Леонард Млодинов.

Высший замысел



скачать книгу бесплатно

STEPHEN HAWKING and LEONARD MLODINOW

The Grand Design


Издательство выражает благодарность литературным агентствам Writers House LLC (США) и Synopsis Literary Agency (Россия) за содействие в приобретении прав.


© Stephen Hawking and Leonard Mlodinow, 2010.

Illustrations © Peter Bollinger, 2010

© Cartoons by Sidney Harris © Sciencecartoonsplus.com

© М.В. Кононов, пер. с англ., 2017

© ООО «Издательство АСТ», 2017

* * *

1. Загадка бытия


Жизнь каждого из нас скоротечна, и за это время мы способны познать лишь малую часть Вселенной. Но люди любознательны. Мы интересуемся, мы ищем ответы. Живя в этом огромном мире, где чередуются добро и зло, люди, вглядываясь в необъятные небеса, всегда задавали себе множество вопросов. Как понять мир, в котором мы оказались? Как развивается Вселенная? В чем суть реальности? Откуда все это взялось? Нуждалась ли Вселенная в творце? Большинство из нас не уделяют значительного времени размышлениям над этими вопросами, но почти все иногда задают их себе.

Традиционно на такие вопросы отвечала философия, но сейчас она мертва. Она не поспевает за современным развитием науки, особенно физики. Теперь исследователи, а не философы держат в своих руках факел, освещающий наш путь к познанию. Цель этой книги – дать ответы, основанные на последних научных открытиях и теоретических разработках. Они приводят нас к новой картине мира, которая значительно отличается от традиционной и даже от той, которую мы могли нарисовать себе еще лет десять или двадцать назад. Причем первые штрихи этой новой картины возникли почти столетие назад.


«Это моя философия…»


Согласно традиционному пониманию Вселенной, все тела в ней движутся по строго определенным траекториям и имеют четкую историю. Мы можем определить их точное положение в любой момент времени. Несмотря на то что такой подход вполне удовлетворителен для повседневных целей, в 1920-х годах было обнаружено, что эта «классическая» картина не соответствует кажущемуся странным поведению объектов на атомном и субатомном уровнях. Там пришлось применить другую систему взглядов, названную квантовой физикой. Квантовые теории оказались способными с исключительно высокой точностью предвычислять явления, происходящие в этих масштабах, и в то же время, будучи применимыми к макромиру нашей обычной жизни, они дают те же прогнозы, что и старые классические теории. Но квантовая физика базируется на совершенно иных представлениях о физической реальности, чем классическая физика.

Квантовые теории можно сформулировать по-разному, но, пожалуй, самое образное определение дал Ричард (Дик) Фейнман (1918–1988), который был весьма колоритной личностью. Он работал в Калифорнийском технологическом институте и частенько играл на барабанах бонго в ближайшем стрип-клубе.

По Фейнману, система мира имеет не одну-единственную историю, а все, какие только возможны. В поисках ответа на наши вопросы мы подробно объясним фейнмановский подход и применим его для рассмотрения идеи о том, что у Вселенной нет одной-единственной истории и даже нет отдельного, независимого существования. Это идея выглядит радикальной даже для многих физиков. Действительно, она, как и многие другие идеи в современной науке, как будто противоречит здравому смыслу. Но здравый смысл зиждется на повседневном опыте, а не на знаниях о Вселенной, которая открывается нам через чудеса технологий, позволяющие заглянуть хоть в начало ее развития, хоть в глубь атома.

До возникновения современной физики было принято считать, что все знание мира может быть получено с помощью непосредственных наблюдений, что вещи таковы, какими они выглядят, как воспринимаются нашими органами чувств. Но впечатляющий успех современной физики, основанный на концепциях вроде фейнмановской, противоречащих нашему повседневному опыту, показал, что это не так. Стало быть, простое восприятие реальности несовместимо с современной физикой. Чтобы иметь дело с такими парадоксами, будем придерживаться подхода, который мы называем моделезависимым реализмом. Он основывается на том, что наш мозг интерпретирует сигналы, поступающие от органов чувств, и создает модель мира. Когда такая модель удачно объясняет события, мы склонны приписывать ей, а также составляющим ее элементам и концепциям свойство реальности, или абсолютной истины. Но ведь одно и то же физическое явление можно смоделировать по-разному, используя различные фундаментальные идеи и концепции. Если две такие физические теории достоверно предсказывают одни и те же события, нельзя сказать, что одна модель реальнее другой, и мы вполне можем использовать ту, которая наиболее удобна.

