливаются на мосту Брум-бридж и наблюдают, как самый молодой участник процессии пишет те самые уравнения, которые Гамильтон много лет назад, находясь в эйфории от собственного открытия, вырезал на перилах моста. Я побывала в знаменитой университетской обсерватории в Дунсинке, где жил Гамильтон, увидела систему блоков и деревянную раму, на которой 200 лет назад стоял телескоп. Гамильтон приехал в Дунсинк в 1827 г. после окончания Тринити-колледжа; он тогда получил кафедру астрономии и должность Королевского астронома Ирландии. Местные жители шутят, что Гамильтон, несмотря на выдающиеся математические таланты, не слишком разбирался в астрономии, да и не интересовался этой наукой; за ним числится множество научных достижений, но наблюдательная астрономия в Ирландии, возможно, как раз из-за Гамильтона отстала на полвека.

Тем не менее день Гамильтона – дань уважения этому великому теоретику и его многочисленным достижениям. Среди них – открытия в оптике и динамике, математическая теория кватернионов (обобщение комплексных чисел), а также достоверная демонстрация предсказательных возможностей математики и науки вообще. Открытие кватернионов стало настоящим прорывом. Кватернионы важны для векторного исчисления, которое является основой для математического изучения всех трехмерных явлений. Сегодня они используются еще в компьютерной графике и, следовательно, в индустрии развлечений и видеоигр. Всякий владелец PlayStation или Xbox в какой-то степени обязан Гамильтону.

Гамильтон внес серьезный вклад в оптику. В 1832 г. он показал, что в результате преломления света, падающего под определенным углом на кристалл с двумя независимыми осями симметрии, получается пустотелый световой конус. Исходя из этого он предсказал явления внутренней и внешней конической рефракции света в кристалле. Предсказание Гамильтона сумел проверить и подтвердить его друг и коллега Хэмфри Ллойд; это событие стало настоящим триумфом математической науки. Математическое предсказание никогда прежде не наблюдавшегося явления казалось в то время едва ли не чудом, и Гамильтон за свое достижение был возведен в рыцарское звание.

Дублинцы с гордостью рассказывали мне про это математическое достижение, сделанное средствами одной только геометрической оптики. Галилей был одним из пионеров наблюдательной и экспериментальной науки; Фрэнсис Бэкон – первым пропагандистом индуктивного метода в науке. Однако если говорить о математическом описании никогда прежде не наблюдавшегося явления, то гамильтоново предсказание конической рефракции, вероятно, было первым. Этого достаточно, чтобы обеспечить Гамильтону достойное место в истории науки.

Но сегодня, несмотря на все значение открытия Гамильтона, классическая геометрическая оптика уже не является объектом исследования. Все важные явления в этой области давно изучены. Вскоре после Гамильтона, в 1860-е гг., шотландский ученый Джеймс Кларк Максвелл с коллегами разработали электромагнитную теорию света. Стало ясно, что геометрическая оптика – всего лишь приближенное описание явлений; тем не менее ее законы применимы для световых волн с достаточно маленькой длиной волны; для них эффекты интерференции незначимы, а движение можно считать прямолинейным. Иными словами, геометрическая оптика – это эффективная теория, применимая в определенных ограниченных условиях.

Это не означает, что в науке сохраняется всякая теория. Иногда она просто оказывается ошибочной. Примером может служить первая теория света, сформулированная Евклидом и в IX в. возрожденная в исламском мире арабским математиком аль-Кинди (в ней утверждалось, что свет испускают глаза человека). Несмотря на то что другие ученые, такие как персидский математик ибн-Саль, на основании этого ложного утверждения верно описывали явления (то же преломление, к примеру), теория Евклида и аль-Кинди – появившаяся, кстати говоря, раньше, чем наука и современные научные методы – оказалась попросту неверна. Она не вошла в позднейшие теории, а была отброшена.

Ньютон не предвидел появления новых концепций в теории света. Он выдвинул так называемую «корпускулярную» теорию, которая никак не согласовывалась с волновой теорией света, разработанной его соперниками – Робертом Гуком в 1664 г. и Христианом Гюйгенсом в 1690 г. Споры по этому поводу продолжались не один десяток лет. Только в XIX в. Томас Юнг и Огюстен-Жан Френель измерили интерференцию света и тем самым подтвердили, что свет имеет волновую природу.

Позже развитие квантовой теории показало, что Ньютон в каком-то смысле тоже был прав. Согласно идеям квантовой механики, свет действительно состоит из отдельных частиц, получивших название фотоны и ответственных за передачу электромагнитного излучения. Но современная теория фотонов базируется на понятии квантов света – отдельных частиц, из которых состоит свет и которые обладают уникальными свойствами. Даже одна частица света – фотон – ведет себя, как волна. Эта волна определяет вероятность нахождения фотона в каждой конкретной точке пространства (рис. 5).

Корпускулярная теория света, предложенная Ньютоном, подтверждается наблюдаемыми результатами. Тем не менее ньютоновы частицы света не имеют волновой природы и потому совсем не похожи на фотоны. Насколько мы сегодня знаем, теория фотонов представляет собой самое фундаментальное и верное описание света – потока частиц, которые могут приобретать волновые свойства. В настоящее время базисное описание того, что представляет собой свет и как он себя ведет, дает квантовая механика. Эта теория фундаментально верна и останется в науке.

В настоящее время квантовая механика находится гораздо ближе к передовым областям научных исследований, нежели оптика. Если кто-то по-прежнему думает о новых открытиях в оптике, то имеет в виду в первую очередь новые эффекты, возможные только в рамках квантовой механики. Современная наука уже не развивает классическую оптику, но, безусловно, включает в себя квантовую оптику, науку о квантово-механических свойствах света. Лазеры работают по законам квантовой механики; то же можно сказать и о детекторах света, таких как фотоумножители, и о фотоэлементах, превращающих солнечный свет в электричество.

Современная физика элементарных частиц включает в себя также теорию квантовой электродинамики (КЭД), разработанную Ричардом Фейнманом и другими учеными. В нее входят не только квантовая механика, но и специальная теория относительности. В КЭД мы занимаемся изучением отдельных частиц, в том числе фотонов – частиц света, а также электронов и других частиц, переносящих электрический заряд. Мы способны разобраться в скоростях, на которых взаимодействуют эти частицы и с которыми они могут создаваться и уничтожаться. КЭД – одна из тех теорий, которые очень активно используются в физике элементарных частиц. Кроме того, именно в ее рамках делаются самые достоверные научные предсказания. КЭД совершенно не похожа на геометрическую оптику, но обе эти теории верны, каждая в соответствующей области.

В каждой области физики имеется своя эффективная теория. По мере развития науки старые идеи уходят на второй план и становятся составной частью более фундаментальных теорий. Но передовые исследования в науке посвящены не им. В конце этой главы мы рассмотрели конкретный пример – развитие физических представлений о природе света, но следует отметить, что таким образом развивается вся физика. На передовом крае науки развитие происходит неуверенно, но в целом методично. Эффективные теории в каждом конкретном масштабе игнорируют, как им и положено, те эффекты, которые не влияют ни на какие измерения. Знания и методы, обретенные в прошлом, остаются с нами, но, по мере того как мы начинаем осваивать более широкий спектр расстояний и энергий, теории получают новое развитие. Движение вперед позволяет нам разобраться в фундаментальной основе наблюдаемых явлений.

Понимание исторического пути развития науки помогает лучше понять ее природу и по достоинству оценить крупнейшие вопросы, которыми заняты сегодня физики (и другие ученые). В следующей главе мы увидим, что сегодняшние научные методы зародились еще в XVII в.

Глава 2

Раскрывая секреты

Методы, которыми пользуются сегодня ученые, – результат долгой истории измерений и наблюдений. С их помощью ученые уже несколько веков подтверждают – и, что не менее важно, отвергают – научные идеи и гипотезы.

Многие принципиальные открытия, сформировавшие науку, были сделаны в XVII в. в Италии, и одним из ключевых участников этого процесса был Галилео Галилей. Именно он одним из первых в полной мере оценил и начал развивать так называемые непрямые измерения, при которых используется некий промежуточный этап[10]; он же одним из первых начал для установления научной истины разрабатывать и проводить эксперименты. Более того, он изобрел абстрактные мысленные эксперименты, которые помогали ему формулировать научные гипотезы.

Я многое узнала об изобретениях и открытиях, сделанных Галилеем и самым серьезным образом изменивших науку, когда весной 2009 г. побывала в Падуе. Поводом к поездке послужила конференция по физике, организованная профессором физики Фабио Цвирнером. Был, правда, и еще один повод – получить почетное гражданство этого города. Было очень приятно встретиться как с коллегами – участниками конференции, так и с другими уважаемыми «гражданами», в числе которых – физики Стивен Вайнберг, Стивен Хокинг и Эд Виттен. Неожиданным бонусом оказалась возможность узнать кое-что из истории науки.

Мой визит пришелся на удачное время: в 2009 г. исполнялось 400 лет первым наблюдениям звездного неба, проведенным Галилеем. Граждане Падуи с особым энтузиазмом отмечали эту годовщину, поскольку во время проведения главных своих исследований Галилей читал лекции в Падуанском университете. В честь ученого Падуя (так же, как Пиза, Флоренция и Венеция – другие города, тесно связанные с научной жизнью Галилея) организовала выставки и различные церемонии. Конференция по физике проходила в зале Культурного центра Альтинате (или Сан-Гаэтано) – того самого здания, где располагалась выставка, знакомившая посетителей с открытиями Галилея и подчеркивавшая его роль в развитии науки и формировании ее современного облика.

Большинство людей, с которыми я тогда встречалась, высоко оценивали достижения Галилея и с энтузиазмом говорили об успехах современной науки. Интерес к физике и познания, проявленные мэром Падуи Флавио Дзанонато, произвели впечатление даже на местных физиков. Глава города не только участвовал в научном разговоре за торжественным обедом после прочитанной мной публичной лекции, но и на самой лекции удивил аудиторию коварным вопросом о движении заряженных частиц в Большом адронном коллайдере.

В ходе церемонии присвоения звания почетного гражданина мэр вручил мне ключ от города. Это был фантастический ключ – он вполне соответствовал моим киношным представлениям о том, каким должен быть подобный предмет. Он был такой большой, резной и серебряный, что один из моих коллег даже спросил, не ключ ли это из сказки о Гарри Поттере. Это, конечно, церемониальный ключ – им невозможно ничего открыть. Но чудесный символ входа в город в моем воображении стал символом входа в необъятное царство знаний.

Кроме ключа, профессор Падуанского университета Массимилла Бальдо-Чолин подарила мне венецианскую памятную медаль. На ней выгравирована цитата из Галилея, размещенная также над входом в здание физического факультета университета: «Io stimo piu il trovar un vero, benche di cosa leggiera, che ’ldisputar lungamente delle massime questioni senza conseguir verita nissuna». Это переводится так: «Я предпочитаю найти истину в малом, нежели долго спорить о величайших вопросах, не обретая никакой истины».

Я процитировала эти слова коллегам на конференции, потому что в них и сегодня заключается ведущий принцип науки. Научные прорывы нередко вырастают из стремления решить несложные на первый взгляд проблемы (к этому утверждению мы вернемся позже). Не все вопросы, на которые мы ищем и находим ответы, порождают радикальные перемены. И все же продвижение вперед, даже постепенное, периодически кардинально меняет восприятие человеком мира.

В этой главе рассказывается о том, что современные наблюдения, которым, собственно, посвящена эта книга, корнями уходят в научные открытия XVII в. и что фундаментальные достижения того времени в значительной мере определили природу теоретических и экспериментальных методов, используемых нами сегодня. Главные, принципиальные вопросы перед учеными и сегодня стоят в определенном смысле те же, что стояли 400 лет назад; однако физическая теория да и техника сегодня совсем не те, что тогда, поэтому мелкие конкретные вопросы изменились необыкновенно.

Ученые пытаются достучаться до небес и мечтают преодолеть порог, отделяющий познанное от непознанного. В любой момент, о каком бы ни шла речь, любое исследование начинается с набора правил и уравнений, предсказывающих те явления, которые мы на этот момент способны измерить. Но мы всегда стремимся перейти к режимам, которые до сих пор не удавалось протестировать экспериментально. Вооружившись новейшей техникой и математикой, мы начинаем систематически изучать вопросы, которые в прошлом были лишь предметом ничем не подкрепленных рассуждений или веры. Чем больше максимально точных наблюдений у нас есть, чем определеннее теоретические рамки, в которые укладываются новые измерения, тем лучше и полнее мы понимаем окружающий мир.

После поездки в Падую и осмотра ее исторических достопримечательностей я в полной мере осознала, насколько важную роль сыграл Галилей в формировании такого способа мышления. Одна из самых знаменитых достопримечательностей Падуи – капелла Скровеньи с фресками Джотто начала XIV в. Эти изображения примечательны по многим причинам, но для ученого самым интересным, пожалуй, является необычайно реалистичное изображение пролета кометы Галлея 1301 г. в сцене поклонения волхвов (рис. 6). Это настоящее чудо! В то время, когда художник рисовал эту фреску, комету можно было видеть на небе невооруженным глазом.

Но эти изображения еще не были корректными с научной точки зрения. Девушка-гид показала мне Млечный путь на астрологических фресках Палаццо делла Раджоне (по крайней мере, ее учили, что это именно Млечный путь). Однако более опытный гид позже объяснил ей, что такая трактовка изображения неверна и не соответствует времени создания фрески. В те времена люди просто рисовали то, что видели. Вероятно, художник хотел изобразить звездное небо ясной ночью, но не имел в виду ничего определенного вроде нашей Галактики. Науки в современном понимании еще не было.

До Галилея наука полагалась только на непосредственные наблюдения и чистые размышления. Образцом для всех желающих разобраться в устройстве мира служила аристотелева наука. Математику можно было использовать для дальнейших умозаключений, но базовые положения принимались на веру или со ссылкой на прямые наблюдения.

Галилей открыто отказался опираться в своих исследованиях на mondo di carta (мир бумаги); напротив, он хотел читать и изучать libro della natura (книгу природы). Он не только изменил методологию наблюдений; мало того, он едва ли не первым признал огромные возможности эксперимента. Галилей понял, как следует создавать искусственные условия для выявления природы физических законов. Галилей научился при помощи эксперимента проверять гипотезы о законах природы, доказывать и, что не менее важно, опровергать их.

В частности, Галилей проводил эксперименты с наклонными плоскостями – наклоненными ровными поверхностями, которые так часто встречаются, раздражая учащихся, в любом начальном курсе физики. Для Галилея наклонная плоскость не была всего лишь надуманной школьной задачей, каковой она иногда кажется школьникам. Это был способ изучить скорость падающих тел: ведь если «растянуть» спуск объекта на некоторое горизонтальное расстояние, можно будет точно измерить, как он «падает». Время он измерял при помощи водяного хронометра; но этого мало: Галилей придумал хитроумную систему колокольчиков, развешанных на определенных расстояниях друг от друга, и мог определять скорость катящегося вниз шарика на слух (рис. 7), а слух у него был отличный. При помощи этого и других экспериментов в области движения и силы тяжести Галилей вместе с Иоганном Кеплером и Рене Декартом подготовил фундамент для законов классической механики, которые развил Исаак Ньютон.

Галилей сумел выйти за пределы непосредственных наблюдений. Он придумал мысленные эксперименты – абстракции, основанные на увиденном, – при помощи которых можно было делать предсказания о ходе экспериментов, которые никто в то время не мог в реальности поставить. Возможно, самое знаменитое из его предсказаний говорит о том, что все объекты при отсутствии сопротивления падают с одинаковой скоростью. Он не мог реализовать эту идеализированную ситуацию, но предсказал, что произойдет. Галилей понимал, какую роль при падении предметов на землю играет тяготение, как и то, что сопротивление воздуха замедляет их движение. Качественная наука означает учет всех факторов, которые могут повлиять на то или иное измерение. Мысленные эксперименты и настоящие физические опыты помогли ученому лучше понять природу тяготения.

В истории нередки случайные совпадения. Так, Ньютон – один из величайших ученых, которому предстояло продолжить и развить научную традицию Галилея – родился в год его смерти. (На одном из своих семинаров Стивен Хокинг порадовался тому, что сам он родился ровно три века спустя.) Ученые нашего времени, в каком бы году им ни довелось родиться, продолжают галилееву традицию: разрабатывают реальные или мысленные эксперименты, анализируют их ограничения и интерпретируют полученные данные. Конечно, эксперименты в наши дни гораздо сложнее, да и техника используется гораздо более изощренная, но мысль о том, что для подтверждения или опровержения сделанных на базе новой научной гипотезы предсказаний следует построить установку и провести эксперимент, и сегодня определяет природу науки и ее методов.

Но эксперименты – искусственные ситуации, создаваемые для проверки гипотез, – не единственное новшество, которое Галилей внес в науку. Помимо этого он, возможно, первым понял, что наблюдать окружающий мир – Вселенную – следует, применяя технические новшества. Эксперименты помогли ему выйти за рамки чистых рассуждений, а технические приспособления многократно расширили поле непосредственных наблюдений.

