Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

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.