Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания
Шрифт:
Так вот, есть физики, работающие «на свету», и физики, работающие «в темноте». Первые предпочитают не рисковать и разрабатывают теории, которые можно проверить экспериментально, – они ищут там, где «светло». Это значит, что они, как правило, не выдвигают оригинальных идей, но все-таки могут добиться определенных успехов в открытии истины. Напротив, физики, работающие «в темноте», выдвигают новые умозрительные идеи, которые не очень легко проверить. У них меньше шансов на успех, но если их идеи верны, если их открытия могут привести к революционным сдвигам в нашем понимании мира, то они окажутся в большем выигрыше. И такое различие в подходах гораздо более явственно в физике, чем в других науках.
Я понимаю тех, кого раздражают физики-мечтатели, исследующие эзотерические области вроде космологии или теории струн, ведь это те, кто предпочитает
Гений XX века Поль Дирак как раз и руководствовался в своих исследованиях красотой уравнений, что привело его к постулату о существовании антиматерии за несколько лет до того, как она была открыта в 1932 году. А ведь есть еще Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг, которые в середине 1960-х годов независимо друг от друга предсказали существование кварков, причем еще не существовало никаких экспериментальных данных о возможности существования таких частиц. Питеру Хиггсу пришлось ждать целых полвека, прежде чем открыли его бозон и была подтверждена теория, которая теперь носит его имя. Даже пионер квантовой теории Эрвин Шредингер предложил свое уравнение на основании одной лишь догадки. Он выбрал правильную форму математического уравнения, хотя и не знал, что означает его решение.
Какими уникальными талантами обладали эти физики? Интуицией? «Шестым чувством», которое позволяло им «вынюхивать» секреты природы? Возможно. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг считает, что именно эстетическая красота математики руководила такими теоретиками, как Поль Дирак и великий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл.
Однако правда в том, что ни один из этих физиков не работал в одиночку, а их идеи все-таки коррелировали со всеми уже установленными фактами и экспериментальными наблюдениями.
Поиск простоты
Для меня истинная красота физики заключается не только в абстрактных уравнениях или поразительных результатах экспериментов, но и в фундаментальных принципах, которые лежат в основе существования мира. В них не меньше красоты, чем в потрясающем закате или великом произведении искусства – в картине Леонардо да Винчи или сонате Моцарта. Это красота, которая заключена не в удивительной глубине законов природы, а в обманчивой простоте объяснения того, как они работают (если нам это известно) [4] .
4
Конечно, красота не обязательно связана с простотой. Как и в случае с великими произведениями искусства, красота может заключаться и в сложности какого-то физического явления.
И прекрасный пример тому – поиск основных структурных элементов материи, которым человечество занимается давно и долго. Оглянитесь вокруг. Подумайте об огромном разнообразии материалов вокруг нас: бетон, стекло, металл, пластик, дерево, ткани, пищевые продукты, химические вещества… а еще то, из чего состоят растения, кошки, люди… Миллионы различных веществ, причем каждое обладает своими отличительными свойствами, включая сжимаемость, твердость, текучесть, блеск, гибкость, теплоту, холодность… Если бы мы ничего не знали о физике или химии, то можно было бы представить, что большинство материалов имеют мало общего друг с другом; однако мы знаем, что все вокруг состоит из атомов и число видов этих атомов ограничено.