До Галилея наука полагалась прежде всего на прямые непосредственные наблюдения: человек воспринимал объекты при помощи органов чувств – видел их или, к примеру, трогал – без каких бы то ни было устройств, которые в какой-то мере изменяли образ исследуемого объекта. Тихо Браге, открывший, помимо прочего, сверхновую звезду и точно измеривший положения планет, работал раньше Галилея; последние из его знаменитых астрономических наблюдений сделаны до того, как Галилей появился на научной сцене. Браге пользовался точными измерительными инструментами, такими как большие квадранты, секстанты и армиллярные сферы. Мало того, он разработал и оплатил изготовление самых точных на тот момент инструментов; именно они позволили астроному провести измерения, на базе которых Кеплер смог прийти к выводу об эллиптических орбитах. Тем не менее все измерения Браге проводил, наблюдая небо невооруженным глазом, без каких бы то ни было линз или других устройств.

Следует отметить, что Галилей обладал тренированным глазом художника и абсолютным музыкальным слухом – он был сыном музыканта. Тем не менее он понял, что при помощи технических приспособлений можно многократно увеличить и без того неплохие наблюдательные возможности. Галилей считал, что непрямые наблюдения, сделанные при помощи специальных инструментов и на больших расстояниях, дадут ему гораздо больше, чем просто взгляд невооруженным глазом.

Сегодня всем известно, что Галилей первым взглянул на звезды через телескоп. Этот инструмент изменил подход человечества к науке, изменил наш взгляд на Вселенную и на самих себя. Но Галилей вовсе не был изобретателем телескопа. Это устройство придумал в 1608 г. в Нидерландах Ханс Липперсгей, но голландец пользовался им для наблюдения за людьми (отсюда и второе название подзорной трубы: spyglass – «шпионское стекло»). Тем не менее именно Галилей одним из первых понял, что это устройство может стать мощным инструментом для наблюдения космоса: ведь с его помощью можно проводить наблюдения, недоступные невооруженному глазу. Он усовершенствовал голландскую подзорную трубу и изготовил телескоп, способный увеличивать в 20 раз. Через год после того, как ему подарили такую игрушку, он превратил ее в научный прибор.

Тот факт, что Галилей начал наблюдать небо через специальные устройства, представлял собой радикальный отход от прежних методов измерения и решительный шаг вперед, очень важный для формирования современной науки. Первоначально люди с подозрением отнеслись к таким опосредованным наблюдениям. Даже сегодня найдутся скептики, готовые усомниться в реальности наблюдений, сделанных при помощи больших протонных коллайдеров, или данных, записанных компьютерами на космических аппаратах или телескопах. Но цифровые данные, регистрируемые этими устройствами, не менее реальны, а нередко и куда более точны, чем все, что мы можем наблюдать непосредственно. В конце концов, наш слух – это воздействие колебаний воздуха на барабанные перепонки в ушах, а зрение – действие электромагнитных волн на сетчатку глаза; в том и другом случае полученные данные обрабатываются мозгом. Это означает, что и сами мы – тоже своего рода приборы, притом не слишком надежные; это может подтвердить любой, кто сталкивался с оптическими иллюзиями (рис. 8). Прелесть научных измерений в том и состоит, что по их данным – к примеру, по экспериментам, которые физики сегодня проводят с использованием больших и точных детекторов – мы можем безошибочно судить о различных аспектах физической реальности, в том числе о природе элементарных частиц и их свойствах.

Если интуиция подсказывает человеку, что наблюдения, сделанные непосредственно глазами, – надежнее всего и что всевозможных абстракций следует опасаться, то наука учит преодолевать эти предрассудки. Измерения, которые мы делаем при помощи разработанных нами инструментов, более достоверны, чем сделанные невооруженным глазом; кроме того, их результат можно улучшить и перепроверить путем повторных измерений.

В 1611 г. даже церковь признала, что непрямые измерения достоверны. Том Левенсон в книге «Мера за меру» (Measure for Measure)[11] пишет, что ученое сообщество церкви должно было решить, можно ли доверять увиденному в телескоп. Кардинал Роберт Беллармин настаивал, что ученые мужи церкви должны обязательно и срочно разрешить этот вопрос, и 24 марта 1611 г. четверо ведущих церковных математиков объявили, что все открытия Галилея достоверны: телескоп действительно позволяет проводить точные и надежные наблюдения.

Еще одна памятная бронзовая медаль, которой поделились со мной падуанцы, прекрасно символизирует главные достижения Галилея. На одной стороне медали изображена сцена, где Галилей в 1609 г. представляет телескоп Синьории Венецианской республики и ее дожу Леонардо Дона. В надписи на другой стороне медали отмечается, что эта сцена «показывает истинное рождение современного астрономического телескопа» и символизирует «революцию в представлениях человека о мире за пределами планеты Земля», что этот «исторический момент выходит за рамки астрономии и является одной из отправных точек современной Науки».

Наблюдательные преимущества, полученные Галилеем, вызвали настоящий взрыв новых открытий. Устремляя взгляд в космос, Галилей раз за разом находил в нем новые объекты, недоступные невооруженному глазу. Он обнаружил звезды, которых никто прежде не видел, – они были густо рассеяны среди более ярких звезд, давно известных человечеству. Галилей опубликовал свои открытия в знаменитой книге 1610 г. «Звездный вестник» (Sidereus Nuncius), написанной всего за шесть недель. Пока печатник трудился над формами, Галилей спешно продолжал свои исследования; он хотел произвести впечатление на Козимо II Медичи, великого герцога Тосканского, – члена одной из богатейших семей Италии – и получить его поддержку, прежде чем те же данные опубликует какой-нибудь другой обладатель телескопа.

Наблюдения Галилея породили взрывное развитие теоретической науки. Галилей начал задавать необычные вопросы: он чаще спрашивал «как?», чем «почему?». Точные измерения и открытия, возможные только с применением телескопа, естественно, привели ученого к выводам, которые не могли не разгневать Ватикан. Они подтверждали, что Коперник был прав. Получалось, что единственная точка зрения, на базе которой можно непротиворечиво объяснить все его наблюдения, неразрывно связана с учением о том, что Солнце, а не Земля, является центром системы, вокруг которого обращаются все планеты.

Одним из главных достижений Галилея было открытие спутников Юпитера. Галилей видел, как эти луны появляются и исчезают, двигаясь по своим орбитам вокруг гигантской планеты. До этого считалось, что только неподвижностью Земли можно объяснить неизменность орбиты Луны. Наличие лун у Юпитера означало, что и планета, несмотря на свое движение, может иметь спутники. Понятно, что это добавило достоверности предположению о том, что и Земля может двигаться и даже обращаться вокруг какого-то другого тела. Само по себе это явление получило объяснение позже, когда Ньютон разработал свою теорию тяготения и сформулировал на ее основе предсказания о взаимном притяжении небесных тел.

Галилей назвал луны Юпитера медицейскими звездами в честь Козимо II Медичи, продемонстрировав тем самым прекрасное понимание важности финансирования – еще одного ключевого аспекта современной науки. Представители семейства Медичи действительно поддерживали исследования Галилея, однако позже, когда Галилей получил пожизненную пенсию от города Флоренции, четыре луны Юпитера в честь их первооткрывателя были переименованы в галилеевы спутники.

Галилей также использовал свой телескоп для наблюдения гор и долин на поверхности Луны. До его открытий считалось, что небеса неизменны и управляются с абсолютной регулярностью и постоянством. В системе аристотелевых взглядов, преобладавшей тогда, утверждалось, что, хотя все под луной несовершенно и непостоянно, небесные тела за пределами нашей планеты неизменны и имеют идеальную сферическую форму – в общем, состоят из некой божественной субстанции. При этом кометы и метеоры считались атмосферными, или погодными, явлениями – такими же, как ветры и облака, и современное слово метеорология восходит именно к такой системе взглядов. Подробные наблюдения Галилея позволяли предположить, что несовершенство – удел не только человеческого и подлунного мира. Луна оказалась не идеально гладкой сферой и была больше похожа на Землю, чем кто-либо осмеливался предположить. С открытием лунного рельефа противопоставление земных и небесных тел было поставлено под сомнение. Земля утратила свою уникальность и превратилась в обычное небесное тело, похожее на все остальные.

Историк искусств Джозеф Кернер объяснил мне, что распознать лунные кратеры по свету и тени Галилею помогла художественная подготовка. Галилея учили перспективе, поэтому ему легче было интерпретировать увиденное в телескоп. Он сразу понял смысл изображений, хотя они и не были полностью трехмерными. Он не собирался составлять карту Луны, а просто хотел понять структуру ее поверхности – и это ему удалось.

Третья значительная область наблюдений, подтвердившая точку зрения Коперника, имела отношение к фазам Венеры (рис. 9). Эти наблюдения были особенно важны, так как доказывали обращение небесных тел вокруг Солнца. Стало ясно, что Земля ни в чем не уникальна, а Венера не обращается вокруг нее.

Выяснилось, что с астрономической точки зрения Земля не является ничем особенным. Другие планеты вели себя точно так же – они обращались вокруг Солнца, а их спутники обращались вокруг них самих. Мало того, даже вне Земли, которая очевидно «запятнана» присутствием человека, далеко не все было так совершенно и безупречно. Даже на Солнце оказались пятна, которые тоже обнаружил Галилей.

Вооруженный новыми наблюдениями, Галилей пришел к выводу, что мы не являемся центром Вселенной и что Земля обращается вокруг Солнца! Галилей опубликовал свои радикальные выводы и тем самым бросил вызов церкви. Позже, однако, он публично отрекся от взглядов Коперника, чтобы ему заменили заключение в тюрьме на домашний арест.

Наблюдений и выводов о крупномасштабных космических объектах Галилею было недостаточно. Он умудрился радикально изменить и наши взгляды на маленькие объекты. Поняв, что через специальные инструменты можно наблюдать явления не только на крупных, но и на мелких масштабах, Галилей расширил пределы научных знаний в обе стороны. Помимо знаменитых астрономических наблюдений, он сумел повернуть технику внутрь – к исследованию микроскопического мира.

Я была немного удивлена, когда молодой итальянский физик Микеле Доро, водивший меня по выставке Сан-Гаэтано, уверенно заявил, что именно Галилей изобрел микроскоп. Я бы сказала, что за пределами Италии считается, что микроскоп был изобретен в Голландии, но, изобрел ли его Ханс Липперсгей, Захарий Янссен или его отец, можно только догадываться. Однако факт остается фактом: изобретал Галилей телескоп или нет (а скорее всего, нет), но микроскоп он точно построил и использовал для наблюдения мелких объектов. С помощью этого прибора можно было рассматривать насекомых с невиданной прежде подробностью. Насколько нам известно, Галилей первым описал в письме к своим друзьям микроскоп и его возможности. На выставке была представлена первая публикация, в которой описывались систематические наблюдения, которые можно было проводить при помощи галилеева микроскопа: в книге, датированной 1630 г., речь шла о детальном исследовании пчел, проведенном Франческо Стеллути.

Там же рассказывалось о том, как Галилей исследовал кости – а именно то, как в зависимости от размера костной ткани меняется особенности ее структура. Очевидно, что Галилей одним из первых осознал значение масштаба для науки и объяснения окружающего мира.

Выставка в Падуе не оставляла никаких сомнений в том, что Галилей в полной мере понимал методы и цели науки – ее количественную, предсказательную и концептуальную структуру, которая описывает определенные объекты и действует по точным и очень жестким правилам. Если эти правила дают точные предсказания об окружающем мире, значит, их можно использовать и для предсказания неизвестных пока явлений. Наука всегда ищет самую универсальную интерпретацию, способную объяснить все наблюдения и предсказать все явления.

История коперниковой революции прекрасно иллюстрирует и этот момент. Во времена Галилея великий астроном-наблюдатель Тихо Браге пришел к совершенно иным – и ошибочным – выводам о природе Солнечной системы. Он предложил странный компромисс системы Птолемея и системы Коперника, где Земля располагалась в центре мира, а остальные планеты обращались вокруг Солнца (сравнить системы можно на рис. 10). Вселенная Тихо хорошо согласовывалась с наблюдениями, но, откровенно говоря, это была не самая элегантная интерпретация. Однако она больше устраивала иезуитов, чем взгляды Галилея, потому что в предположениях Тихо Браге – как и в птолемеевой теории, которой наблюдения Галилея противоречили – Земля была неподвижна[12].

Галилей быстро распознал внутренне противоречивую природу интерпретации Тихо Браге и пришел к верному и наиболее универсальному выводу. Соперник Ньютона Роберт Гук позже заметил, что и теория Коперника, и концепция Тихо Браге прекрасно согласовывались с данными Галилея, но одна из них была более элегантной: «С точки зрения пропорций и гармонии Мира невозможно не согласиться с аргументами Коперника». Интуиция правильно подсказывала Галилею, что верна должна быть более красивая теория. В конце концов, когда ньютонова теория гравитации объяснила непротиворечивость устройства мира по Копернику и предсказала орбиты планет, интерпретация Галилея победила. Теория Тихо Браге, как и теория Птолемея, оказалась неверной. Она не вошла в позднейшие теории, потому что это было невозможно. Если эффективная теория, по существу, представляет собой приближенный вариант истинной теории, взятой при определенных ограничениях, то здесь не так: никакое приближение теории Коперника не дает нам ни одной из некоперниковых картин мира.

Как показала неудача теории Тихо Браге – и подтвердила физика Ньютона, – субъективный критерий экономности и красоты тоже может сыграть существенную роль в первоначальной научной интерпретации. Исследования подразумевают поиск законов и принципов, которые охватили бы и объяснили наблюдаемые структуры и взаимодействия. Если в распоряжении ученых имеется достаточное количество наблюдаемых данных, то в конце концов побеждает та теория, которая включает в себя все результаты и при этом обеспечивает базу для новых предсказаний. А вот на одной логике далеко не уедешь, и специалисты по физике элементарных частиц очень хорошо это знают: не зря им приходится ждать новых экспериментальных данных, которые помогут окончательно определить наши представления о фундаментальной природе Вселенной.

Галилей много сделал для создания фундамента, на котором и по сей день работают ученые. Он инициировал медленный процесс развития, знание которого помогает лучше понять природу науки (в частности, то, как при помощи непрямых наблюдений и экспериментов получать верные описания физических явлений), а также некоторые серьезные вопросы, которые ставят сегодня перед собой физики. Современная наука пытается согласовать наблюдения с теорией при помощи открытий и новшеств, которыми мы обязаны Галилею, – мы применяем и технические средства, и эксперименты, и теории, и математический аппарат. Главное, Галилей сумел распознать важность взаимодействия всех этих элементов науки в формировании физического описания мира.

Сегодня мы более свободны в своем мышлении. Исследуя далекие пределы пространства, мы наблюдаем, как развивается начатая Коперником революция, как возникают новые теории о возможных дополнительных измерениях или альтернативных вселенных. Новые идеи не проходят бесследно – человек все дальше и дальше уходит от представления о себе как о центре мироздания и в буквальном, и в переносном смысле. А в будущем наблюдения и эксперименты либо подтвердят, либо опровергнут наши предположения.

Непрямые методы наблюдений, впервые предложенные Галилеем, сегодня находят новое применение в сложнейших датчиках Большого адронного коллайдера. Завершающий экспонат падуанской выставки проиллюстрировал для нас эволюцию науки вплоть до сегодняшнего дня; на нем даже были представлены некоторые эксперименты, запланированные на БАКе. Наш гид признался, что все эти описания казались ему слишком сложными, путаными и непонятными, пока он не понял, что БАК – это предельное на сегодняшний день воплощение микроскопа, позволяющее заглянуть в самые мелкие из доступных человеку масштабов.

И сегодня, когда мы осваиваем новые пределы точности измерений, мысли Галилея о том, как следует планировать эксперименты и интерпретировать их результаты, сохраняют свою актуальность. Его наследие живет, пока мы продолжаем создавать устройства и получать с их помощью изображения объектов, невидимые невооруженным глазом. Мы и сегодня действуем в соответствии с его взглядами на то, как работают научные методы: чтобы подтвердить или опровергнуть новую научную гипотезу, мы ставим эксперименты. Участники конференции в Падуе размышляли о том, какие новые данные принесет нам ближайшее время и что, собственно, эти данные могут означать. Мы все надеемся, что науке в очередной раз удастся расширить пределы человеческих знаний. А пока продолжаем стучаться в двери небес.

Глава 3

Жизнь в материальном мире

В феврале 2008 г. поэтесса Катарина Коулз и биолог и математик Фред Адлер (оба из Университета Юты в Солт-Лейк-Сити) организовали междисциплинарную конференцию под названием «Вселенная в песчинке» (A Universe in a Grain of Sand). Темой встречи стала роль масштаба в различных научных дисциплинах. Такая конференция, естественно, только выигрывала от разнообразия интересов участников и выступающих, поэтому здесь собрались представители самых разных областей. Как разделить наблюдения по категориям в соответствии с исследуемыми масштабами, чтобы разобраться в них, организовать и вновь свести воедино? В обсуждение этой темы все наши эксперты – а там были физик, архитектурный критик и профессор английского языка – могли внести свой вклад.

