О непонятном

Как известно, семь мудрецов могут встать в тупик от вопросов одного…

Да, много вопросов можно задать: и почему у верблюда горб, и зачем на небе Луна, и почему листья зеленые, и почему у собаки хвост, а у человека его нет, и почему у Ивана Никифоровича голова редькой хвостом книзу, а у Ивана Ивановича редькой хвостом кверху, и почему на другой стороне земного шара люди вверх ногами ходят и не падают, и почему свет движется так быстро, что уж быстрее нельзя?.. Можно спросить и про то, а что было перед тем, как создалась солнечная система, а перед тем, как образовалась Галактика, куда она входит, а еще раньше что было? Можно полюбопытствовать о том, что будет через миллиард миллиардов…

А вот и другие вопросы: чем объясняется сверхпроводимость, почему луч лазера способен проходить большие расстояния, почему от родителей к детям передаются наследственные признаки?…

Многое можно спросить. Но не на все вопросы можно ответить.

Что же это за вопросы, на которые нельзя ответить? Во-первых, это вопросы, лишенные смысла, или лишенные содержания, или лишенные права на постановку. Во-вторых, есть вопросы не бессмысленные, но ответ на которые практически дать невозможно, а потому они неинтересны. И наконец, есть вопросы, правильно поставленные; на некоторые из них можно дать ответ, но на другие пока еще ответа дать нельзя.

Вот в поисках ответа на правильно поставленные вопросы и работают сподвижники науки.

Во всем этом нам нужно разобраться. И прежде всего надо условиться, что значит объяснить явление.

Почему брошенный камень падает на землю? Почему бывают океанские приливы? Почему космический снаряд, движущийся со скоростью меньше восьми километров в секунду, не удастся превратить в спутник Земли? Что такое гравитационные методы разведки?

Ответить на все вопросы, которые я перечислил, объяснить явления, о которых шла речь, — значит показать, что все они являются следствиями общего закона природы — закона всемирного тяготения. Объяснение — это сведение частного к общему, это нахождение для явления его полочки в здании, увенчанном крышей общего закона природы. Ясно, не правда ли?..

Да, но… почему всё-таки тела притягивают друг друга?

Увы, дорогой читатель? Вот на это не могу ответить, не могу удовлетворить вашего любопытства. Так уж устроена природа. На сегодня закон всемирного тяготения есть общий закон природы. И называется он так именно по той причине, что нет никаких более общих положений, из которых его можно было бы получить как следствие.

Значит, объяснение имеет потолок? Совершенно верно. И всегда его будет иметь. Другое дело, что потолок этот имеет тенденцию повышаться. Возможно, когда-либо будет найден такой закон природы, из которого как частные следствия будут вытекать и закон всемирного тяготения, и законы электромагнитного взаимодействия. А может быть, даже и будет когда-либо найдена одна величественная формула, из которой рассуждениями или расчетами можно будет вывести все наблюдаемые в мире явления. Тогда это будет потолок потолков. Но это фантазия.

Что же касается сегодняшней науки, то она естественным образом распадается на ряд областей, — где в каждой имеется свой генерал — закон.

Разобраться в явлении, понять его, получить объяснение, получить ответ на вопрос — это значит показать, что явление однозначно следует из генерал-закона и беспрекословно ему подчиняется во всех деталях своего поведения.

Не надо думать, что все вопросы такого типа получили уже ответ. Есть и без ответов, и их немало. Некоторые очень долго раздражали физиков своей непонятностью. Вот, например, явление сверхпроводимости. Открыто оно было более 50 лет назад. Заключается оно в практически полной потере сопротивления электрическому току ряда металлов и сплавов при очень низких температурах (близких к абсолютному нулю, то есть к минус 273 градусам Цельсия). В замкнутой цепи из сверхпроводящего кабеля электрический ток может циркулировать часами при отсутствии источника тока.

В том, что это поразительное явление не нашло себе объяснения сразу после обнаружения, нет ничего удивительного. Просто ученые еще мало знали. Хотя в конце двадцатых годов общие законы движения электронов были установлены вполне надежно и это давало стопроцентную уверенность, что нет никакого чуда, нет «сверхпроводящего чертика» и что явление будет объяснено уже установленными общими законами природы, которые на сотнях и тысячах примеров доказали с блеском свою справедливость.