Однако это не все. О структуре материи размышляли еще в V веке до нашей эры в Древней Греции. Эмпедокл впервые предположил, что материя состоит из четырех основных «элементов» (теория «четырехкратных корней всего»): земли, воды, воздуха и огня. В противоположность этой простой идее и примерно в то же время два философа, Левкипп и Демокрит, высказали предположение, что материя состоит из невидимых глазу «атомов». Однако эти две идеи противоречили друг другу. Демокрит считал, что материя в конечном счете состоит из основных структурных элементов; он думал, что таких атомов может быть бесчисленное множество. Между тем Эмпедокл, который предполагал, что все вокруг состоит из четырех элементов, утверждал, что эти элементы непрерывно перетекают
То, чем занимались греческие философы, не было истинной наукой в ее современном понимании. Кроме нескольких известных исключений – Аристотеля, занимавшегося наблюдениями, и Архимеда, проводившего эксперименты, остальные строили отвлеченные и философские теории. Тем не менее сегодня со всем инструментарием современной науки мы знаем, что обе теории (атомистическая и четырех элементов) были, по крайней мере по духу, не так уж далеки от истины. Все вещество, образующее наш мир, включая человеческое тело и все, что мы видим в космосе – Солнце, Луну, звезды, – действительно состоит менее чем из сотни разного рода атомов. Мы также знаем, что атомы обладают внутренней структурой. Они состоят из микроскопических плотных ядер, окруженных электронным облаком, а само ядро состоит из более мелких элементов, протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, образуются из еще более простых элементов под названием «кварки».
Таким образом, несмотря на кажущуюся структурную сложность материи и бесконечное разнообразие веществ, образованных из химических элементов, правда в том, что древние ученые в своих поисках простоты остановились на полпути. В понимании сегодняшней физики вся видимая материя образована не четырьмя элементами, предсказанными еще греками, а тремя элементарными частицами: «верхним» кварком, «нижним» кварком и электроном. И всего-то. Все остальное – детали.
И все же задача физиков не только в классификации того, из чего состоит мир. Она еще и в том, чтобы найти правильные объяснения для наблюдаемых нами природных явлений, а также принципов и механизмов, лежащих в их основе. Хотя древние греки страстно спорили о реальном существовании атомов или абстрактной связи между материей и формой, они никакого понятия не имели о том, почему происходят землетрясения или откуда берется молния, не говоря уже о таких астрономических явлениях, как фазы Луны или периодические появления комет, – хотя они пытались это понять.
Со времен древних греков мы прошли большой путь, однако есть еще многое, что нам предстоит понять и объяснить. Физика, о которой я расскажу в этой книге, – это в основном то, в чем мы уверены. Я все время буду пояснять, почему мы в этом уверены, и отмечать то, что еще требует уточнения. Естественно, я понимаю, что в какой-то своей части эта книга скоро устареет. Действительно, может случиться, что на следующий день после ее публикации будет сделано какое-нибудь открытие, которое заставит нас отчасти пересмотреть свои идеи. Но такова уж природа науки. В основном же все, о чем идет речь в книге, описывает мир таким, как он есть, и это уже, несомненно, установлено.
В следующей главе я исследую понятие масштаба. Ни одна наука не обращается так смело, как физика, с таким диапазоном масштабов, параметров времени и энергий, от мельчайшего мира квантов до огромного космоса или от мига до вечности.
После того как мы получим некоторое представление о масштабе явлений, с которыми имеет дело физика, мы пустимся в настоящий путь, начав с трех столпов современной физики: теории относительности, квантовой механики и термодинамики. Чтобы нарисовать картину мира, которую мы получили с помощью физики, мы должны сначала приготовить холст – а в данном случае это пространство и время. Все во Вселенной берет начало из событий, которые происходят где-то в пространстве в определенный момент времени. Однако, как мы увидим в главе 3, нельзя отделить холст от картины. Пространство и время сами по себе являются нераздельной частью реальности. Вы будете поражены, когда узнаете, насколько понимание пространства и времени у физиков отличается от обычного, бытового их понимания, поскольку оно опирается на общую теорию относительности Эйнштейна, которая описывает природу пространства и времени и определяет, как мы представляем себе космическую ткань. Когда готов холст, можно переходить к краскам. В главе 4 я расскажу, что имеет в виду физик под материей и энергией, основными элементами Вселенной; из чего они состоят, как они создаются и как себя ведут. Эта глава дополняет предыдущую, поскольку здесь речь пойдет и о том, как материя и энергия неразрывно связаны с пространством и временем, в которых они существуют.