Во вступительной речи литературный критик и поэт Линда Грегерсон назвала нашу Вселенную «совершенной». Это слово точно характеризует то, что делает Вселенную такой чудесной и одновременно неприступной. Очень многое в ней лежит, судя по всему, за пределами нашей досягаемости и нашего понимания, – и в то же время достаточно близко, чтобы дразнить и манить нас: войдите и разберитесь. При любом подходе к знаниям главное – сделать малодоступные аспекты Вселенной более понятными. Человек жаждет научиться читать и понимать книгу природы; он хочет согласовать полученные знания со своими представлениями об окружающем мире.

Человечество в своих попытках разгадать тайны жизни и окружающего мира пользуется различными методами и стремится к разным целям. Искусство, наука и религия, хоть и связаны, возможно, с одними и теми же творческими импульсами, предлагают разные подходы к исследованию белых пятен нашего мировосприятия.

Прежде чем вернуться в мир современной физики, сравним несколько способов мышления и немного углубимся в историю дебатов между религией и наукой, поговорив по крайней мере об одном камне преткновения, который никогда не будет окончательно устранен. Мы рассмотрим материалистический и механистический мир науки – важнейшую черту научного подхода к знаниям. Скорее всего, противники этого подхода не изменят своего мнения в результате нашей дискуссии, тем не менее она поможет читателю более точно представить и осмыслить корни разногласий между двумя подходами.

Немецкий поэт Райнер Мария Рильке точно ухватил парадокс, который остро ощущает всякий человек при встрече лицом к лицу с совершенством: «С красоты начинается ужас. / Выдержать это начало еще мы способны; / Мы красотой восхищаемся, ибо она погнушалась / Уничтожить нас»[13]. В своем выступлении в Солт-Лейк-Сити Линда Грегерсон говорила о совершенстве совсем другими, тонкими, возвышенными и куда менее устрашающими словами. Она вспомнила Иммануила Канта, который различал красоту, «заставляющую нас верить в то, что мы существуем для Вселенной, а она для нас», и совершенство, которое внушает ужас. Грегерсон рассказала, что люди чувствуют «тревогу при встрече с совершенством», потому что оно плохо воспринимается человеком.

Понятие «совершенство» вновь всплыло в 2009 г. в дискуссии о музыке, искусстве и науке, которую мы с товарищами устроили во время работы над оперой о физике. Для нашего дирижера Клемента Пауэра некоторые музыкальные отрывки воплощали в себе одновременно ужас и красоту, тогда как остальные слышали в них только красоту. Для Клемента совершенная музыка – одинокая вершина, превосходящая его способность к восприятию и не допускающая интерпретации или расшифровки.

Совершенство предлагает нам масштабы и ставит вопросы, выходящие за пределы наших интеллектуальных возможностей. Именно поэтому оно одновременно внушает ужас и завораживает. Представление о совершенстве меняется со временем – по мере того как расширяется линейка масштабов, с которыми мы чувствуем себя комфортно и работаем без труда. Но в любой конкретный момент можно быть уверенным: мы по-прежнему жаждем узнать о поведении объектов и о событиях, происходящих на слишком мелких и слишком крупных для нас масштабах, которые мы пока не в состоянии освоить.

Наша Вселенная во многом совершенна. Она вызывает восхищение, но иногда ошеломляет – и даже пугает – своей сложностью. Тем не менее все ее компоненты чудесным образом согласуются друг с другом. И искусство, и наука, и религия стремятся направить человеческое любопытство и просветить нас, постоянно расширяя пределы познаний. Все они обещают, хотя и по-разному, помочь нам разорвать узкие рамки индивидуального опыта, проникнуть в царство совершенства и понять его (рис. 11).

Искусство позволяет нам исследовать Вселенную через призму человеческого восприятия и эмоций. С его помощью мы оцениваем мир через чувства, особое внимание уделяя тому, как человек ощущает себя во Вселенной и как он ее наблюдает. Искусство – в значительной мере производная автора; взаимодействуя с ним, мы можем прояснить наше собственное интуитивное видение мира. В отличие от науки искусство не ищет объективных истин, выходящих за пределы человеческих отношений. Оно прочно связано с нашими физическими и эмоциональными реакциями на внешний мир и основывается на внутреннем опыте, потребностях и возможностях, которые наука, как правило, никак не затрагивает.

Наука, в свою очередь, занимается поиском объективных проверяемых истин об окружающем мире. Она исследует элементы, из которых выстроена Вселенная, и то, как эти элементы взаимодействуют. Шерлок Холмс, знаменитый герой Артура Конан Дойля, наставляя доктора Ватсона, достаточно точно описал методологию науки: «Расследование преступления – точная наука, по крайней мере должно ею быть. И описывать этот вид деятельности надо в строгой, бесстрастной манере. А у вас там сантименты. Это все равно что в рассуждение о пятом постулате Евклида включить пикантную любовную историю… Единственное, что заслуживает внимания в этом деле, – цепь рассуждений от следствия к причине. Это и привело к успешному раскрытию дела»[14].

Сэр Артур Конан Дойль, без сомнения, вложил бы в уста Холмса примерно те же слова, если бы тому пришлось объяснять Ватсону методологию науки при распутывании загадок Вселенной. Ученые пытаются держать человеческие предубеждения и эмоции в стороне, чтобы они не затуманивали картины и не мешали получать непредвзятую информацию об окружающей реальности. Делается это при помощи логики и коллективных наблюдений. Ученые стараются разобраться, какие объективные физические законы управляют тем, что они наблюдают.

Однако заметим, что Шерлок пользуется не дедуктивной, а индуктивной логикой, как и большинство детективов и ученых, которые пытаются сложить головоломку из кусочков. Ученые и детективы работают индуктивно – идут от наблюдений и пытаются восстановить непротиворечивую картину, которая соответствовала бы всем измеренным явлениям и параметрам. К дедукции переходят уже потом, когда появляется теория; тогда ученые и сыщики стараются предсказать другие явления и связи в мире. Но к тому моменту – по крайней мере с точки зрения детектива – дело уже сделано.

Еще один подход к познанию мира – религия; с ее помощью многие пытаются ответить на вызов, о котором говорила Грегерсон: проникнуть в труднодоступные уголки Вселенной. Британский автор XVII в. сэр Томас Браун писал в своей книге «Вероисповедание врачевателей» (лат. Religio Medici, 1643): «Я люблю потеряться в таинственном, загоняя свой разум на самое дно». Браун и такие, как он, считают, что логики и научного метода недостаточно, чтобы открыть всю истину; они верят, что к абсолютной истине обращается только религия. Очень может быть, что ключевое различие между наукой и религией заключается в характере вопросов, которые они ставят перед собой. Религия занимается в том числе вопросами, которые никоим образом не находятся в ведении науки. Религия спрашивает: «Почему?» – и предполагает наличие «предустановленной» цели, тогда как наука задается лишь вопросом «как?». Наука не считает, что у всего сущего в природе есть изначальная цель. Эту идею мы оставляем религии и философии.

Во время нашего разговора в Лос-Анджелесе режиссер Скотт Дерриксон рассказал мне, что в сценарии фильма «День, когда Земля остановилась» (в 2008 г. он сделал ремейк фильма 1951 г.) первоначально была фраза, которая очень сильно его задела – так, что уже после съемок он несколько дней не мог избавиться от мыслей о ней. Героиня Дженнифер Конноли, говоря о смерти своего мужа, произнесла: «Вселенная случайна».

Скотта растревожили эти слова. Да, конечно, в фундаментальные физические законы входит элемент случайности, но весь смысл поиска этих законов состоит в том, что хотя бы некоторые явления Вселенной можно было бы рассматривать как предсказуемые. Скотту потребовалось несколько недель после того, как эти слова были исключены из сценария, чтобы подобрать на их место подходящую фразу – «Вселенная равнодушна». Я навострила уши, услышав эту же фразу в сериале «Безумцы»; главный герой которого, Дон Дрейпер, произнес ее как неприятную истину.

Но равнодушная Вселенная – это вовсе не плохо, хотя и не хорошо, если уж разобраться. Ученые не ищут за явлениями окружающего мира намерений, как это делает религия. Для объективности науки просто необходимо, чтобы мы считали Вселенную равнодушной. В самом деле, наука в ее беспристрастности иногда снимает клеймо зла с человеческих проявлений, указывая на их физическое, а не моральное происхождение. Мы сегодня знаем, к примеру, что душевные недуги и болезненные пристрастия иногда по «невинным» биологическим и физическим причинам переходят в категорию заболеваний, лежащих за пределами моральной сферы, исключенных из нее.

Несмотря на это, наука не обращается к вопросам морали (хотя и не отрицает их). Так же наука не задается вопросом о причинах такого поведения Вселенной и не судит о моральности или аморальности человеческих поступков. Бесспорно, некоторые ученые занимаются поисками физиологической базы человеческих поступков, хотя цель науки, вообще говоря, не в том, чтобы разбираться с моральным обликом человечества.

Граница между сферами интересов религии и науки не всегда строга, теологи иногда ищут ответы на научные вопросы, а ученые – заимствуют первоначальные идеи или направления исследований из взгляда на мир, который им близок, иногда даже религиозного. Более того, поскольку науку делают люди, на промежуточных стадиях научного исследования, где ученые формулируют свои теории, значение нередко имеют и человеческие чувства, такие как вера в обязательное существование ответов на задаваемые вопросы. Незачем и говорить, что это работает в обоих направлениях: художники и теологи тоже могут опираться на наблюдения и научное понимание мира.

Однако тот факт, что границы между подходами иногда размыты, не устраняет принципиальной разницы в их конечных целях. Цель науки – предсказуемая физическая картина, способная объяснить, как все устроено и работает. Методы и цели науки и религии принципиально различны, ведь наука обращается к физической реальности, а религия – к психологическим или социальным человеческим желаниям и потребностям.

Вообще, разные цели не обязательно порождают конфликт – более того, они позволяют прекрасно распределить усилия. Однако религия далеко не всегда действует исходя из цели или удобства. Многие религии, помимо всего прочего, рассматривают и внешнюю по отношению к Вселенной реальность, что видно даже из религиозного определения мироздания. В словаре American Heritage Dictionary приводится следующее определение религии: «Вера в божественную или сверхчеловеческую силу (или силы), которой (которым) следует повиноваться и поклоняться как создателю (создателям) и владыке (владыкам) Вселенной». Dictionary.com говорит, что религия – это «набор верований о причине, природе и цели существования Вселенной, особенно если она рассматривается как творение некоего сверхчеловеческого начала или начал, как правило, требующего поклонения и ритуалов, а также моральный кодекс, определяющий моральность человеческих поступков». Из этих определений следует, что религия говорит не только об отношении человека к окружающему миру – будь оно моральным, эмоциональным или духовным, – но рассказывает и о мире как таковом. Это оставляет религиозные взгляды открытыми для интерпретаций. Когда наука вторгается в область знаний, на единственно верное объяснение которых претендует религия, неизбежно возникают конфликты.

Человечество неизменно стремится к знаниям и мудрости. Однако люди с разными целями или разными подходами к постановке вопросов и поиску ответов редко ладят между собой; да и сам поиск истины далеко не всегда движется по параллельным путям; зачастую пути пересекаются, порождая противоречия. Когда кто-то пытается применить религиозные верования к объяснению внешнего мира, наблюдаемые факты не всегда согласуются с этими верованиями, и религии приходится искать определенный компромисс с реальностью. Так было и в раннехристианские времена, когда церкви приходилось примирять свободу воли с божьим всемогуществом, так происходит и сегодня.

Вопрос этот перед наукой и религией стоял не всегда. Давным-давно, до научной революции, религия и наука мирно сосуществовали. В Средние века римско-католическая церковь позволяла интерпретировать Писание достаточно свободно и широко, но продолжалось это лишь до тех пор, пока не возникла серьезная угроза главенству церкви – Реформация. В этом контексте особенно неприятными выглядели выводы Галилея в пользу гелиоцентрической теории Коперника, которые никак не укладывались в церковное учение о Небесах. Публикация результатов этих исследований не только шла вразрез с постулатами церкви, но и ставила под угрозу ее абсолютный авторитет в вопросах интерпретации Священного Писания. Неудивительно, что церковные иерархи не любили Галилея и его научные труды.

В более недавней истории можно найти многочисленные примеры конфликтов между наукой и религией. К примеру, второй закон термодинамики – тот самый, что утверждает, что со временем энтропия в мире увеличивается, – может поставить в тупик любого, кто верит, что Бог создал идеальный мир. Теория эволюции, разумеется, порождает аналогичные проблемы; время от времени они вырываются наружу – вспомните, к примеру, недавние горячие «дебаты» о креационизме. Даже расширяющаяся Вселенная может не понравиться тому, кто жаждет верить, что Вселенная, в которой все мы живем, совершенна, хотя теорию Большого взрыва первым предложил католический священник Жорж Леметр.

Одним из самых забавных примеров того, что иногда ученому приходится конфликтовать с собственной верой, может служить английский натуралист Филип Госсе. Он оказался в весьма затруднительном положении, когда в начале XIX в. понял, что напластования геологических пород, в которых содержатся окаменелые останки вымерших животных, противоречат представлению о том, что Земле всего 6000 лет. В книге «Пуп Земли, или Попытка развязать геологический узел» (Omphalos, an attempt to untie the geological Knot) он разрешил конфликт следующим забавным образом: Земля создана недавно, утверждал он, но в ней содержатся специально созданные «кости» и «окаменелости» никогда не существовавших животных и другие свидетельства долгой (несуществующей) истории. Госсе постулировал, что любой мир должен демонстрировать признаки изменений, даже если на самом деле никаких изменений не происходило. Сегодня такая интерпретация может показаться глупой, но технически она ничему не противоречит. Однако никто, судя по всему, не принял ее всерьез. Сам Госсе переключился на морскую флору и фауну. Кости динозавров подвергали его веру серьезнейшему испытанию.

К счастью, большинство верных научных идей со временем начинают казаться менее радикальными. В конце концов, как правило, научные открытия побеждают и утверждаются. Сегодня никто не поставит под сомнение гелиоцентрическую теорию строения Солнечной системы или расширение Вселенной. Но буквальная интерпретация священных книг до сих пор вызывает проблемы у верующих, склонных воспринимать писаные законы своей религии слишком серьезно.

Менее буквальное прочтение Священного Писания до XVII в. помогало избегать подобных конфликтов. Однажды в разговоре за ланчем Карен Армстронг, ученый и историк религии, объяснила мне, что когда-то конфликта между наукой и религией не было. Религиозные тексты воспринимались менее буквально и догматично, а потому вызывали меньше конфликтов.

В V в. Блаженный Августин сказал об этом достаточно определенно: «Ведь нередко бывает, что и нехристианин немало знает о земле, небе и остальных элементах видимого мира, о движении и обращении, о величине и удаленности звезд, о затмениях Солнца и Луны, о круговращении годов и временной природе животных, растений, камней и тому подобном, притом знает так, что может защитить эти знания и очевиднейшими доводами, и жизненным опытом. Между тем бывает крайне стыдно, опасно и даже гибельно, когда какой-нибудь неверный едва удерживается от смеха, слыша, как христианин, говоря о подобных предметах якобы на основании христианских писаний, несет такой вздор, что попадает пальцем в небо. И не то плохо, что осмеивается заблуждающийся, а то, что в глазах людей, о спасении души которых мы неустанно заботимся, наши писатели выглядят невежественными и потому ими презираются»[15].

Августин в своей мудрости пошел еще дальше. Он объяснил, что Бог намеренно включил в Священное Писание загадки, чтобы дать людям возможность искать разгадки и радоваться их разрешению. Это относилось в равной степени к постулатам, которые требовали метафорической интерпретации. Августин, похоже, с некоторым юмором смотрел на логичность и нелогичность всего учения и одновременно пытался объяснить основные парадоксы. К примеру, как может человек – любой человек – до конца понять или оценить Господень план без возможности путешествовать во времени?

Галилей, кстати говоря, был согласен с Блаженным Августином. В 1615 г. он писал Кристине Лотарингской, великой герцогине Тосканской: «Во-первых я считаю, что весьма благочестиво говорить и благоразумно утверждать, что Святая Библия не может говорить неправду, если ее истинный смысл понят верно». Он даже считал, что так же полагал и Коперник. Галилей утверждал, что «Коперник не пренебрегал Библией, но он прекрасно понимал, что, будь его учение доказано, оно не могло бы противоречить Писанию, если то и другое было бы верно понято».

Галилей писал также, ссылаясь в своем рвении на Августина: «И если кто противопоставит слова Священного Писания чему-то очевидно разумному, то тот, кто делает это, не знает, что творит; ибо он противопоставляет истине не смысл сказанного в Библии, каковой смысл недоступен его пониманию; не то, что есть в Библии, но то, что он нашел в себе самом и лишь вообразил, что оно есть там».

Августин был не слишком догматичен в своем подходе к Писанию; он считал, что текст Писания всегда имеет рациональный смысл. Любое внешнее противоречие с наблюдаемыми во внешнем мире фактами есть обязательно результат непонимания читателя, даже если верное объяснение неочевидно и неизвестно. Августин рассматривал Библию как божественное откровение, записанное и сформулированное человеком.