Примерно тридцать лет отделили открытие квантовой механики от создания теории сверхпроводимости. Отсутствие объяснения сверхпроводимости тридцать лет раздражало физиков. И не удивительно, что тем, кто избавил мир от этой неприятности, немедленно была присуждена одна из высших наград ученого — Нобелевская премия.

Разумеется, этот большой интервал был не случайным. Много наблюдений и теоретических расчетов сделано предшественниками, чтобы создать тот строй мыслей, родить ту догадку, которая привела к созданию теории. Совсем не лежало на поверхности то следствие из общих законов природы, которое объясняло сверхпроводимость.

Оказалось, что причина сверхпроводимости — в способности электронов образовывать пары, легко передвигающиеся благодаря взаимодействию с тепловыми колебаниями атомов в кристаллической решетке. Объединенные два электрона напрочь лишены тормозных качеств. Если что-либо замедлило один электрон, то его напарник меняет свое движение таким образом, что вклад пары в силу текущего тока остается неизменным.

Ну как, поняли? Нет? Не огорчайтесь. В данном случае причина непонимания совершенно очевидна — недостаток знаний. И большой недостаток моего объяснения! Оно должно было бы заключаться в строгом логическом выводе возможности сверхпроводимости из общих законов природы — законов квантовой механики. Но из-за невозможности это сделать я сказал несколько смутных для вас фраз, претендующих лишь на то, чтобы дать представление о неожиданности результатов, хранившихся долгие годы в скрытом виде в аппарате квантовой механики.

Сверхпроводимость является примером явления, долго мучившего физиков своей непонятностью, но в конце концов покорно подчинившегося генерал-законам. Впрочем, иначе и быть не могло.

Но бывают случаи, когда долгое время остается скрытым не только объяснение, но и само явление. Так обстояло дело с открытием лазеров.

Законы испускания и поглощения света были очевидны и ясны еще задолго до того, как кроваво-красные рубины появились в лабораториях оптиков. Видимо, до 1958 года мало кому ввиду своей кажущейся нереальности приходил в голову вопрос: а нельзя ли заставить возбужденные атомы «подождать» друг друга с тем, чтобы излучение произошло, так сказать, одним махом — чтобы все атомы сразу отдали бы запасенную энергию.

Самая первая, можно сказать пионерская, работа, говорившая о такой возможности, появилась (кстати говоря, у нас в Советском Союзе) еще до войны. Но она оказалась преждевременной. Надо было пройти порядочному числу лет, пока технический уровень не стал реальным для осуществления этой мысли. И не случайно, что практически задача была решена независимо и одновременно в Советском Союзе и США. Открытия такого рода закономерно подготавливаются развитием науки и промышленности.

Открытие лазеров оказалось неожиданным. Но надо ясно представлять, что явилось оно не в результате находки какого-либо неизвестного ранее принципа. Нет, нужно было «всего лишь» догадаться, как надо сделать. А после этого уже любой физик, используя старые, хорошо известные законы природы, мог приняться за расчеты интенсивностей излучения, достижение которых казалось ранее совершенно немыслимым, так как скидывалась со счетов возможность накачки энергией атомов излучателя.

Вероятно, были преподаватели физики, которые лет тридцать назад решали задачи вроде: «Допустим, что все атомы, заключенные в теле размером один кубический сантиметр, одновременно излучат квант красного света. Какая интенсивность света будет излучена и на какое расстояние сможет пройти такой луч, чтобы быть обнаруженным чувствительным болометром?»

Прекрасная физическая задача! И те астрономические цифры, которые стали теперь будничными, появлялись в ученических тетрадях с возгласами: «Ну и ну, вот если бы это стало возможно».

Таких задач я, правда, не решал в юности. А вот сколько энергии выделилось бы согласно уравнению Эйнштейна из одного грамма атомов водорода — такое «пустяковое» вычисление я делал в то время, когда почти все без исключения физики, включая и самого Эйнштейна, говорили о полной невозможности раздобыть энергию, спрятанную в атомном ядре.