В истории науки мы видим последовательность все более улучшающихся теорий, или моделей мира: от Платона до классической теории Ньютона и до современных квантовых теорий. Напрашивается вопрос: достигнет ли эта последовательность когда-нибудь конечной точки, окончательной теории Вселенной, которая включит в себя все взаимодействия и предскажет все наши наблюдения, или же мы будем бесконечно искать более совершенные теории, но так и не найдем той, которую уже невозможно будет улучшить? У нас пока нет четкого ответа на этот вопрос, но уже есть кандидат на окончательную теорию всего, если таковая вообще существует. Это так называемая М-теория. Она представляет собой всего лишь модель, обладающую всеми свойствами, которыми, по нашему мнению, должна обладать окончательная теория. Бо?льшая часть нашего последующего обсуждения будет основываться именно на М-теории.

М-теория – это не теория в обычном смысле. Это целое семейство различных теорий, каждая из которых является хорошим описанием наблюдений лишь для ограниченного ряда физических ситуаций. Она немного напоминает карту. Хорошо известно, что на одной карте невозможно показать всю земную поверхность без искажений. Обычная проекция Меркатора, используемая для карт мира, сильно искажает площади, преувеличивая их изображение на карте по мере приближения к Северному и Южному полюсам, а сами полюса картой в этой проекции вовсе не покрываются. Чтобы правильно показать на карте всю Землю целиком, нужно использовать набор карт, каждая из которых покрывает ограниченную область. Эти карты накладываются друг на друга, и в местах перекрытия отдельных листов на них изображен один и тот же ландшафт. То же самое и с М-теорией: все составляющие ее теории, даже если они выглядят сильно отличающимися друг от друга, могут рассматриваться как различные аспекты одной и той же общей теории. Они представляют собой варианты одной теории, применимые лишь в ограниченных пределах, например когда какие-то величины, скажем энергия, малы. Подобно перекрывающимся листам карт в проекции Меркатора, там, где различные версии накладываются друг на друга, они предсказывают одни и те же явления. Но точно так же, как не существует плоской карты, которая без искажений отображает всю земную поверхность, не существует и единой теории, которая хорошо отображает то, что наблюдается во всех ситуациях.

Мы расскажем, какие ответы может предложить М-теория на вопрос о сотворении мира. Согласно М-теории, наша Вселенная не единственная. М-теория предсказывает, что из ничего было создано огромное множество вселенных. Для их сотворения не требуется вмешательства сверхъестественного существа или Бога. Скорее, эти многочисленные вселенные возникают естественным путем по законам физики. Они являются научным предсказанием. У каждой вселенной есть много возможных историй и много возможных состояний в более поздние времена, то есть во времена вроде нынешнего, спустя продолжительное время после их сотворения. Большинство этих состояний должны быть совершенно непохожими на видимую нам Вселенную и совершенно неподходящими для любой формы жизни. Лишь в очень немногих из них условия могут позволить наличие существ, подобных нам. Таким образом, наше присутствие выбирает из этого обширного множества только те вселенные, которые совместимы с нашим существованием. И хотя мы малы и незначительны в космическом масштабе, само наше присутствие делает нас в некотором смысле властелинами творения.


Карта мира. Чтобы представить Вселенную, может потребоваться ряд перекрывающихся теорий, подобно тому как для показа всей Земли без искажений требуется набор перекрывающихся карт.


Чтобы понять Вселенную на самом глубоком уровне, нам нужно знать не только как она себя проявляет, но и почему.

Почему есть что-то, вместо того чтобы не было ничего?

Почему мы существуем?

Почему существует именно этот конкретный набор законов, а не какой-либо другой?

Это Главный вопрос Жизни, Вселенной и Всего такого. Мы попытаемся ответить на него в этой книге. В отличие от фантастического романа английского писателя Дугласа Адамса «Автостопом по галактике», где на все сложные вопросы давался универсальный, но бессмысленный ответ «42», наш ответ не будет столь примитивным.

2. Верховенство закона

 
Сколль имя Волка,
за солнцем бежит он
до самого леса;
а Хати другой,
Хродвитнира сын,
предшествует солнцу.
 
Старшая Эдда.
Речи Гримнира


В мифологии викингов волки Сколль и Хати гонялись за солнцем и луной. Когда кто-либо из них достигал своей цели, случалось затмение. Тогда люди спешили на помощь солнцу или луне, поднимая страшный шум в надежде, что он отпугнет волков. Похожие мифы есть и в других культурах. По прошествии времени люди наверняка заметили, что солнце и луна вновь появляются после затмения независимо от того, бегали они, крича и стуча во что попало, или нет. Они также не могли не заметить, что затмения происходят не спонтанно, а периодически, следуя какому-то правилу. Это было особенно очевидно для лунных затмений, что позволяло древним вавилонянам довольно точно их предсказывать, даже несмотря на то что они не знали, как происходит затмение: Земля перекрывает свет Солнца, падающий на Луну. Предсказывать же солнечные затмения было труднее, поскольку они видны с Земли лишь в пределах сравнительно узкой полосы шириной около тридцати миль. И все же подмеченные особенности ясно указывали, что затмения происходят не по произволу сверхъестественных сил, а подчинены закономерностям.