Августин истолковывал Библию отчасти как отражение субъективного опыта записавшего откровение человека, и в этом его интерпретация Писания схожа с современным определением искусства. Если бы церковь придерживалась августиновых взглядов, ей не нужно было бы отступать и терять позиции перед лицом научных открытий.

Галилей это понимал. Для него самого и его единомышленников наука и Библия никак не могли противоречить друг другу – нужно было только правильно понять написанное. Причина любого явного конфликта между ними крылась не в научных фактах, а в человеческом понимании или непонимании. Да, Библия временами может быть недоступна человеческому разуму, и может даже показаться на первый взгляд, что она противоречит нашим наблюдениям; тем не менее, согласно интерпретации Августина, Библия не может быть неправа. Галилей был хорошим христианином и не считал себя вправе утверждать что-то, что шло бы вразрез с Писанием, даже когда логика подводила его к этому. Много-много лет спустя папа Иоанн Павел II даже объявил, что Галилей был лучшим теологом, чем его оппоненты.

Но Галилей так же верил в собственные открытия. В одной из навязанных ему теологических дискуссий он прозорливо заметил: «Обратите внимание, теологи, что в своем стремлении выводить вопросы веры из тезисов, связанных с неподвижностью Солнца и Земли, вы рискуете тем, что когда-нибудь вам придется заклеймить как еретиков тех, кто объявит, что Земля неподвижна, а Солнце меняет свое положение, – когда-нибудь, говорю я, когда, возможно, будет доказано физически или логически, что Земля движется, а Солнце стоит на месте».

Ясно, что христианская религия далеко не всегда исповедовала подобный взгляд. В противном случае Галилей не оказался бы в заключении, а современные газеты не пестрели бы сообщениями о судебных распрях, связанных с теорией разумного замысла. Хотя у многих священников достаточно гибкие взгляды, однозначное объяснение физических явлений вполне может породить проблемы. В наше время трудно всерьез отстаивать буквальное прочтение Священного Писания. В будущем, когда техника позволит нам заглянуть в мир еще более мелких – или еще более крупных – масштабов, наука и религия еще глубже проникнут друг в друга, и поводов для потенциальных конфликтов станет только больше.

Сегодня значительная часть религиозных людей в мире стремится избегать подобных конфликтов и выбирает более свободную интерпретацию своей веры. Не полагаясь на жесткое и буквальное толкование Писания или догм любой другой религии, эти люди считают, что сохраняют веру, принимая при этом открытия и доказательные аргументы науки.

Основная проблема заключается в том, что противоречия между наукой и религией уходят намного глубже конкретных формулировок. Даже если речь не идет о буквальном толковании каких бы то ни было текстов, проблема не решается. Религия и наука опираются на несовместимые логические установки – ведь религия рассматривает все в нашем мире и жизни через вмешательство внешнего божества. Божественные действия – не важно, относятся ли они к грому и молнии или к нашему сознанию – не укладываются в рамки науки.

Вообще, вера как социальный или психологический опыт личности – совершенно не то же самое, что религия, основанная на представлении о Боге, который активно вмешивается в нашу жизнь, влияет на нас или на наш мир извне. В конце концов, для некоторых религия – чисто личное предприятие. Для тех, кто так считает, вероятно, важны социальные связи, складывающиеся в религиозной общине единомышленников – для них очень важно быть частью подобной группы, – или психологический комфорт от ощущения себя частью большого мира. Вера для таких людей неотделима от соблюдения обряда и выбранного образа жизни. Общность цели – источник душевного комфорта.

Многие такие люди считают себя духовными. Религия обогащает их существование – придает ему объемность, глубину, смысл и цель, а также чувство причастности. Они не считают, что роль религии – объяснять механику Вселенной. Религия действует на них через изначально присущее им чувство благоговения перед окружающим миром и его чудесами; иногда она помогает таким людям общаться с окружающими и вообще с внешним миром. Многие из них искренне считают, что религия и наука могут благополучно сосуществовать в человеческом обществе.

Но, как правило, религия – это не только образ жизни и философия. В большинстве религий речь идет о божестве, способном вмешиваться в жизнь людей таинственными методами, которые не могут описать даже служители божества и, естественно, не в состоянии объяснить наука. Подобная вера у религиозных людей даже самых широких взглядов, готовых приветствовать научные достижения, неизбежно вызывает серьезные затруднения: как можно совместить действия Господа с положениями науки. Даже если допустить существование Бога или некоей духовной силы, которая ранее могла влиять на происходящее в мире и играть в нем ведущую роль, то с научной точки зрения немыслимо, чтобы Бог и сейчас продолжал вмешиваться, не оставляя после своих действий никаких материальных следов.

Чтобы разобраться в существе конфликта – и лучше оценить природу науки, – нам нужно более полно понять характерную для науки материалистическую точку зрения, согласно которой наука работает в материальной Вселенной, а любое активное воздействие имеет физические корреляты. В научный взгляд на мир встроено также представление о том, что мы в состоянии распознать компоненты материи на любом структурном уровне (об этом уже говорилось в главе 1). Объект, существующий в большем масштабе, в меньших масштабах построен из материальных деталей. Даже зная все физические элементы более мелкого масштаба, мы не всегда можем объяснить происходящее на более крупных масштабах, но мелкие компоненты-«кирпичики» все же существенны. Знания вещественной составляющей интересующих нас явлений не всегда достаточно для их объяснения, но без физических коррелятов само существование этих явлений невозможно.

Некоторые люди обращаются к религии в поисках ответов на сложные вопросы, к которым, по их мнению, наука никогда не сможет подступиться. В самом деле, научное материалистическое мировоззрение не гарантирует, что мы сможем все понять и во всем разобраться – по крайней мере одного только понимания базовых компонентов для этого явно недостаточно. Классифицируя объекты Вселенной по масштабу, ученые признают, что мы вряд ли сможем ответить на все вопросы сразу; кроме того, хотя фундаментальная структура вещества очень важна, сама по себе она вряд ли даст ответы на все наши вопросы. Несмотря на знакомство с квантовой механикой, мы продолжаем пользоваться законами Ньютона, потому что именно они определяют движение мяча в земной атмосфере, а вычислить то же самое, исходя из данных об атомной структуре, было бы чрезвычайно трудно. Мяч не может существовать без составляющих его атомов, но атомная картина не поможет рассчитать траекторию его полета, хотя одно с другим, разумеется, вполне согласуется.

Этот урок можно распространить на многие явления, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Как правило, мы можем не обращать внимания на подробности внутренней структуры или точный состав, хотя свойства материала имеют значение. Чтобы ездить на автомобиле и даже водить его, не нужно знать его внутреннее устройство. Готовя на кухне, мы смотрим, пропекся ли пирог, достаточно ли разварилась овсянка и поднялось ли суфле. А вот скрытая внутри продуктов атомная структура, отвечающая за все эти изменения, нас интересует редко, – если, конечно, мы не посвятили себя молекулярной кулинарии. Однако это не отменяет того факта, что без составляющих ее атомов пища не была бы питательной. Ингредиенты суфле совсем не похожи на итоговое блюдо (рис. 12). Тем не менее без элементов и молекул, которые вы предпочитаете не замечать, ваша еда не могла бы существовать.

Аналогично практически любой человек затруднится точно определить, что такое музыка. Но если все же попытаться описать это явление и нашу эмоциональную реакцию на него, то вряд ли музыка будет рассматриваться на уровне атомов или нейронов. Когда мы слушаем музыку, наши уши регистрируют звуковые колебания, произведенные хорошо настроенным инструментом, но на самом деле музыка – это нечто гораздо большее, чем колебания отдельных атомов воздуха, а наша реакция на музыку – не просто физическое действие ее на ухо и мозг.

Тем не менее материалистическое мировоззрение никуда не девается, и физическая основа происходящего имеет принципиальное значение. Музыка действительно возникает при колебаниях молекул воздуха. Избавьтесь от механической реакции уха на чисто физические явления – и вы не услышите музыки. (Да, и в космосе никто не услышит вашего крика.) Дело просто в том, что наше восприятие и понимание музыки выходит за рамки чисто материалистического описания. Сосредоточившись только на колебаниях молекул, мы не сможем ответить на вопрос о том, как человек воспринимает музыку. Для понимания музыки необходимо оценивать и аккорды, и гармонию, и отсутствие гармонии такими способами, в которых никак не участвуют молекулы или колебания. Тем не менее музыка без колебаний – или по крайней мере без сенсорного воздействия, которое производят эти колебания на человеческий мозг – невозможна.

Еще один пример. Понимание базовых компонентов, составляющих тело животного, – это лишь первый шаг к пониманию того, что представляет собой жизнь. Мы почти наверняка не сможем понять природу жизни, не разобравшись в том, как эти компоненты, соединившись, порождают знакомые нам явления. Жизнь – эмерджентное явление[16], выходящее за рамки простой суммы составляющих ее элементов.

Скорее всего, сознание – тоже эмерджентное понятие. Хотя у нас нет пока вразумительной теории сознания, ясно, что мысли и чувства коренятся, по существу, в электрических, химических и физических свойствах мозга. Ученые могут наблюдать физические явления в мозгу, связанные с мыслями и чувствами, хотя и не способны пока объединить все это воедино и объяснить, как что работает. Такой материальный взгляд необходим, но не всегда достаточен для понимания всех явлений нашего мира.

Никто не может гарантировать, что мы когда-нибудь сумеем понять сознание до самых фундаментальных его составляющих, но не исключено, что нам удастся в конце концов выработать принципы, применимые на неком более крупном, более составном или эмерджентном масштабе. Будущие научные успехи помогут ученым лучше понять фундаментальную химию и электрические каналы мозга и таким образом идентифицировать базовые функционирующие единицы. Сознание, вероятно, будет объяснено как явление, которое можно до конца понять, только выделив и изучив правильные составные элементы.

Это означает, что шанс на серьезное продвижение в этом направлении имеют не только нейробиологи, изучающие базовую химию мозга. Психологи, к примеру, задаются вопросом о том, чем мыслительные процессы младенца отличаются от наших с вами; другие ученые исследуют, чем мысли человека отличаются от собачьих; у тех и других тоже хорошие шансы на успех. Исследуя проблему на более высоком уровне, мы, возможно, сможем понять кое-что о сознании и о том, какие вопросы надо будет задать, когда мы пойдем дальше и начнем изучать строительные кирпичики – а именно химию и физику мозга. Как и в случае с чудесным суфле, нам придется разбираться в эмерджентных системах, которые при этом вскроются. Тем не менее ни одна человеческая мысль не может возникнуть и ни одно действие не может иметь место без того, чтобы не были затронуты физические компоненты нашего тела.

Физика, может быть, не так загадочна, как квантовая теория сознания, но она делает успехи, изучая явления на разных масштабах. Изучая несопоставимые размеры и различные состояния вещества, физики ставят перед собой разные задачи. Вопросы, которые мы задаем себе при разработке проекта космического корабля для путешествия на Марс, существенно отличаются от тех, которые интересуют нас при изучении взаимодействия кварков. Разумеется, те и другие имеют право на существование, но одни из других напрямую не выводятся. Тем не менее материальный объект, который мы отправляем в космос, состоит из тех самых фундаментальных компонентов, в которых мы надеемся разобраться.

Мне не раз случалось слышать, как материалистическую точку зрения, которой придерживаются ученые, изучающие элементарные частицы, критикуют как редукционистскую; при этом нередко нам указывают на все те явления, в которых мы не хотим – или не можем – разобраться. Иногда речь идет о физических или биологических процессах, таких как деятельность мозга или ураганы, иногда о духовных явлениях; здесь я теряюсь и не всегда понимаю, о чем идет речь, но вынуждена согласиться – да, мы их не исследуем. Физические теории имеют отношение к строению вещества на любых масштабах – от крупнейших до мельчайших. Со временем мы выстраиваем непротиворечивую картину того, как реальность одного уровня переходит в реальность другого уровня. Базовые элементы для реальности принципиально важны, но ученые не считают, что знания о них сами по себе все объясняют. Для объяснений нужны дальнейшие исследования.

Даже если окажется, что теория струн объясняет квантовую гравитацию, понятие «теория всего» все равно не пригодится. В том маловероятном случае, если физикам удастся-таки выработать всеохватывающую фундаментальную теорию, без ответа все равно останется множество вопросов о явлениях более крупных масштабов – ведь для этого недостаточно только знания базовых компонентов. Только когда ученым удастся понять комплексные явления, возникающие на более крупных масштабах, чем те, что описываются элементарными струнами, можно будет надеяться на объяснение сверхпроводящих материалов, чудовищных океанских волн – и жизни. Ученые в своей работе исследуют масштаб за масштабом – последовательно. Это позволяет нам изучать объекты и процессы на гораздо больших расстояниях и масштабах, чем те, что были бы нам доступны, если бы мы пытались непременно отслеживать поведение каждого из их компонентов.

Несмотря на то что для получения ответов на разные вопросы мы обращаемся к разным уровням реальности, материалистический взгляд на вещи остается обязательным. Физика и другие науки изучают вещество – или материю, – существующее в мире. Наука по сути своей имеет дело с механическими взаимодействиями объектов и их результатами. Объект движется, потому что определенная сила оказала на него воздействие. Двигатель работает за счет расходования энергии. Планеты обращаются вокруг Солнца под действием его гравитационного притяжения. С научной точки зрения поведение человека тоже зависит в конечном итоге от химических и физических процессов, даже если мы пока далеки от понимания, как все эти механизмы работают. Моральный выбор человека тоже, вероятно, имеет отношение, по крайней мере отчасти, к нашим генам и, соответственно, к нашей эволюционной истории.

Может быть, мы и не пытаемся ответить на все жизненно важные вопросы одновременно, но основа необходима для научного описания. Для ученого очевидно, что под всяким описанием окружающей действительности кроются материальные механистические элементы. У любого явления в нашем мире есть физические корреляты, без которых это явление невозможно. Они необходимы, даже если с их помощью невозможно объяснить все на свете.

В науке такой материалистический взгляд прекрасно работает. Но как только религия привлекает Бога или какую-то другую нематериальную сущность и начинает объяснять поведение людей или мира с их помощью, неизбежно возникают логические конфликты. Проблема в том, что если вы хотите принять одновременно и науку, и Бога, который управляет Вселенной или действиями людей, то вам придется решить вопрос о том, в какой именно момент в ход вещей вмешивается божество и как именно оно это делает. Материалистическая позиция науки такова: если гены, влияющие на наше поведение, возникли в результате случайных мутаций, позволяющих видам эволюционировать, то Бог может повлиять на поведение человека лишь в том случае, если он физически вмешается и сотворит якобы случайную мутацию. Чтобы управлять нашим поведением сегодня, Бог должен был бы запрограммировать ход якобы случайной мутации, определившей наше развитие. Если он сделал это, то каким образом? Приложил силу? Может ли Бог манипулировать электрическими процессами в мозгу человека? Или на более высоком уровне: если Бог дает Вселенной цель, то как он обеспечивает исполнение своей воли?

Проблема в том, что многое из сказанного выше не просто кажется неимоверно глупым, но и вопросы эти, похоже, не имеют разумных ответов, которые согласовывались бы с наукой в том смысле, в каком мы ее понимаем. На каких принципах, скажите на милость, может работать эта «божественная магия»?

Ясно, что людям, которые хотят верить в возможность божественного вмешательства, в определенные моменты приходится прибегать к ненаучному мышлению. Даже если наука не всегда говорит нам, почему происходит то или иное явление, мы все же знаем, как движутся и взаимодействуют материальные объекты. Если Бог не окажет физического воздействия, объекты двигаться не будут. Он не сможет подействовать даже на наши мысли, которые в конечном итоге определяются электрическими сигналами в мозгу.

Если подобное внешнее вмешательство признается фактом в религиозном сознании, то логика и научная мысль подсказывают, что должен существовать механизм, при помощи которого осуществляется это воздействие. Религиозная или духовная вера, согласно которой невидимая сила влияет на поступки и поведение человека, порождает ситуацию, в которой верующему ничего не остается, кроме как отбросить логику и продолжать верить.

Такая несовместимость, как мне кажется, создает принципиально безвыходное положение и неразрешимое противоречие в методах и представлениях. «Непересекающиеся магистерии», предложенные Стивеном Джеем Гулдом, – владения науки, охватывающие эмпирическую вселенную, и владения религии, распространяющиеся на нравственные вопросы – на самом деле все же пересекаются и тоже сталкиваются с этим трудноразрешимым парадоксом. Конечно, верующие могут отдать этот вопрос на откуп религии, а науке еще только предстоит ответить на многие глубокие и фундаментальные вопросы, важные для человечества, касаются ли они работы нашего мозга или далеких небесных объектов. Тем не менее, несмотря ни на что, все мы живем в царстве науки.