Мораль из сказанного такая. Если какое-то явление следует из установленных общих законов природы, то весьма велика вероятность того, что это явление будет осуществлено. В этом отношении нет более мощного импульса к техническим открытиям, чем законы науки.

В законах природы, сейчас нам известных, спрятано немало объяснений еще непонятному. И нет сомнений, что с их помощью человечество сделает великолепнейшие открытия, не уступающие лазеру. До сих пор у нас шла речь о явлениях, которые объясняются или могут быть в принципе объяснены.

Еще раз повторим: объяснить явление — значит показать, что оно представляет собой следствие общих законов природы.

Но еще не все общие законы природы установлены исследователями. Есть явления, еще не имеющие объяснения. Речь идет об области науки, которая изучает поведение микрочастиц, движущихся со скоростями, очень близкими к скорости света. Законы поведения элементарных частиц в таких условиях находятся в стадии выяснения. Лишь в самое последнее время забрезжил слабенький свет некоторых успехов. Кое-что удалось предсказать; у некоторых исследователей есть уверенность, что разгадка близка, хотя немало еще и сомнений.

От этой еще не существующей теории ожидаются ответы на такие вопросы, как, например, почему электрический заряд всех частиц по абсолютной величине не отличается от заряда электрона; почему элементарных частиц столько-то, а не иное количество; исчерпался ли список элементарных частиц или, может быть, он никогда не закроется и будет возрастать по мере увеличения энергии столкновения.

Вот вам примеры осмысленных вопросов, на которые пока что еще ответить нельзя.

Совершенно правильно поступает естествоиспытатель, разнося вопросы по следующим полкам.

Вопросы, на которые есть ответы. Явления из этой категории относятся к области, где генерал-законы известны, а также ясна логическая цепочка, ведущая от закона к этому явлению.

Вопросы, на которые можно ответить. Речь идет о явлениях, попадающих в «управляемую страну» (генерал-закон имеется), но логическая нить закрыта туманом.

Вопросы, на которые еще нет ответа. К этой группе явлений относятся те, для которых отсутствуют общие законы.

И вопросы, на которые нельзя ответить. Это те самые, с которых мы начали разговор… Про семь мудрецов.

Этим в какой-то степени сказано, чего мы должны ждать от дальнейшего развития науки. Ответы на вопросы, на которые нельзя ответить; есть интересная разновидность рениксы — о них у нас разговор впереди. Говорить о вопросах, на котооые пока что нет ответа, значит заниматься пророчествами. К этому у автора нет вкуса, да и область элементарных частиц далека от его научных занятий.

Остается сказать несколько слов о вопросах, на которые можно ответить, то есть об области, где имеется командование в виде генерал-закона.

Законы, управляющие движением атомов и электронов, пребывающих при обычных температурах и давлениях, установлены твердо и проверены человеческой практикой. Одним из тезисов современного естествознания является утверждение, что все явления живой и неживой природы подчинены этим законам.

Разумеется, никто не спорит, что законы эволюции, согласно которым изменяется, скажем, биологический вид жирафов, являются особенностью лишь живой природы. Но то, что видоизменения жирафов с веками несравненно сложней процесса, скажем, выветривания камней, вовсе не означает, что камни и жирафы подсудны разным законам природы.

Как бы ни отличались объекты физика, химика и биолога, всё равно речь идет о системах, построенных из тех же электронов и протонов, и мы не можем отказаться от уверенности в праве пользоваться этими законами для объяснения всех природных явлений.

А как же всё-таки законы биологической эволюции? Они не применяются для камней по той простой причине, что атомы камня сложены в простую регулярную постройку и не сорганизовались в нерегулярные цепи огромной длины (молекулы белков и нуклеиновых кислот представляют собой как раз такие цепи). Значит, разницу между камнем и живой клеткой мы видим тогда, когда сравниваем большие группы атомов. Так как эти группы в камнях и клетках устроены по-разному, то ясно, что и законы, по которым протекают их жизни, будут отличаться друг от друга. Но если, так сказать, взять увеличительное стекло посильнее и понаблюдать за поведением групп из двух-трех атомов или тем более за поведением электронов в атомах, входящих в состав камня или жирафовой клетки, то разницы в их поведении мы не найдем. Все атомы устроены одинаково, все электроны и протоны взаимодействуют по одинаковым правилам независимо от того, входят ли они в состав живой или неживой материи.