Затмение. В древности люди не знали, что? является причиной затмений, но они подметили закономерности их повторения.


Несмотря на первые удачные попытки предсказаний движения небесных тел, большинство явлений природы казалось нашим предкам непредсказуемым. Извержения вулканов, землетрясения, бури, эпидемии и вросшие ногти на ногах – все это случалось вроде бы без всяких причин и закономерностей. В древности разрушительные явления природы обычно связывали с деятельностью вредных и злых божеств. Бедствия часто воспринимались как знак того, что люди чем-то прогневали богов. Например, около 5600 г. до н. э. вулкан Маунт-Мазама в Орегоне (США) начал извергаться, выбрасывая камни и горячий пепел. Это длилось на протяжении нескольких лет, вызывая обильные дожди, которые в конце концов заполнили кратер вулкана водой, образовав там озеро, нынешнее Крейтер-Лейк. У орегонских индейцев племени кламат есть легенда, в которой подробно описаны все геологические события, связанные с этим явлением, а также добавлено немного драматизма, чтобы представить виновником катастрофы человека. Присущее людям чувство вины таково, что им нужно лишь найти повод для самообвинения. Легенда говорит, что вождь Нижнего мира, Ллао, влюбился в прекрасную земную девушку, дочь вождя кламатов. Она отвергла его, и в отместку Ллао попытался уничтожить кламатов огнем. К счастью, согласно легенде, Скелл, вождь Верхнего мира, пожалел людей и сразился со своим подземным соперником. После битвы раненый Ллао скрылся в недрах горы Мазама, оставив за собой огромную яму – кратер, который впоследствии заполнился водой.

Не зная законов природы, древние люди вынуждены были придумывать богов, управлявших различными сторонами человеческой жизни. Были боги любви и войны, солнца, земли и неба, океанов и рек, дождя, грома и даже землетрясений и вулканов. Когда боги пребывали в хорошем настроении, они посылали людям благоприятную погоду, мир, оберегали их от стихийных бедствий и болезней. Когда же боги гневались, начинались засухи, войны, мор и эпидемии. Поскольку связь причины и следствия в природе оставалась невидимой для людских глаз, то боги казались им непостижимыми, и люди уповали на их милосердие. Но начиная с Фалеса Милетского (ок. 625 – ок. 546 до н. э.), то есть примерно 2600 лет назад, этот взгляд на мир стал меняться. Появилась мысль, что природа подчиняется незыблемым принципам, которые можно расшифровать. Так начался долгий процесс замены понятия о власти богов на концепцию Вселенной, управляемой законами природы и созданной по замыслу, который мы когда-нибудь сумеем разгадать.

По сравнению с продолжительностью истории человечества научное исследование представляет собой совершенно новый, недавно принятый подход. Люди зародились в Африке, к югу от Сахары, примерно за 200 000 лет до нашей эры. Письменность появилась лишь около 7000 г. до н. э. Она возникла в обществах, занимавшихся культивированием зерна (некоторые из древнейших текстов касаются дневной нормы пива, дозволяемой каждому жителю). Самые ранние записи великой цивилизации Древней Греции восходят к IX веку до н. э., но расцвет этой цивилизации, ее «классический период», наступил несколько столетий спустя, начавшись около 500 г. до н. э. Согласно Аристотелю (384–322 до н. э.), примерно в это время Фалес впервые выдвинул идею о том, что мир можно понять, что сложные события вокруг нас можно свести к простым принципам и объяснить, не прибегая к мифологическим или теологическим толкованиям.

Принято считать, что Фалес первым предсказал солнечное затмение в 585 г. до н. э., хотя его предсказание получилось точным, вероятно, лишь по счастливой случайности. Он был скрытным человеком и не оставил о себе почти никаких свидетельств. Его дом являлся одним из интеллектуальных центров Ионии – области в Малой Азии, на восточном побережье Эгейского моря, которую заселили греки. Влияние Ионии постепенно распространилось от нынешней Турции на запад, вплоть до Италии. Ионийская наука с ее попыткой объяснить природные явления, открыть фундаментальные законы – гигантская веха в истории человеческой мысли. Ученые Ионии пытались рационально объяснить те или иные законы природы и во многих случаях пришли к заключениям, удивительно похожим на наши, сегодняшние, полученные с помощью иных, усложненных методов. Это было великое начало. Но несколько веков спустя о многих достижениях ионийской науки забыли и то, что уже было сделано, открывали и изобретали заново, иногда не один раз.


Иония. Ионийские ученые одними из первых стали объяснять природные явления законами природы, а не мифами или теологией.


