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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Прелюдия: геометрия и реальность

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Подводя итог, можно сказать, что:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Четыре (обманчиво) простых принципа

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ньютон и локальность

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

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

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

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

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

Пример из практики: атомные часы

Атомные часы — великолепный пример действенности фундаментальных принципов.

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

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

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

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

ЧТО МОГЛО ПОЙТИ НЕ ТАК, НО НЕ ПОШЛО

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

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

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

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

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

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

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

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

СВОЙСТВА: ЧТО ТАКОЕ МАТЕРИЯ?

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

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

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

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

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

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

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

1) масса,

2) заряд,

3) спин,

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ФИЛОСОФИЯ СВОЙСТВ

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

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

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

ПОДРОБНОСТИ

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

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

Частицы построения

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

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

(Что означают звездочки, я объясню позднее.)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

БУДУЩЕЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ

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

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

Творение частиц, версия первая: о дивный новый мир

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Творение частиц, версия вторая: умные материалы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Он был прав.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Динамическая сложность

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Поразительно простое начало

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

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

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

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

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

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

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

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

Цементирующая гравитация

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Что мы ищем и почему

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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