Однако несовместимость науки и религии не всегда беспокоит верующих. Однажды в самолете во время рейса из Бостона в Лос-Анджелес я сидела рядом с молодым актером. Он получил образование в области молекулярной биологии, но при этом имел весьма необычные взгляды на эволюцию. Прежде чем податься в актеры, он в течение трех лет занимался тем, что координировал обучение естественным наукам в городских школах. Когда мы встретились, он возвращался с церемонии инаугурации президента Обамы; его переполняли энтузиазм и оптимизм, он мечтал сделать мир лучше. Параллельно с успешной актерской карьерой он намеревался открывать по всему миру школы, в которых учили бы наукам и научным методам мышления.

Но разговор наш принял неожиданный оборот. Оказалось, что в своих школах он планирует ввести курс религии. В его собственной жизни религия играла очень значимую роль; в то же время он считал, что каждый человек должен сам сделать выбор. Но это было еще не самое удивительное. Он начал объяснять, что, по его мнению, человек произошел от Адама, а не от обезьяны. Я не поняла, как можно, имея биологическое образование, не верить в эволюцию. Это, на мой взгляд, намного более серьезные противоречия, чем те, что связаны с идеей непосредственного вмешательства Бога в материалистическую Вселенную. Молодой человек рассказал мне, что без труда осваивал науку и прекрасно понимал ее логику, но наука – это всего лишь то, как человек (что бы это ни значило) осмысливает окружающее.

Этот разговор утвердил меня во мнении, что нам очень трудно будет ответить на вопрос о совместимости науки и религии. Наука, основанная на эмпирических данных и логике, и религия, по природе своей неотделимая от откровения свыше, пытаются идти к истине совершенно разными путями. Вообще, увидеть противоречие можно только там, где действуют законы логики – ведь логика пытается разрешать парадоксы, тогда как религиозная мысль в них буквально купается. Если вы верите в истину, полученную через откровение свыше, значит, вы уже вышли за пределы действия научных законов и никаких противоречий не увидите. Верующий способен объяснять мир совершенно нерационально и при этом считать, что такое объяснение совместимо с научным; он принимает мир таким, какой он есть «по воле Божьей». Или, как мой сосед по самолету, просто решает, что готов жить с этим противоречием.

Но если Бог и способен обходить логические противоречия, то наука этого делать не умеет. Те приверженцы религии, которые хотят одновременно с религиозным описанием мира принимать и научное мышление, оказываются перед громадной пропастью, которая разделяет научные открытия и невидимые, неощутимые божественные воздействия. Пропасть эту невозможно преодолеть логическим путем. У них нет другого выхода, кроме как отказаться на время от логической (или, по крайней мере, от буквальной) интерпретации вопросов веры или просто махнуть рукой на противоречия и не обращать на них внимания.

Надо сказать, что в любом из этих двух случаев человек может стать настоящим ученым. А религия, наверное, будет сильно облегчать ему жизнь. Но в голове каждого верующего ученого научная информация каждодневно бросает вызов его вере. Религиозная часть мозга не способна функционировать одновременно с его познающей частью. Они просто несовместимы.

Глава 4

В поисках ответов

Я впервые услышала выражение «Достучаться до небес» в 1987 г. на концерте Боба Дилана и группы Grateful Dead в Окленде, штат Калифорния. Вряд ли надо говорить, что в название моей книги вложен иной смысл, чем тот, что вкладывал в свои стихи автор (хотя мысленно я до сих пор слышу, как Дилан и Джерри Гарсия поют эту песню). Отличается мое название и от библейского источника, хотя эту интерпретацию, признаюсь, мне хотелось обыграть. В Евангелии от Матфея сказано: «Просите, и дано будет вам; ищите, и найдете; стучите, и отворят вам; ибо всякий просящий получает, и ищущий находит, и стучащему отворят».

Следуя этим словам, люди могут искать знания, но конечная их цель – это поиск Бога. Человеческий интерес к устройству окружающего мира и активные познавательные действия – всего лишь ступени на пути к Божественному; Вселенная сама по себе и знания о ней – вторичны. Ответы на вопросы могут быть получены или верующий получит стимулы для более активного поиска истины; в любом случае без Бога знание недостижимо или бессмысленно и не стоит того, чтобы за ним гнаться. Человек не может сам познать истину, не может быть судьей.

Название моей книги говорит о другой – научной – философии и о других целях. Цель науки – не просто пассивное понимание и вера, а правда о Вселенной. Ученые активно стремятся к двери познания – границе уже изведанного. Мы задаем вопросы и исследуем – и меняем свои взгляды, когда факты и логика вынуждают нас сделать это. Мы уверены только в том, что можем проверить при помощи эксперимента или что логически следует из экспериментально подтвержденных гипотез.

Ученые немало знают о Вселенной, но мы знаем также, что неизведанного гораздо больше и что многое еще только предстоит понять. Еще очень многое лежит за пределами возможностей сегодняшних экспериментов – и вообще любых экспериментов, какие мы можем вообразить. Однако, несмотря на все наши ограничения, каждое новое открытие позволяет добавить еще одну – очередную – ступеньку в нашем восхождении к истине. Иногда одна-единственная ступенька способна коренным образом изменить наш взгляд на мир. Конечно, мы признаем, что наши амбициозные устремления реализуются не всегда; тем не менее ученые упорно ищут пути к более полному и глубокому пониманию действительности, а технические достижения постепенно расширяют пределы «территории», где все доступно нашему взгляду. Затем мы переходим к поиску более полных и непротиворечивых теорий, способных вобрать в себя новую, только что полученную информацию.

Итак, перед нами ключевые вопросы. Кто имеет возможность – или право – заниматься поисками ответов? Сами ли люди исследуют окружающий мир или доверяют высшим авторитетам? Прежде чем углубиться в мир физики, завершим эту часть книги анализом и противопоставлением научной и религиозной точек зрения.

Мы уже видели, что появление научного мышления в XVII в. раскололо христианский мир в его отношении к знаниям и породило конфликты между принципиально разными подходами, не утихшие до сего дня. Но существовал и второй источник противоречий между наукой и религией, и этот источник – вопрос о власти. В глазах церкви убежденность Галилея в том, что он способен самостоятельно мыслить и независимо осмысливать Вселенную, отклонялась недопустимо далеко от христианских религиозных канонов.

Развивая научный метод, Галилей отказался от слепого следования авторитетам в пользу собственных наблюдений и их независимой интерпретации. Он готов был менять свои взгляды в соответствии с результатами наблюдений. Таким образом, Галилей инициировал совершенно новый подход к познанию мира – тот самый, что позже получил развитие и позволил достичь гораздо более глубокого понимания природы и возможности влиять на нее. И все же, несмотря на опубликование основных своих достижений (или, скорее, вследствие этого), Галилей оказался в тюрьме. Вывод о том, что Земля не является центром Солнечной системы, которого Галилей не скрывал, оказался слишком опасен для религиозных властей того времени и их строгой интерпретации Писания. После трудов Галилея и других независимых мыслителей, положивших начало научной революции, любая буквальная библейская трактовка природы, происхождения и поведения Вселенной стала вызывать серьезнейшие сомнения.

Галилею не повезло: время для радикальных заявлений оказалось чрезвычайно неудачным, поскольку совпало с расцветом контрреформации, которой католическая церковь ответила на появление своих протестантских отпрысков. Католицизм чувствовал серьезную угрозу со стороны Мартина Лютера, который выступил в защиту независимой мысли и права каждого толковать Писание, отталкиваясь непосредственно от текста. Право церкви на исключительную интерпретацию священных текстов, которую прихожанам следовало безоговорочно принимать, было поставлено под сомнение. Галилей не просто поддержал взгляды Лютера, он прошел на шаг дальше. Отвергнув прежние авторитеты, он высказал теорию, прямо противоречившую католическому толкованию религиозных текстов. Его научные методы основывались на прямых наблюдениях природы, которые он затем пытался объяснить при помощи самой экономной гипотезы, охватывающей все полученные данные. Сам Галилей был искренним приверженцем католической церкви, но его исследования, мысли и методы в глазах церкви слишком походили на протестантские. Ученый, сам того не желая, вмешался в религиозную войну за сферы влияния.

По иронии судьбы, движение контрреформации само подтолкнуло Коперника к теории гелиоцентрической вселенной. Католическая церковь хотела убедиться в том, что ее календарь надежен и что праздники приходятся на правильное время года, а обряды совершаются как положено. Церковь обратилась к астрономам, в том числе и к Копернику, с просьбой доработать юлианский календарь и привести его в соответствие с реальным движением планет и звезд. Именно эти исследования привели ученого к неожиданным наблюдениям, а затем и к радикальной теории.

Лютер не принял теории Коперника. Ее вообще почти никто не принял, пока более точные наблюдения Галилея и в качестве решающего аргумента теория тяготения Ньютона не подтвердили ее. Однако Лютер принимал другие научные достижения в астрономии, в медицине – те, которые он считал совместимыми с широким взглядом на природу. В общем-то, он не был большим поклонником науки, но Реформация породила очень своеобразное мышление, атмосферу, где новые идеи можно было обсуждать и принимать, а это, безусловно, способствовало возникновению научных методов мышления. Кроме того, отчасти благодаря развитию книгопечатания научные идеи наряду с религиозными получили возможность стремительно распространяться и снижать авторитет католической церкви.

Лютер считал мирские научные исследования потенциально не менее ценными, чем религиозные. Ученые, такие как великий астроном Иоганн Кеплер, думали так же. Кеплер писал своему бывшему профессору в Тюбингене Михаелю Местлину: «Я хотел стать теологом и долгое время испытывал беспокойство. Однако посмотрите, как теперь благодаря моим усилиям астрономия славит Бога»[17].

С этой точки зрения наука была прекрасным способом утвердить сияющее величие Бога и созданного им мира, а также тот факт, что у различных явлений в этом мире могут быть сложные и разнообразные объяснения. Наука стала средством лучше понять разумно устроенную и упорядоченную Богом Вселенную и помочь человечеству. Следует заметить, что в те времена даже лучшие ученые не только не отвергали религию, но и, наоборот, расценивали свои исследования как способ восславить творение Господа. В книге природы, как и божественных книгах, они видели путь к просветлению и откровению. Изучение природы с этой точки зрения было формой выражения благодарности Создателю всего сущего.

Эту или подобную точку зрения иногда случается услышать и сегодня. В 1979 г. пакистанский физик Абдус Салам в Нобелевской лекции после получения премии за большую роль в создании Стандартной модели элементарных частиц сказал: «Святой пророк ислама всегда говорил, что поиск знаний и учености входит в обязанность всякого мусульманина, будь то мужчина или женщина. Он побуждал своих учеников всюду искать знаний, даже если за ними придется ехать в Китай. Ясно, что здесь имелись в виду скорее научные, нежели религиозные знания, а также делался упор на интернациональность современного научного поиска».

Несмотря на принципиальные различия, описанные в предыдущей главе, некоторых верующих вполне устраивает ситуация, когда научную и религиозную части мозга им приходится использовать попеременно, а понимание природы рассматривается как способ приблизиться к пониманию Бога. Многие из тех, кто не занимается активно наукой, тоже не возражают против научного прогресса. Тем не менее пропасть между наукой и религией по-прежнему огромна, и многие в США и других частях света это остро ощущают. Время от времени эта пропасть расширяется настолько, что порождает насилие или в самом крайнем случае вызывает протесты по поводу системы образования.

С точки зрения религиозных деятелей, все, что противоречит религии, в том числе наука, должно вызывать подозрения; причин тому много, и далеко не все они имеют отношение к истине и логике. Те, кто стоит у власти, всегда склонны использовать Бога как козырную карту, которая оправдывает именно их точку зрения. Ясно, что независимое исследование любого рода может быть потенциальной угрозой. А копание в Господних тайнах может еще сильнее подорвать моральный авторитет церкви и могущество мирских властителей. Слишком настойчивые попытки докопаться до истины плохо согласуются со смиренностью, а кое-кто может даже забыть о значении Господа. Неудивительно, что религиозных деятелей это иногда тревожит.

Но почему отдельные люди иногда тоже встают на подобные позиции? Для меня вопрос здесь не в том, чем отличается наука от религии. Разницу между ними можно сформулировать достаточно четко, и об этом уже говорилось в предыдущей главе. Важно другое. Почему людей это так волнует? Почему многие с подозрением смотрят на науку и научный прогресс? И почему вопрос о главенстве вспыхивает так часто?

Однажды я попала на кембриджский круглый стол по вопросам науки, искусства и религии – серии встреч между партнерами Гарварда и МТИ. Темой первого семинара, на который я попала, был поэт XVII в. Джордж Герберт и «новые атеисты». И дискуссия помогла мне в какой-то мере разобраться в этих вопросах.

Основным докладчиком тогда был ученый-литературовед Стенли Фиш. Он начал свое выступление с краткого изложения взглядов «новых атеистов» и их враждебного отношения к вере. «Новыми атеистами» называют таких авторов, как Кристофер Хитченс, Ричард Докинз, Сэм Харрис и Дэниел Деннет, – авторов, которые в книгах-бестселлерах сурово клеймят религию и церковь.

После краткого изложения их взглядов Фиш перешел к критике; он критиковал в них отсутствие понимания и терпимости к религии; его слова падали на благодарную почву, так как мне кажется, что на том семинаре я как неверующая была в меньшинстве. Фиш утверждал, что позиция «новых атеистов» была бы более прочной, если бы они учитывали те проблемы с независимостью, с которыми верующим постоянно приходится иметь дело.

В вере необходимо активное вопрошание, и многие религии просто требуют этого от своих приверженцев. Но в то же время многие религии, в том числе и некоторые ветви протестантизма, призывают к отказу или подавлению независимой воли. Говоря словами Кальвина, «человек по природе своей склонен к ложному самолюбованию. Поэтому вот что истина Господня побуждает нас искать в себе: знание того рода, который избавит нас от всякой уверенности в собственных силах, лишит всякого повода к хвастовству и приведет к покорности»[18].

Борьба между жаждой знаний и недоверием к человеческой природе пронизывает всю религиозную литературу, включая и стихи Герберта, которые обсуждали Фиш и другие участники круглого стола. В Кембридже тогда развернулась дискуссия о внутренних конфликтах Герберта по поводу его отношений со знанием и с Богом. Для Герберта всякое знание, добытое самостоятельно, было признаком греховной гордыни. Аналогичное предупреждение мы находим и в стихах Джона Мильтона. Сам он твердо верил в необходимость упорного интеллектуального поиска; тем не менее Рафаил в «Потерянном рае» говорит Адаму, что ему не следует проявлять слишком большого любопытства к движению звезд, ибо «им не нужна твоя вера».

Удивительно (по крайней мере, для меня), но заметные представители нашей группы профессоров Гарварда и МТИ, присутствовавшие на круглом столе, одобрили попытку самоотречения Герберта, считая, что подавлять собственную индивидуальность правильно и хорошо и что все дело в стремлении настроиться на высшую силу. (Всякий, кто знаком с профессорами Гарварда и МТИ, тоже был бы удивлен таким подозрительным отрицанием собственного «я».)

Возможно, подлинная суть дебатов между наукой и религией заключается как раз в том, может ли человек самостоятельно докопаться до истины. Неужели отрицательное отношение к науке, с которым мы сегодня нередко сталкиваемся, коренится отчасти в тех самых крайних взглядах, которые выражали Герберт и Мильтон? Мне кажется, спор идет не столько о возникновении мира, сколько о том, кто имеет право осмысливать окружающее и чьим выводам нам следует доверять.

Вселенная внушает человеку смирение. Природа тщательно прячет ответы на многие самые интересные свои загадки. Но ученые достаточно уверены в себе, чтобы считать, что человек способен их разгадать. Неужели искать ответы кощунственно? Или просто самонадеянно? Ученые, как говорил Эйнштейн, а вслед за ним и нобелевский лауреат Дэвид Кросс, считают, что борются с Богом, пытаясь вырвать у него ответы на глобальные вопросы мироздания. Дэвид, разумеется, не имел в виду буквальной борьбы (и, конечно, не говорил о смирении); он отдавал должное чудесной способности человека осмысливать окружающий мир.

Недоверие к этой способности, доставшееся нам от предков, имеет продолжение и в других областях; его можно видеть в юмористической литературе, в кино, в современной политике. В наше ироничное время серьезное отношение и уважение к фактам стало несколько немодным. Поразительно, до чего доходят некоторые люди в своем стремлении отрицать всякие успехи науки. Однажды на вечеринке я познакомилась с женщиной, которая упрямо утверждала, что не верит в науку. В ответ я спросила, не поднималась ли она случайно на одиннадцатый этаж, где проходила вечеринка, на лифте? Работает ли ее сотовый телефон? Как она сумела получить электронное приглашение на вечеринку?

Многие до сих пор считают, что относиться к фактам или логическим выводам слишком серьезно просто неприлично или по крайней мере странно. Одним из источников антиинтеллектуалистичных или антинаучных настроений может быть обычное раздражение по отношению к человеку, который чувствует себя достаточно сильным, чтобы перевернуть землю. Те, кто чувствует в глубине души, что мы не имеем права принимать этот громадный интеллектуальный вызов, считают все это владением высших сил, недоступных человеку. Это не до конца понятное, направленное против собственного «я» и прогресса мнение можно до сих пор слышать на спортплощадках и в загородных клубах.