Итак, наиболее бурно развивающееся направление естествознания — биологическая физика, молекулярная биология, бионика — строится на основе предположения о возможности и необходимости распространения законов природы, установленных для более простых случаев, на сложные биологические системы. Пока этот процесс приносит огромные успехи, и у пишущего эти строки нет сомнения в том, что это единственно верная дорога.

В этой области мы ждем потока новых открытий. Но они все будут типа сверхпроводимости и лазера. Мы увидим, сколько еще нераскрытых явлений, сколько еще ответов на непонятное таится в законах природы, венчающих уже современное здание науки.

— Значит, — спросит разочарованный читатель, — вы не ждете в будущем открытия каких-нибудь сигма-лучей или какого-нибудь биопазитового поля, которые свойственны только живому существу, а еще лучше — только лишь людям?

— Не жду. И попытаюсь объяснить почему. Пусть сигма-лучи или что-то в этом роде имеются. Как вам больше хочется: чтобы они действовали на физические приборы или нет?

— Чтобы действовали, — предположим, скажет читатель.

— Хорошо. Существующие приборы обладают предельной чувствительностью по отношению к электромагнитному излучению, электронам, атомам. Они считают отдельные частички. Таким образом, если им не удастся уловить сигма-лучи…

— Подождите, — перебьет меня читатель, — а может быть, удастся.

— Совсем нехорошо. Если удастся, то, значит, существуют какие-то силы, дополнительные к тем, которые мы знаем, действующие на атомы или электроны.

— Ну и что же, значит, сделаем шаг вперед к познанию истины.

— Знаете, вы лучше… Поймите, что если бы так оказалось, то это означало бы лишь одно: те законы природы, которые сейчас установлены, оказались бы неверными. А ведь они, как мы знаем, позволяют предсказать все силы, действующие на частицы, а эти самые сигма-лучи ликвидировали бы предсказательную силу законов природы.

— Наука беспредельна…

— Ну, тогда позвольте прекратить с вами разговор. Вы не удосужились сколько-нибудь внимательно прочесть то, что было написано. Те общие законы природы, которыми мы сейчас пользуемся, подтверждены всей человеческой практикой, и они незыблемы, как скала. Так что я вас прошу…

— Подождите, не выходите из себя, — успокаивает меня собеседник. — Ведь есть же еще один вариант. Допустим, сигма-лучи не улавливаются современными физическими приборами. Но ведь они исходят из живого и воспринимаются только живым.

— Да, вы правы. Это, во всяком случае, логичное предположение. Но тем не менее я его решительно отвергаю.

— Почему?

— Подобное утверждение означает признание, что мир состоит из двух сущностей, двух материй, или, скажем яснее, возвращаясь к официальной терминологии, души и материи. Я не верю в это. Я верю в то, что мир един.

— Нельзя исходить из веры или из высоких принципов в суждении об истине, — скажет читатель.

Это верно. Нельзя. Верховным судьей является практика. Если вы поставите убедительные опыты, которые продемонстрировали бы мне, что человек состоит из тела и души, я перейду в другую веру. Но полагаю, что не придется этого делать ни мне, ни моим потомкам. Успехи науки каждый день и каждый час демонстрировали торжество представлений о единстве природы, то есть о том, что весь мир — живой и неживой — построен из тех же строительных камней и жизнь всех построек подчиняется одним и тем же законам.

Случай

Есть еще одна линия противления рациональному объяснению жизни. Если послушать физика, то всё в мире происходит в согласии со строгими законами. А если присмотреться к жизни, то сколько вней таинственных случайностей и странных совпадений! Наверное, за этим что-нибудь да кроется.

— Не люблю глазеть на прохожих. А тут словно что-то меня толкнуло. Подошла к окну, вижу — идет Петя, товарищ моего детства, ведь десять лет не виделись! — рассказывает одна гражданка.

Другая делится иным:

— Решила приобрести лотерейный билет. Думаю, возьму номер, который заканчивается Сережиным днем рождения. И что же? Выиграла ведь! Замечательный ковер получила.

Так что же это за событие — случай? Может быть, наука не интересуется случайным?