Для некоторых мысль о том, что человек способен разгадать все загадки мира, служит источником оптимизма и порождает чувство причастности и понимания. Но остальные воспринимают науку и известных ученых, которые больше знают и больше умеют в соответствующих технических областях, исключительно со страхом. Люди делятся на тех, кто способен заниматься научной деятельностью и оценивать научные выводы, и тех, кто чувствует полную беспомощность перед лицом научной мысли.

Люди в большинстве своем стремятся ощущать себя сильными и вооруженными знанием. Вот вопрос, который рано или поздно задает себе каждый: с чем именно – с наукой или с религией – можно почувствовать контроль над окружающим миром? Где можно найти надежность, покой и понимание? Предпочитаете ли вы верить, что сами можете проникнуть в тайны природы, или по крайней мере в то, что на это способны ученые? Люди жаждут ответов и прямого руководства, которые наука не всегда может предложить.

Тем не менее наука уже многое узнала о том, как устроена и как работает Вселенная. Если сложить воедино все, что нам известно, то кусочки головоломки, которые ученые постепенно добывали на протяжении столетий, чудесно соединятся и сольются в цельную картину. Научные теории позволяют делать верные предсказания. Поэтому некоторые из нас верят в авторитет науки, а многие признают замечательные уроки, ей преподанные.

Мы непрерывно продвигаемся вперед, расширяя разведанные территории и исследуя районы, к которым у нас нет непосредственного доступа. До сих пор не получено никаких данных, которые заставили бы нас вернуться к представлениям о центральном месте человека в общей картине мира. По мере того как мы осознаем себя принадлежащими всего лишь к одному из множества аналогичных объектов случайного размера в случайном месте – в том, что пока представляется – с научной точки зрения – случайно развивающейся Вселенной, – революция Коперника повторяется вновь и вновь.

Неуемное любопытство и стремление развиваться ради удовлетворения жажды информации действительно делают человека совершенно особым существом. Мы – единственный биологический вид, способный задавать вопросы и систематически работать ради получения ответов. Мы ставим вопросы, взаимодействуем между собой, делимся информацией, строим гипотезы, создаем модели – и в конце концов обогащаем свои представления о Вселенной и о месте человека в ней.

Все сказанное не означает, что наука непременно найдет ответы на все вопросы. Те, кто считает, что наука рано или поздно решит все проблемы человечества, тоже, вероятно, ошибаются. Но это означает, что занятия наукой были и остаются достойным и стоящим занятием. Мы не знаем пока всех ответов. Но люди, склонные к научным занятиям, – не важно, религиозны они или нет – жаждут исследовать Вселенную и отыскать их. В части II мы посмотрим, чего они уже добились и что теперь виднеется на горизонте.

Часть II

Масштабирование вещества

Глава 5

Волшебная экскурсия в глубь материи

Известно, что 2500 лет назад древнегреческий философ Демокрит объявил о существовании атомов и тем самым сделал шаг в правильном направлении, однако ни тогда, ни много позже никто не мог точно сказать, какими на самом деле окажутся элементарные частицы вещества. Некоторые из физических теорий, описывающих сверхмалые расстояния, настолько парадоксальны, что даже самые творческие и открытые всему новому люди не смогли бы их принять, если бы не данные экспериментов. С появлением технологий, позволяющих заглянуть на атомный уровень, ученые обнаружили, что внутренняя структура вещества то и дело обманывает ожидания. Детали головоломки складывались поистине волшебным образом.

Человек так устроен, что ему очень трудно представить себе наглядно все, что происходит на тех крошечных масштабах, которые сегодня изучает физика элементарных частиц. «Кирпичики», из которых складывается то, что мы называем веществом, совершенно не похожи на то, что мы воспринимаем при помощи органов чувств. Эти компоненты подчиняются совершенно иным физическим законам. С уменьшением масштабов меняются свойства вещества – они как будто существуют в другой вселенной.

Много путаницы при попытках понять странную внутреннюю структуру вещества возникает оттого, что набор компонентов, существующих в одном масштабе, совершенно не похож на то, что обнаруживается в другом; кроме того, много проблем возникает с определением диапазона линейных размеров, в котором применима та или иная теория. Чтобы до конца понять физический мир, нам необходимо не только знать, что в нем существует, но и точно различать размеры и масштабы, описываемые разными теориями.

Позже мы рассмотрим различные масштабы, действующие в космосе – на самой границе непознанного. Эту главу мы начнем с того, что заглянем внутрь вещества; начав с привычных масштабов, заберемся глубоко в недра материи. От повседневных размеров и масштабов до внутреннего пространства атома (царства квантовой механики) и дальше до планковского масштаба; мы посмотрим, что нам известно на сегодняшний день и как все это согласуется. Отправимся же в путь и исследуем то, что удалось за долгие годы открыть ученым.

Наше путешествие начинается в привычном нам масштабе – том самом, в котором мы живем, пользуемся разными вещами, видим и трогаем их. Неслучайно именно один метр – не одна миллионная его доля и не десять тысяч метров – лучше всего соответствует размеру самого человека. Один метр – это примерно вдвое больше роста младенца и примерно вдвое меньше роста взрослого человека. Согласитесь, было бы странно, если бы базовая единица длины, которой мы пользуемся ежедневно, равнялась длине муравьиной ножки.

Тем не менее стандартная физическая единица, определенная через какого-то конкретного человека, оказалась бы не слишком полезна, потому что измерительная линейка должна иметь длину, известную и понятную каждому[19]. Поэтому в 1791 г. Французская академия наук установила так называемый стандарт. Метр можно было бы определять либо как длину маятника с полупериодом в одну секунду, либо как одну десятимиллионную длины одной четверти земного меридиана (квадранта, то есть расстояния от экватора до Северного полюса). Ни одно, ни второе определение не имело непосредственного отношения к человеку. Французы просто пытались найти меру, с которой все согласились бы и которой было бы удобно пользоваться. Сошлись на втором определении, чтобы избежать неопределенностей, связанных с небольшими вариациями силы земного притяжения в разных местах.

Это определение было достаточно произвольным. Оно было придумано, чтобы сделать меру длины – метр – стандартной единицей. Но тот факт, что взята была именно одна десятимиллионная часть квадранта, совсем не случаен. Французское определение гарантировало, что метровую палку удобно будет держать в руках.

Если говорить о размерах человека, то рост большинства людей ближе к двум метрам, а не к одному; тем не менее никто из нас не дорос до десяти и даже до трех метров. Метр вполне соответствует человеческому масштабу, и с объектом такого размера удобно иметь дело – если, конечно, это безопасно (к примеру, от метровых крокодилов лучше, наверное, держаться подальше). Мы знаем законы физики, применимые в этом масштабе, потому что каждый день наблюдаем их действие. Наша интуиция основана на постоянном наблюдении за предметами, людьми и животными, размеры которых достаточно удобно выражать в метрах.

Узость и ограниченность рамок, в которых мы чувствуем себя уверенно, иногда забавляют меня. Моя двоюродная сестра дружит с игроком Национальной баскетбольной лиги Джоакимом Ноа, и мы никогда не устаем подшучивать над его ростом. При взгляде на какую-нибудь фотографию или зарубки на дверном косяке, отмечавшие в детстве его рост, нас разбирает смех; так же забавно смотреть, как на площадке он без труда блокирует мяч, брошенный другим, не столь высоким игроком. В общем, Джоаким завораживающе высок. Но если разобраться, то получится, что он всего лишь на 15 % выше среднестатистического мужчины. У него немного иные пропорции тела, что в некоторых ситуациях дает механическое преимущество, а в некоторых – мешает. Но кости и мышцы устроены у него, в сущности, на тех же принципах, что и ваши.

Законы движения Ньютона и сегодня безошибочно указывают нам, что произойдет, если приложить определенную силу к определенной массе. Эти законы действуют и в отношении нашего тела, и в отношении мяча, который бросает Джоаким. При помощи этих законов мы можем рассчитать траекторию мяча на баскетбольной площадке на Земле и предсказать орбиту, по которой Меркурий обращается вокруг Солнца. Законы Ньютона говорят нам, что, если на тело не действует какая-нибудь сила, его движение будет продолжаться в том же направлении с той же скоростью, что и изначально. Далее сила, действующая на тело, придаст ему ускорение в соответствии с его массой. Наконец, любое действие вызовет равное по силе и противоположное по направлению противодействие.

Законы Ньютона абсолютно справедливы в привычном человеку диапазоне линейных размеров, скоростей и плотностей. Несоответствия выявляются только на очень малых расстояниях, где меняет правила игры квантовая механика, на очень высоких скоростях, где действует специальная теория относительности, и при громадных плотностях (таких, к примеру, как в черной дыре), где правит бал общая теория относительности.

При обычных расстояниях, скоростях и плотностях действие любой из новых теорий, опровергающих законы Ньютона, слишком слабо, чтобы его можно было обнаружить. Однако с помощью современных технологий можно смоделировать условия, в которых ограничения теории Ньютона проявятся вполне наглядно.

Нам придется копнуть достаточно глубоко, прежде чем мы сможем обнаружить новые физические компоненты и законы. Но следует отметить, что в диапазоне от метра до размера атома тоже происходит немало интересного. Многие объекты, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, обладают важными свойствами, заметить которые можно только при исследовании более мелких систем (некоторые масштабные ориентиры, упоминаемые в данной главе, вы можете увидеть на рис. 13).

Разумеется, многие объекты, с которыми мы имеем дело, формируются путем простого сложения множества одинаковых фундаментальных элементов, в них нет почти ничего интересного – ни деталей, ни внутренней структуры. Такие экстенсивные системы строятся, как кирпичные стены. Можно сделать стену выше или ниже, добавив или убрав несколько кирпичей, но базовая функциональная единица в ней всегда будет одинакова. Высокая стена фактически ничем не отличается от маленькой стенки. В качестве примера можно привести множество крупных систем, которые строятся за счет добавления в них однотипных элементов. Это относится, к примеру, к микросхемам компьютерной памяти, состоящим из большого количества совершенно одинаковых транзисторов.

Другой тип масштабирования, применимый к крупным системам, – это экспоненциальный рост; такой вариант наблюдается в тех случаях, когда поведение системы определяют не столько фундаментальные элементы, сколько связи между ними. Хотя такие системы тоже увеличиваются с добавлением элементарных «кирпичиков», их поведение определяется не просто числом элементов, а количеством связей. Эти связи возникают не только между соседними элементами, как у настоящих кирпичей, они могут протянуться на некоторое расстояние внутри системы к другим элементам. Примерами могут служить нейронные системы, которые состоят из множества синапсов, связывающих клетки при помощи специальных белков, и Интернет, включающий в себя множество связанных между собой компьютеров. Эти системы сами по себе достойны самого тщательного изучения, и некоторые направления физики действительно имеют дело с соответствующим эмерджентным поведением.

Но физика элементарных частиц не занимается сложными многокомпонентными системами. Напротив, она сосредоточена на обнаружении и распознавании элементарных компонентов и физических законов, которым они подчиняются. Физика элементарных частиц занимается базовыми физическими величинами и их взаимодействиями. Эти мельчайшие компоненты, разумеется, значимы для всех типов сложного поведения, в которое вовлекается множество компонентов. Но наша цель здесь – определить наиболее мелкие базовые компоненты и разобраться в их поведении.

Если говорить о технических и биологических системах, то составные части более крупных систем тоже обладают внутренней структурой. В конце концов, компьютеры построены на микропроцессорах, которые, в свою очередь, построены на транзисторах. А врач, заглядывая внутрь человеческого организма, видит там органы, кровеносные сосуды и все остальное – и все это состоит из клеток и ДНК, которые можно наблюдать только при помощи достаточно сложных приборов. Работа внутренних элементов ничем не напоминает то, что мы наблюдаем на поверхности. С уменьшением размеров элементы, из которых состоят макрообъекты, меняются. Законы, которым эти элементы подчиняются, – тоже.

История изучения человека как организма в некоторых отношениях напоминает историю изучения законов физики; здесь существуют свои масштабы, и их исследование тоже шло от крупного к мелкому. Поэтому, прежде чем обратиться к физике и внешнему миру, давайте отвлечемся ненадолго, подумаем о себе и рассмотрим, как были открыты некоторые – самые известные – аспекты внутреннего устройства человеческого тела.

Возьмем, к примеру, ключицу. По-английски, кстати говоря, эта кость называется «воротниковой» (collarbone), потому что при внешнем осмотре действительно напоминает воротник. Но стоило ученым заглянуть внутрь тела человека, и на этой кости обнаружился своеобразный выступ-«ключ», который и дал кости второе название – clavicle (от лат. clavicula – ключик, втулка).

Точно так же никто не понимал, как устроена у человека система кровообращения, как капилляры соединяют артерии и вены, пока в XVII в. Уильям Гарвей не провел серию педантичных опытов по исследованию сердца и кровеносной сети у животных и человека. Гарвей, хотя и был англичанином, изучал медицину в Университете Падуи. Там он многому научился у своего наставника Иеронима Фабриция, который тоже живо интересовался кровотоком, но неверно интерпретировал роль венозных сосудов и клапанов в них.

Гарвей не просто изменил представления о том, какие объекты задействованы в кровеносной системе, – он показал, что в теле человека есть две системы – артерии и вены, которые по ветвящейся сети доставляют кровь ко все более мелким капиллярам, – но и открыл совершенно новый процесс. Оказалось, что кровь доставляется к клеткам таким образом, какого никто не мог предугадать, пока не всмотрелся внимательно в происходящее. Гарвей обнаружил в теле человека не просто набор различных органов – он обнаружил целую неизвестную систему.

Однако у Гарвея еще не было инструментов, которые позволили бы ему обнаружить капилляры; это удалось сделать только Марчелло Мальпиги в 1661 г. Гарвей же выдвинул несколько гипотез, которые получили экспериментальное подтверждение значительно позже. Хотя Гарвей оставил подробные рисунки, он не мог добиться той детальности, которая стала доступна пользователям микроскопа, например Антони ван Левенгуку.

Система кровообращения человека содержит эритроциты – красные кровяные тельца. Длина этих элементов составляет всего лишь семь микрометров – это одна стотысячная доля длины метровой линейки. Это в сто раз меньше толщины кредитной карты – примерно такой же размер имеют капли тумана. Самые мелкие объекты, которые способен различить невооруженный человеческий глаз, немного меньше толщины человеческого волоса и крупнее эритроцита примерно в десять раз.

Разумеется, кровь и кровообращение – не единственные процессы в человеческом теле, о которых ученым удалось со временем узнать. Кроме того, исследование внутренней структуры тела не ограничивается микронными размерами. После Гарвея были открыты еще более мелкие и совершенно новые элементы и системы как в человеческом организме, так и в неодушевленных физических системах.

Дойдя до размеров в одну десятую микрона – длин, которые примерно в десять миллионов раз меньше длины метровой линейки, – мы обнаруживаем ДНК, фундаментальный строительный элемент любого живого существа, хранящий генетическую информацию. Объекты такого размера все еще в 1000 раз крупнее атома, но это уже уровень, где важную роль играет молекулярная физика (то есть химия). Молекулярные процессы, протекающие внутри ДНК, до сих пор понятны не до конца; ясно, однако, что они лежат в основе невероятно широкого спектра жизненных форм, завоевавших земной шар. Молекулы ДНК содержат миллионы нуклеотидов, и квантово-механические атомные связи играют на этом уровне очень существенную роль.

Молекулы ДНК также делятся по величине на несколько категорий. Структура ДНК очень сложна, а молекулы так перекручены, что полная длина человеческой ДНК может измеряться метрами. Но ширина двойной цепочки ДНК составляет всего лишь около двух тысячных долей микрона – примерно два нанометра. Это немного меньше самого маленького на сегодняшний день транзисторного ключа в микропроцессоре, размеры которого составляют около 30 нм. Длина одного нуклеотида составляет примерно 0,33 нм; он сравним по размеру с молекулой воды. Средний ген представляет собой цепочку из 1000–100 000 нуклеотидов. Самое информативное и полезное описание гена основано как ответ на совершенно другие вопросы, чем те, которые мы стали бы задавать в отношении единичного нуклеотида. Таким образом, ДНК на разных линейных масштабах работает по-разному, а ученые ищут при этом ответы на разные вопросы и используют разные ее описания.

Биология схожа с физикой в том, что структуры, которые мы видим на крупных масштабах, всегда состоят из более мелких элементов. Но в биологии мало разобраться в отдельных элементах, чтобы понять принципы работы более крупных структур в живых системах. Да и цели у биологии гораздо более амбициозны. Мы считаем, что на самом базовом уровне именно законы физики определяют процессы, протекающие в человеческом теле, но функциональные биологические системы сложны и запутанны, к тому же часто порождают трудно предсказуемые последствия. Распутать структуру из базовых элементов и разобраться в сложнейших механизмах обратных связей необычайно трудно, а комбинаторика генетического кода еще и усложняет эту задачу. Даже если мы узнаем все о базовых элементах, останутся еще эмерджентные структуры и эмерджентное же поведение, в которых, по всей видимости, и кроется тайна жизни.

Физики тоже не всегда могут разобраться в процессах, протекающих на более крупных масштабах, при помощи знаний о структуре отдельных «кирпичиков», но физические системы в большинстве своем проще в этом отношении, чем биологические. Хотя структура материи сложна и может иметь совершенно иные свойства, чем составляющие ее элементы, механизмы обратной связи и эволюционные процессы, как правило, не играют здесь столь заметной роли. Для физиков поиск самого простого, самого элементарного компонента представляет собой важную цель.

Уйдя от механики биосистем и опускаясь глубже по шкале линейных размеров, чтобы разобраться уже в базовых физических элементах, мы остановимся ненадолго на размере атома – около 100 пикометров, что в 10 тысяч миллионов (1010) раз меньше метра. Точный размер атома определить трудно, поскольку в его составе присутствуют электроны, которые циркулируют вокруг ядра, но никогда не застывают на месте. Традиционно, однако, в качестве размера атома указывают среднее расстояние от электрона до ядра.

Говоря о физических процессах, протекающих на этих крошечных расстояниях, нередко прибегают к наглядным изображениям, но необходимо помнить, что все они основаны на аналогиях. У нас нет другого выхода, и для описания непривычных структур, которые ведут себя странно с точки зрения здравого смысла, приходится привлекать описания объектов, с которыми мы сталкиваемся в обычной жизни.

Корректно изобразить внутреннее строение атома невозможно – ведь рассчитывать при этом мы можем лишь на собственные физиологические качества, а именно чувства и двигательные способности, применимые только в человеческом масштабе. Человеческое зрение, к примеру, опирается на явления, которые видимыми делает свет, то есть электромагнитное излучение. Световые волны – те, что попадают в оптический диапазон – имеют длину волны примерно от 380 до 750 нм. Это намного больше размера атома, который составляет примерно одну десятую нанометра (рис. 14).

Это означает, что исследовать внутреннюю структуру атома при помощи видимого света, пытаясь увидеть его глазами, так же бесполезно, как вдевать нитку в иголку в варежках. Длины волн, о которых идет речь, буквально «размывают» объекты более мелких размеров, и получить с их помощью четкую картинку невозможно, не хватит разрешения. Поэтому, когда мы хотим по-настоящему «увидеть» кварки или даже протон, мы хотим невозможного. У нас просто нет инструмента, который позволил бы точно визуализировать то, что происходит внутри атома.

Но путать способность человека увидеть некие явления и нашу уверенность в том, что эти явления существуют, – серьезная ошибка, которую ученые не могут себе позволить. Тот факт, что мы не только не видим эти явления, но и не имеем их мысленного образа, не означает, что мы не можем логически вычислить физические элементы и процессы, которые имеют место на соответствующих масштабах.

Гипотетически в масштабе атома окружающий мир показался бы нам невероятным, потому законы физики в этом мире резко отличаются от тех, к которым мы привыкли и которые действуют там, где мы бодро отмеряем расстояния при помощи линеек. Мир атома совершенно не похож на тот образ, что возникает в нашем сознании при мысли о материи (рис. 15).

Возможно, первое и самое поразительное наблюдение, которое можно было бы сделать в этом масштабе, состояло бы в том, что атом состоит преимущественно из пустого пространства[20]. Ядро – центр атома – примерно в 10 000 раз меньше по радиусу, чем орбиты электронов. Размер среднего ядра – примерно 10–14 м (10 фемтометров). Ядро атома водорода еще примерно в 10 раз меньше. Ядро по сравнению с атомом так же мало, как Солнце по сравнению со всей Солнечной системой. Атом по большей части пуст. Объем ядра составляет всего лишь одну триллионную часть полного объема атома.

Это совсем не то, что мы видим и чувствуем, когда стучимся в дверь или пьем прохладную жидкость через соломинку. Чувства подсказывают нам, что вещество непрерывно. Тем не менее на атомном уровне мы обнаруживаем, что вещество по большей части не содержит ничего «вещественного», просто наши чувства усредняют все, что имеет меньшие размеры; за счет этого вещество кажется нам твердым и непрерывным. На атомном уровне оно совсем не такое.

Почти полная пустота – не единственное, что удивило бы нас при взгляде на вещество в атомном масштабе. В свое время мир физики был буквально потрясен тем, что на этих крошечных расстояниях нарушаются даже самые фундаментальные основы ньютоновой физики. Понять свойства электронов в атоме невозможно без представления о двух вещах: волновой природе вещества и принципа неопределенности – ключевых элементах квантовой механики. Электроны в атоме вовсе не летают по простым кривым, описывающим конкретные орбиты, изображение которых мы так часто видим. Согласно квантовой механике никто не в состоянии измерить одновременно положение и импульс частицы с бесконечной точностью, а без этого невозможно и проследить точный путь частицы во времени. Принцип неопределенности, выдвинутый Вернером Гейзенбергом в 1926 г., утверждает, что точность, с которой измерены координаты частицы, ограничивает максимальную точность, с которой можно измерить ее импульс[21]. Если бы электроны двигались по классическим траекториям, мы могли бы в любой момент точно сказать, где находится данный конкретный электрон, а также с какой скоростью и в каком направлении он движется; следовательно, мы могли бы точно сказать, где он будет находиться в любой момент в будущем. Это, однако, противоречит принципу Гейзенберга.

Квантовая механика учит нас, что электроны не занимают в атоме строго определенного положения, как следовало бы из классической картины мира. Вместо этого мы имеем распределение вероятностей, из которого следует, какие у нас шансы в данный момент обнаружить электрон в данном конкретном месте; вероятности – это все, что у нас есть. Мы можем предсказать среднее положение электрона как функцию времени, но любое конкретное измерение подчиняется принципу неопределенности.

Имейте в виду, что эти распределения не произвольны. У электронов может быть далеко не любое распределение энергий или вероятностей. В классической теории не существует внятного способа описать орбиту электрона – ее можно описать только в терминах теории вероятностей. Тем не менее распределение вероятностей – вполне конкретная функция. В квантовой механике мы можем записать уравнение, описывающее волновое решение для электрона, и это уравнение даст нам вероятность нахождения электрона в конкретной точке пространства.

Еще одно свойство атома, замечательное с точки зрения классической ньютоновой физики, заключается в том, что электроны в атоме могут занимать только фиксированные квантованные энергетические уровни. Орбиты электронов зависят от их энергий, и конкретные энергетические уровни и связанные с ними вероятности должны соответствовать правилам квантовой механики.

Без квантованных уровней электронов невозможно разобраться в атоме. В начале XX в. физики начали понимать, что классические правила придется радикально пересматривать: дело в том, что с точки зрения классической физики электроны, обращающиеся вокруг ядра, нестабильны. По идее они должны были бы излучать энергию и быстро падать на ядро. Такая система не только ничем не напоминала бы атом, но и не допускала бы существование структуры вещества, основанной на стабильных атомах, какими мы их знаем.

Нильс Бор в 1912 г. оказался перед непростым выбором – отказаться от классической физики или отказаться от веры в достоверность наблюдаемых данных. Бор мудро выбрал первый вариант и предположил, что на малых расстояниях, разделяющих электроны в атоме, классические законы неприменимы. Этот вывод стал одним из ключевых факторов, приведших к созданию квантовой физики.

Отказавшись от законов Ньютона, Бор смог постулировать, что электроны в атоме могут занимать только фиксированные энергетические уровни в соответствии с предложенным им условием квантования; условие это было связано с величиной, известной как орбитальный угловой момент электрона (он же момент импульса). По Бору, принципу квантования подчинялось все в атомном масштабе. Вообще, в этом масштабе действовали совсем иные правила, нежели те, что применимы в привычном для нас макроскопическом мире и по которым, к примеру, Земля обращается вокруг Солнца.

Технически квантовая механика применима и в макроскопических системах. Но ее действие здесь слишком слабо, чтобы мы смогли его измерить или хотя бы заметить. Когда вы наблюдаете движение Земли – или, вообще говоря, любого другого макроскопического объекта по орбите, – квантово-механическими эффектами можно пренебречь. В подобных системах они усредняются таким образом, что любое предсказание, сделанное на основе квантовой механики, полностью совпадает с предсказанием, сделанным на базе классической физики. Как уже говорилось в главе 1, для измерений в макроскопическом масштабе классические предположения, как правило, дают чрезвычайно хорошие результаты – настолько хорошие, что заметить действие законов квантовой механики, которые лежат в основе всего этого, невозможно. Проведем следующую аналогию. Текст и изображения на экране компьютера даже с самым хорошим разрешением состоят из точек; точки – аналог квантово-механической атомной структуры. Но нам, как правило, достаточно видеть лишь текст и изображения.

Квантовая механика, безусловно, представляет собой изменение научной парадигмы, однако очевидным оно становится только в атомном масштабе. Несмотря на радикальность предложенной модели, Бору не пришлось отказываться от всего, что было прежде. Он вовсе не считал, что физика Ньютона неверна; он всего лишь предположил, что к электронам в атоме классические законы механики неприменимы. В макроскопическом масштабе вещество состоит из такого количества атомов, что квантовые эффекты выделить невозможно, и в целом оно подчиняется законам Ньютона, по крайней мере на том уровне, на котором можно оценить правильность сделанных на их основе предположений. Ньютоновы законы верны, и мы признаем их справедливость в тех масштабах, где они применимы. Однако на атомном уровне законы Ньютона с неизбежностью отказывают – и отказывают весьма наглядным образом, который и позволил ученым разработать квантовую механику.

Продолжая наше путешествие по линейке масштабов вниз, в глубину атомного ядра, мы еще не раз увидим новые определения, новые базовые компоненты и даже новые физические законы, но фундаментальная квантово-механическая парадигма останется нетронутой.

Внутри атома мы первым делом рассмотрим элементы его внутренней структуры с размерами около 10 фемтометров, что соответствует одной стотысячной нанометра. Насколько нам удалось установить на сегодняшний день, электроны действительно фундаментальны, то есть вроде бы не состоят из каких бы то ни было иных, более мелких компонентов. Ядро, с другой стороны, фундаментальным объектом не является. Оно состоит из более мелких элементов, известных как нуклоны, или субъядерные частицы. Нуклоны бывают двух типов: протоны и нейтроны. Протоны обладают положительным электрическим зарядом, а нейтроны электрически нейтральны, то есть не имеют ни положительного, ни отрицательного заряда.

Чтобы разобраться в природе протонов и нейтронов, придется признать, что они тоже не фундаментальны. Великий физик-ядерщик и популяризатор науки Джордж Гамов так обрадовался открытию протонов и нейтронов, что решил, что достигнута окончательная «вторая граница»; он не считал, что возможны еще какие-то субструктуры. Вот его слова:

«Вместо довольно большого числа “неделимых” атомов классической физики мы получили всего лишь три различных сущности: протоны, электроны и нейтроны… Таким образом похоже, что мы действительно достигли дна в поиске базовых элементов, из которых сформировано все вещество».

Оказалось, что ученый немного поторопился. Субструктуры – более мелкие компоненты, чем протон и нейтрон – все же существуют, но обнаружить их было непросто. Должны были появиться технические средства, позволяющие изучать расстояния, меньшие, чем размеры протона и нейтрона; нужны были более высокие энергии или более миниатюрные датчики, чем те, что имелись в распоряжении физиков во времена, когда Гамов сделал свое неточное предсказание.

Если бы мы могли проникнуть в ядро и увидеть нуклоны, размер которых примерно соответствует одному ферми, что примерно в десять раз меньше размеров самого ядра, мы увидели бы также объекты, существование которых внутри нуклонов предсказали Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг. Гелл-Манн назвал эти единицы субструктуры кварками, позаимствовав, по собственному утверждению, это слово из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза: «Три кварка для мастера Марка!» Нижние и верхние кварки в нуклонах действительно представляют собой фундаментальные объекты меньших размеров (два верхних и один нижний кварки внутри протона показаны на рис. 16), которые сила, известная как сильное ядерное взаимодействие, связывает в протоны и нейтроны. Несмотря на обычное название, сильное взаимодействие представляет собой особую силу природы и дополняет остальные известные типы фундаментальных взаимодействий – электромагнетизм, гравитацию и слабое взаимодействие, о котором мы поговорим позже.

Сильное взаимодействие называется сильным, потому что оно… сильное – это подлинная цитата из объяснения одного из моих коллег-физиков. Звучит глупо, конечно, но на самом деле это правда. Именно поэтому кварки можно обнаружить только в связанном состоянии в таких объектах, как протоны и нейтроны, для которых сильное взаимодействие в целом нейтрализуется. Это взаимодействие настолько сильно, что в отсутствие иных сил компоненты, связанные сильным взаимодействием, невозможно было бы обнаружить отдельно друг от друга.

Выделить один-единственный кварк невозможно. Кварки как будто намазаны чем-то особым, которое проявляет свои клеящие свойства на больших расстояниях (поэтому частицы, которые переносят сильное взаимодействие, получили название глюонов[22]). Представьте себе эластичную ленту, упругие свойства которой проявляются только тогда, когда ее растягивают. Внутри протона или нейтрона кварки могут свободно двигаться, но попытка удалить один из кварков на сколько-нибудь существенное расстояние потребовала бы дополнительной энергии.

Приведенное описание вполне корректно, но интерпретировать его нужно с осторожностью. Человек, естественно, представляет себе кварки как бы заключенными в мешок, где от внешнего мира их отделяет материальная преграда. Более того, одна из моделей ядерных систем, по существу, рассматривает протоны и нейтроны именно в таком ключе. Однако она, в отличие от других моделей, о которых мы будем говорить позже, вовсе не является гипотезой реальности. Ее единственная цель – производить вычисления в диапазоне расстояний и энергий, где действующие силы так мощны, что обычные методы расчетов неприменимы.

Протоны и нейтроны – не сосиски. У них нет искусственной оболочки, которая удерживала бы кварки внутри. Протон – это стабильный набор из трех кварков, которые удерживает вместе сильное взаимодействие. Благодаря этой силе три легких кварка, по существу, действуют как единый объект – протон или нейтрон.

Еще одно существенное следствие сильного взаимодействия – и квантовой механики – состоит в том, что внутри протона или нейтрона рождаются дополнительные виртуальные частицы, которые не живут долго, но в каждый отдельно взятый момент вносят свой энергетический вклад. Массу, а следовательно, и энергию, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc2, в протоне и нейтроне имеют не только сами кварки, но и та сила, что их связывает. Сильное взаимодействие подобно эластичной ленте, которая связывает два мяча и сама по себе содержит энергию. Если «ущипнуть» эту ленту, запасенная в ней энергия позволит родиться новым частицам.

До тех пор пока суммарный заряд новых частиц равняется нулю, этот процесс рождения частиц из энергии в протоне не нарушает никаких известных физических законов. К примеру, положительно заряженный протон при рождении виртуальных частиц не может внезапно превратиться в нейтральный объект.

Это означает, что каждый раз, когда кварк – который сам по себе представляет собой частицу с ненулевым зарядом – рождается, одновременно должен родиться и антикварк, то есть частица, по массе идентичная кварку, но с обратным зарядом. Более того, пары «кварк – антикварк» могут как появляться, так и исчезать. К примеру, кварк и антикварк при аннигиляции могут породить фотон (частицу, которая передает электромагнитное взаимодействие), который, в свою очередь, породит новую пару «частица/античастица» (рис. 17). Их суммарный заряд равен нулю, так что ни с рождением, ни с гибелью пары заряд внутри протона не изменится.

Помимо кварков и антикварков протонное море (это не метафора, а технический термин!), состоящее из возникающих виртуальных частиц, содержит также глюоны – частицы, отвечающие за сильное взаимодействие. Они аналогичны фотонам, при обмене которыми между электрически заряженными частицами возникает электромагнитное взаимодействие. Глюоны (их существует восемь различных типов) подобным образом передают сильное взаимодействие. Ими обмениваются частицы, обладающие зарядом, который является объектом сильного взаимодействия; обмен глюонами связывает кварки воедино или отталкивает их друг от друга.

Однако в отличие от фотонов, которые не имеют электрического заряда и потому не подвергаются непосредственному действию электромагнитных сил, глюоны и сами являются объектом сильного воздействия! В то время как фотоны способны передавать взаимодействие на громадные расстояния – ведь мы можем включить телевизор и увидеть сигнал, переданный в эфир за много километров от нашего дома, – глюоны, как и кварки, не могут уйти далеко, прежде чем взаимодействие осуществится. Глюоны связывают объекты на расстояниях, сравнимых по размеру с протоном.

Если представить себе внешний вид протона и сосредоточиться только на элементах, несущих его заряд, можно сказать, что протон состоит из трех кварков. Это три валентных кварка – два верхних и один нижний, – которые вместе формируют его заряд. Однако помимо трех кварков, ответственных за заряд, внутри протона существует целое море виртуальных частиц – пар «кварк – антикварк» и глюонов. Чем подробнее мы будем рассматривать протон, тем больше виртуальных кварк-антикварковых пар и глюонов обнаружим. Их конкретное распределение зависит от энергии, с которой мы будем их зондировать. При тех энергиях, с которыми сегодня можно сталкивать протоны, мы видим, что значительную часть их энергии несут виртуальные глюоны, кварки и антикварки различных типов. Они никак не влияют на электрический заряд частицы, но, как мы увидим позже, важны для корректного предсказания результатов протонных столкновений, когда нам необходимо знать, что находится внутри протона и что конкретно переносит его энергию (более подробно строение протона см. на рис. 18).