Нет, интересуется. Забыть про случай значило бы резко ограничить, а то и уничтожить завоевания естественных наук. Но как же прописать случайные явления в доме, где всё построено на законах?

Сейчас расскажем, как это сделать. Нам придется познакомиться с особым сортом закономерностей, которые называются статистическими.

Один мой приятель любил играть в такую игру. Едем на автомобиле по шоссе, обгоняем грузовики и спорим о цифрах на номерном знаке. Можно выдумать разные игры — и на последнюю цифру, и на сумму цифр…

Наша встреча с грузовиком — типичное случайное событие. Это значит — нет никакой связи между его и нашей поездками. На нашем пути с одинаковым успехом может очутиться грузовик, номерной знак которого оканчивается на семерку, восьмерку или любую другую цифру. Всего десять возможностей. Каждая из них — так говорит естествоиспытатель — осуществляется с равной вероятностью.

Мы едем и один за другим обгоняем пять грузовиков с цифрой семь на конце, потом долгое время нет ни одной тройки. Попытки угадать цифру большей частью оканчиваются неудачей. А иногда вдруг повезет, и несколько раз ваши прорицания оказываются успешными. О какой же закономерности здесь может идти речь? Случай — он случай и есть!

Итак, мы с приятелей отправились в Крым. Делать всё равно нечего: до Симферополя ехать еще весь день. Возьмем лист бумаги и начнем записывать последние цифры номеров всех машин, которых мы обогнали. К вечеру их набралось несколько тысяч: дело в том, что мой приятель вел автомобиль со скоростью, не встречающей особого одобрения у представителей автоинспекции. Мы остановились на отдых, теперь можно приступить, выражаясь языком науки, к обработке наблюдений: сколько насчитали нулей, сколько единиц, сколько двоек… Подсчет закончен, и статистическая закономерность начинает проглядывать из-за леса цифр.

Прежде всего установлено, что каждая цифра появлялась у нас перед глазами примерно одинаковое число раз. Число наблюдений было десять тысяч — следовательно, отклонения от одной тысячи для каждой цифры вряд ли больше, чем полсотни. Иными словами, отношение числа появлений какой-то определенной цифры к общему числу наблюдений будет близко к одной десятой.

А теперь посмотрим, какие варианты вообще могли бы быть.

Если число наблюдений невелико, например сто, то отклонение от одной десятой будет больше чем если число наблюдений тысяча. Можно убедиться на опыте, что с ростом числа наблюдений процентное отклонение от одной десятой будет становиться всё меньше. Таким способом и устанавливается, что вероятность появления нуля, единицы или любой другой цифры равняется одной десятой.

Опыт в нашей игре, строго говоря, нужен лишь для того, чтобы убедиться, что милиция действительно выдает грузовикам все номера с любыми последними цифрами. Если в этом нет сомнения, а также есть уверенность, что встречи с грузовиками действительно случайные, то можно безбоязненно отважиться на предсказание вероятности. Для этого надо прикинуть, какая доля от всех возможностей ложится на интересующий вас вариант.

Всего возможностей десять. Вас интересует одна из них. Значит, вероятность этой интересующей вас возможности — одна десятая. Так же точно вы без колебаний скажете, что вероятность цифр, делящихся на четыре, будет равна двум десятым (четверка и восьмерка).

А чему равняется вероятность появления подряд двух одинаковых цифр?

И это сообразить нетрудно. Вероятность появления, скажем, тройки равна одной десятой. Вслед за ней могут с одинаковыми шансами появиться все десять цифр. Значит, искомая вероятность равна одной десятой от одной десятой, то есть одной сотой.

Так же точно выясняется, что шанс на три тройки подряд равен одной тысячной, а на пять троек подряд — одной стотысячной.

Эти закономерности и называются статистическими. Они проявляются тогда, когда обрабатывается большое количество наблюдений. А могут ли они помочь в предугадывании отдельного случая?

Вот одно из наивных заблуждений, которое разорило уже не одного игрока. Предположим, из десяти возможных цифр пятерка выпала пять раз подряд. Невероятно, чтобы она появилась еще раз, рассуждает игрок и предлагает соответствующее пари. И проигрывает.