Теперь, когда мы дошли до масштаба кварков, удерживаемых вместе сильным взаимодействием, мне бы хотелось рассказать, что происходит на еще более мелких масштабах. Имеет ли кварк внутреннюю структуру? Имеет ли ее электрон? На данный момент у нас нет этому никаких свидетельств. Ни один эксперимент до сих пор не дал никаких подтверждений существования структур более низкого уровня. В контексте нашего путешествия в глубь вещества кварки и электроны – это конец пути. Пока.

Однако в настоящее время БАК исследует энергии, более чем в 1000 раз превосходящие, – и соответственно расстояния, в 1000 с лишним раз меньшие, – чем энергии и расстояния, связанные с массой протона. БАК сталкивает между собой два протонных пучка, которые предварительно разгоняет до чрезвычайно высоких энергий – более высоких, чем все, что когда-либо имело место на Земле. Протонные пучки, о которых идет речь, состоят из нескольких тысяч сгустков по 100 млрд тщательно выровненных, или коллимированных, протонов, собранных в крохотные субстанции, циркулирующие по подземному туннелю. Вокруг кольца расположены 1232 сверхпроводящих магнита, назначение которых – удерживать протоны внутри трубы, пока электрические поля разгоняют их до высоких энергий. Другие магниты (392 штуки) переориентируют лучи таким образом, что два луча, вместо того чтобы лететь рядом, сталкиваются.

Затем – здесь-то все и происходит – магниты проводят два протонных луча по кольцу так точно, что они сталкиваются в области, меньшей по размеру, чем толщина человеческого волоса. При столкновении некоторая часть энергии ускоренных протонов превращается в массу, как гласит знаменитая формула Эйнштейна E = mc2. И при этих столкновениях высвобождается столько энергии, что могут родиться новые невиданные элементарные частицы, более тяжелые, чем все, что нам удавалось получить прежде.

При встрече протонов кварки и глюоны иногда сталкиваются на высоких энергиях в очень ограниченном пространстве – примерно как если бы сталкивались между собой набитые камешками воздушные шарики. БАК сообщает частицам столь высокую энергию, что в случае удачи друг с другом сталкиваются отдельные компоненты встречных протонов. В их числе, разумеется, те самые два верхних и один нижний кварки, которые обеспечивают заряд протона. При этом заметная часть энергии протона достается и виртуальным частицам. Поэтому в БАКе в столкновении участвуют не только три кварка, отвечающие за заряд, но и виртуальное «море» частиц.

Во время этого процесса – и именно здесь кроется ключ ко всей физике элементарных частиц – количество и типы частиц могут измениться. Полученные на БАКе результаты должны многое рассказать нам о самых маленьких расстояниях и размерах. Помимо информации о возможных субструктурах, они должны раскрыть перед нами новые аспекты физических процессов, существенные на этих расстояниях. Энергии, достигаемые на БАКе, представляют собой последний, по крайней мере в обозримом будущем, экспериментальный рубеж в мире сверхмалых масштабов.

Мы закончили вводное путешествие в мир малых расстояний, доступных человеку при нынешнем уровне развития технологий. Однако границы исследовательских возможностей человека не могут ограничивать природу реальности. Пусть сегодня кажется, что нам трудно придумать и изготовить технические средства, позволяющие напрямую исследовать еще более мелкие размеры и расстояния, мы все же можем попытаться сделать некоторые выводы о структуре и взаимодействиях на них при помощи математических аргументов.

Мы признаем, что без экспериментальных данных невозможно точно определить, что существует на тех невообразимо малых масштабах, в которых нам тоже очень хотелось бы разобраться. Тем не менее даже в отсутствие измерений у нас остаются теоретические рассуждения, способные направить наши усилия и подкрепить догадки о том, как вещество и силы природы могут вести себя на еще более мелких масштабах. Мы можем поискать на доступных нам масштабах новые возможности – средства и способы, которые помогли бы объяснить и соотнести между собой наблюдаемые явления, даже если их фундаментальные компоненты недоступны для непосредственных наблюдений.

Мы пока еще не знаем, какие из наших теоретических построений окажутся верными. Но даже без непосредственного экспериментального доступа к самым маленьким расстояниям можно сказать точно: то, что нам удалось наблюдать, серьезно ограничивает спектр явлений, которые в принципе могут быть обнаружены – ведь именно фундаментальная теория в итоге должна объяснить все, что мы видим. А значит, экспериментальные результаты даже на более крупных расстояниях ограничивают спектр возможностей и заставляют нас рассуждать в определенных, достаточно конкретных направлениях.

Кое-кто даже предполагает, что между энергиями БАКа и еще более высокими энергиями, действующими на еще более маленьких расстояниях, существует пустыня, то есть некий промежуток, практически лишенный значимых расстояний или энергий. Вероятно, подобные теории возникают от недостатка воображения или данных. Но многие ученые считают, что следующие по-настоящему интересные открытия на сверхмалых масштабах должны быть связаны с унификацией всех физических взаимодействий на малых расстояниях.

Эта концепция способна распалить воображение как ученых, так и обычных людей. Согласно такому сценарию мир, который мы видим вокруг, пока не раскрывает нам фундаментальную, очень красивую и простую теорию, лежащую в основе всего на свете, которая охватывает все известные физические взаимодействия (или, по крайней мере, все взаимодействия, кроме гравитации). С того самого момента, когда ученые впервые поняли, что сил в природе больше, чем одна, множество физиков посвятило свою жизнь поиску единой теории.

Одно из самых интересных рассуждений на эту тему представили Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу в 1974 г. Они предположили, что, хотя мы наблюдаем при низких энергиях три негравитационных взаимодействия, в которых фигурируют различные силы (электромагнитные, а также слабые и сильные ядерные), при гораздо более высоких энергиях останется лишь одно взаимодействие, одна сила (рис. 19)[23]. Эта сила охватывает все три известных типа взаимодействия (сильное, слабое и электромагнитное). Данное теоретическое построение получило название теории великого объединения (GUT – Grand Unified Theory).

Возможность того, что силы всех трех взаимодействий действительно сходятся в одной точке, представляется не просто красивой гипотезой. Расчеты с использованием квантовой механики и специальной теории относительности указывают: дело, вполне возможно, обстоит именно так[24]. Однако энергетический диапазон, в котором это происходит, намного превышает все те энергии, которые мы можем изучать в своих экспериментах на коллайдере. Расстояния, на которых согласно расчетам должно «работать» единое взаимодействие, составляют порядка 10–30 см. Но, несмотря на то что подобные расстояния выходят далеко за пределы наших возможностей по непосредственному наблюдению, мы можем подумать о том, какие косвенные следствия унификации взаимодействий можно было бы зарегистрировать имеющимися средствами.

Одним из таких явлений мог бы стать распад протона. Согласно теории Джорджи и Глэшоу – а она попутно вводит новые виды взаимодействий между кварками и лептонами – протоны должны самопроизвольно распадаться. Учитывая достаточно специфическую природу этой теории, ученые смогли подсчитать, с какой частотой должен происходить этот распад. До сих пор никому не удалось его наблюдать, что, по идее, исключает вариант теории, предложенный Джорджи и Глэшоу. Это не означает, однако, что теория великого объединения обязательно неверна. Просто в реальности она может оказаться более сложной, чем предположили эти ученые.

Теория великого объединения наглядно демонстрирует, как можно расширить наши знания за пределами непосредственно наблюдаемых размеров. Пользуясь теоретическими допущениями, мы можем попытаться экстраполировать то, что уже сумели экспериментально проверить, на область пока недоступных прямому измерению энергий. В случае теории великого объединения попытки экспериментально наблюдать распад протона позволили ученым косвенно изучить взаимодействия на расстояниях, выходящих далеко за пределы возможностей непосредственного наблюдения. Эти эксперименты позволили проверить выдвинутое предположение. Приведенный пример показывает, что иногда нам удается сделать интересные заключения о свойствах вещества и фундаментальных взаимодействиях и даже придумать способы распространить выводы, основанные на экспериментальных данных, на гораздо более высокие энергии и более общие классы явлений при помощи рассуждений о расстояниях и масштабах, которые на первый взгляд представляются слишком далекими, чтобы принимать их во внимание. Следующая (и последняя) остановка нашего воображаемого путешествия – так называемая планковская длина, а именно 10–33 см. Чтобы получить некоторое представление о том, насколько реально мала эта величина, представьте, что она настолько же меньше протона, насколько сам протон меньше… ну, к примеру, Род-Айленда. В этом масштабе даже самые фундаментальные наши представления о пространстве и времени, вероятно, окажутся неверными. Мы не представляем даже, как мог бы выглядеть гипотетический эксперимент по исследованию расстояний, меньших, чем планковская длина. Это самый маленький размер, какой мы в принципе можем вообразить.

Тот факт, что мы не можем даже представить эксперимент, при помощи которого можно было бы исследовать планковские расстояния, вполне может оказаться не просто симптомом ограниченности человеческого воображения, техники или даже финансирования. Недоступность расстояний, меньших, чем планковская длина, может оказаться подлинным ограничением, обусловленным законами природы. Как мы убедимся в следующей главе, из законов квантовой механики следует, что для зондирования малых расстояний необходимы высокие энергии. Но стоит энергии, заключенной в небольшом объеме, оказаться слишком большой, как вещество коллапсирует и образуется черная дыра. В этот момент на передний план выходит гравитация. Дополнительная энергия лишь сделает черную дыру еще больше, в чем мы успели уже убедиться на примере ситуаций, в которых влияние законов квантовой механики невелико. Мы не знаем, как вообще можно исследовать расстояние, уступающее планковской длине. Дополнительная энергия здесь не поможет. Вероятно, что на этих невообразимо крошечных расстояниях традиционные представления о пространстве уже неприменимы.

Мне недавно довелось читать лекцию. После того как я рассказала о нынешнем состоянии физики элементарных частиц и наших предположениях о природе дополнительных измерений, кто-то из слушателей процитировал мне мое собственное забытое заявление о возможных ограничениях наших представлений о пространстве-времени. Меня спросили, как можно совместить рассуждения о дополнительных измерениях с мыслью о том, что на каких-то расстояниях пространство-время просто не существует.

Вообще, рассуждения о том, что категории пространства и времени теряют свою актуальность в определенных условиях, относятся лишь к невообразимо малой планковской длине. Поскольку никто до сих пор не видел объектов размером меньше 10–17 см, можно сказать, что классическая геометрия на измеримых расстояниях не нарушается. Даже если понятие пространства на расстояниях, сравнимых с планковской длиной, теряет актуальность, не стоит забывать, что речь здесь идет о расстояниях много меньших, чем все, что мы до сих пор исследовали. Здесь нет никакого противоречия, если предположить, что при усреднении на много больших наблюдаемых расстояниях возникает узнаваемая структура. В конце концов, на разных масштабах вещество нередко ведет себя очень по-разному. Эйнштейн говорил о непрерывной геометрии пространства на больших расстояниях. Однако его мысли могут оказаться неверными на малых расстояниях, если, конечно, они пренебрежимо слабо влияют на явления, наблюдаемые на измеримых расстояниях, так что добавление еще нескольких фундаментальных ингредиентов не даст различимого эффекта, который мы могли бы зарегистрировать.

Независимо от того, существуют ли на самых малых расстояниях пространство и время, принципиальное свойство планковской длины, о котором сообщают нам уравнения, состоит в том, что гравитация, действие которой на фундаментальные частицы на измеримых расстояниях пренебрежимо мало, становится серьезной силой, сравнимой по интенсивности с остальными известными нам силами. На планковской длине стандартная формула тяготения, согласно теории относительности Эйнштейна, уже неприменима. В отличие от более крупных расстояний, где мы можем предсказать поведение системы таким образом, чтобы оно хорошо согласовывалось с экспериментальными данными, на этих крохотных расстояниях квантовая механика и теория относительности несостоятельны и применять теории, которым мы обычно пользуемся, невозможно. Мы даже не знаем, как подойти к прогнозированию. Общая теория относительности основана на классической пространственной геометрии. На планковской длине категории пространства и времени из-за квантовых флуктуаций может образовать слишком сложную структуру, к которой уже неприложимы традиционные формулы тяготения.

Чтобы делать какие бы то ни было предсказания о планковских расстояниях, нам необходимо обзавестись новой концептуальной теорией, объединяющей квантовую механику и гравитацию в единую теорию, известную как теория квантовой гравитации. Законы природы, наиболее эффективно работающие на планковских расстояниях, должны сильно отличаться от тех, которые уже доказали свою справедливость на доступных нашему наблюдению масштабах. Не исключено, что для понимания планковского масштаба понадобится не менее фундаментальный сдвиг парадигмы, чем переход от классической механики к квантовой. Пусть мы не можем производить измерения на самых крохотных расстояниях, но у нас есть шанс больше узнать о фундаментальной теории гравитации, пространстве и времени при помощи все более сложных теоретических построений.

Сноски

1

Я буду часто использовать приближенное значение 27 км. – Прим. авт.

2

Рэндалл Л. Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства. – М.: УРСС, Либроком, 2011.

3

Большой адронный коллайдер весьма велик, но используется он для изучения мельчайших объектов. Причины, по которым он сделан таким большим, будут описаны ниже, когда мы рассмотрим детально конструкцию БАКа. – Прим. авт.

4

Conseil Europeenpourla Recherche Nucleaire – Европейский совет ядерных исследований. – Прим. пер.

5

Знаменитая песня Германа Хапфилда, ставшая очень популярной после фильма «Касабланка» (1942), в первоначальном варианте 1931 г. начиналась безошибочно опознаваемой отсылкой к последним достижениям физики:

«Век, в котором мы живем,

Становится причиной опасений

Из-за скорости, новых изобретений

И вещей наподобие четвертого измерения.

Мы уже слегка утомлены

Теорией Эйнштейна…» – Прим. авт.

6

Квантовая механика может иметь макроскопические проявления в тщательно подготовленных системах; они также могут выявиться при наборе большой статистики или при использовании самых прецизионных устройств. Однако это не мешает использовать классические теории в большинстве обычных ситуаций. Все зависит от прецизионности, как будет дальше рассказано в главе 12. – Прим. авт.

7

Берн Р. Тайна. – М.: Эксмо; Домино, 2011.

8

Иногда я буду использовать научную запись чисел, в которой размер Вселенной выражается как 1027 м. Это означает единицу с 27 нулями, что, конечно, гораздо компактнее, чем «тысяча триллионов триллионов». Самый маленький представимый масштаб составляет 10–35 м, т. е. число, обратное к единице с 35 нулями. Рост человека имеет порядок 1 м – это единица вообще без нулей. Таким образом, «человеческий» масштаб находится примерно посередине между двумя крайними значениями. – Прим. авт.

9

Очевидный пример: радужную пленку на воде люди могли видеть и тысячу лет назад, но то, что она появляется вследствие волновой природы света, не имело практического значения. – Прим. пер.

10

Искомая величина определяется через другую величину, измеряемую непосредственно. – Прим. пер.

11

Levenson T. Measure for Measure: A Musical History of Science. – Simon & Schuster, 1994.

12

Во времена инквизиции католическая церковь не включала труды Тихо Браге в список запрещенных книг, как можно было ожидать исходя из его принадлежности к протестантизму, так как в его теории Земля была неподвижна, и тем не менее наблюдения Галилея ей прямо не противоречили. – Прим. авт.

13

Перевод В. Б. Микушевича. – Прим. пер.

14

Перевод М. Литвиновой.

15

Augustine. The Literal Meaning of Genesis. Vol. 1, books 1–6 (New York: Newman Press, 1982).

16

Эмерджентность – несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов; синоним – «системный эффект». – Прим. ред.

17

Holton G. Johannes Kepler’s Universe: Its Physics and Metaphysics // American Journal of Physics, May, 1956, № 24, pp. 340–351.

18

Calvin J. Institutes of Christian Religion. – Minneapolis: Fortress Press, 1999.

19

К примеру, единица длины Древней Греции – стадия – не имела фиксированной длины, поскольку в разные времена основывалась на длине различных частей тела человека в разных регионах страны. – Прим. авт.

20

Там, конечно, есть электромагнитное поле, но практически нет вещества. – Прим. авт.

21

Величина, на малых скоростях приблизительно равная произведению массы и скорости, а на релятивистских – отношению энергии к скорости света. – Прим. авт.

22

От англ. glue – клей. – Прим. пер.

23

Обратите внимание, что этот рисунок соответствует более точной версии объединения, чем первоначальный вариант Джорджи и Глэшоу, в котором линии сходились почти, но не совсем. Несовершенство теории удалось показать позже, когда появились более точные данные об интенсивности взаимодействий. – Прим. авт.

24

Они сближаются, но сегодня мы знаем, что в пределах стандартной модели объединение невозможно. Однако ее можно достичь в модифицированных вариантах стандартной модели, например с привлечением суперсимметрии, о чем пойдет речь в главе 17. – Прим. авт.

Конец бесплатного ознакомительного фрагмента.