Считается, что первая математическая формулировка того, что теперь мы могли бы назвать законом природы, принадлежит ионийцу Пифагору (ок. 580–490 до н. э.), прославившемуся теоремой, получившей его имя, которая гласит: квадрат гипотенузы (самой длинной стороны) прямоугольного треугольника равен сумме квадратов двух других его сторон (катетов). Считается, что Пифагор открыл численную зависимость между длиной струн музыкального инструмента и гармоническим рядом звуков. На современном языке мы бы описали это соотношение, сказав, что частота колебаний – количество вибраций в секунду – у струны, вибрирующей при фиксированном натяжении, обратно пропорциональна длине струны. С практической точки зрения это объясняет, почему более короткие гитарные струны дают более высокий тон, чем те, которые длиннее. Вполне вероятно, что на самом деле это открытие не принадлежит Пифагору (как и формулировка теоремы, носящей его имя), но есть свидетельства, что про определенную зависимость между длиной струны и высотой тона в его время было известно. А если так, то эту простую математическую формулу можно считать первым этапом того, что мы сегодня называем теоретической физикой.

Кроме закона Пифагора о струнах в правильном виде древним были известны лишь три закона, установленные Архимедом (ок. 287–212 до н. э.), который несомненно являлся самым выдающимся физиком Античности. В сегодняшней терминологии закон рычага гласит: малая сила может поднять большой вес потому, что рычаг увеличивает силу пропорционально отношению расстояний от точки опоры. Закон плавучести утверждает, что на любой предмет, погруженный в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости. А закон отражения устанавливает, что угол между падающим лучом света и зеркалом равен углу между зеркалом и отраженным лучом. Но Архимед не называл это законами, как и не обосновывал их ссылками на наблюдения и измерения. Вместо этого он относился к ним так, будто это были вполне очевидные математические теоремы типа аксиом, являющиеся частью системы, не требующей доказательств – весьма похожей на ту, что создал Евклид для геометрии.

По мере распространения ионийского влияния появлялись и другие ученые, понимавшие, что во Вселенной есть внутренний порядок, который можно распознать путем наблюдений и умозаключений. Анаксимандр (ок. 610 – ок. 546 до н. э.), друг и, возможно, ученик Фалеса, говорил: поскольку новорожденный человек беспомощен, то если бы первый человек каким-то образом появился на Земле младенцем, он бы не выжил. Своим, пожалуй, первым в истории человечества намеком на эволюцию Анаксимандр аргументировал, что люди должны были развиться из других животных, чьи детеныши более приспособлены к жизни.

На Сицилии Эмпедокл (ок. 483/84 – между 430 и 420 до н. э.) наблюдал, как используется клепсидра – устройство, иногда применявшееся в качестве черпака. Клепсидра представляет собой сферический сосуд с открытым горлышком и маленькими дырочками в днище. Когда ее погружали в воду, она наполнялась, а если горлышко затем закрывали, то клепсидру можно было вынуть из воды, и при этом вода из дырочек не вытекала. Эмпедокл заметил: если горлышко закрыть перед погружением, то клепсидра водой не наполняется. Из этого он заключил, что проникновению воды в сферу сквозь дырочки должно препятствовать нечто невидимое. Так он открыл материальную субстанцию, которую мы называем воздухом.

Примерно в то же время Демокрит (ок. 460 – между 380 и 370 до н. э.) из ионийской колонии в Северной Греции обдумывал, что же происходит, когда предмет разбивают или разрезают на части. Он утверждал, что этот процесс невозможно продолжать бесконечно. Демокрит высказал мысль о том, что все, включая живые существа, состоит из простейших частиц, которые более невозможно разрезать или разбить. Эти конечные частицы он назвал атомами – от греческого прилагательного, означающего «неделимый». Демокрит полагал, что любое материальное явление представляет собой результат столкновения атомов. По его теории, названной атомизмом, все атомы перемещаются в пространстве и, если их не трогать, могут двигаться по прямой бесконечно. Сегодня это называют законом инерции.

Революционную мысль, что мы лишь обычные обитатели Вселенной, а не особые существа, удостоенные чести находиться в ее центре, первым высказал Аристарх Самосский (ок. 310 – ок. 230 до н. э.), один из последних ученых Ионии. Из его расчетов уцелел лишь сложный геометрический анализ тщательно выполненных им наблюдений за величиной земной тени на Луне во время лунных затмений. Из этих данных Аристарх сделал вывод, что Солнце должно быть намного больше Земли. Возможно, вдохновленный идеей о том, что мелкие объекты должны вращаться вокруг огромных, а не наоборот, он стал первым, кто заявил, что Земля не представляет собой центра нашей планетной системы, а скорее она и прочие планеты вращаются вокруг гораздо более крупного Солнца. От понимания того, что Земля всего лишь одна из планет, оставался только шаг до мысли, что наше Солнце тоже не представляет собой ничего исключительного. Аристарх подозревал, что это именно так, и полагал, что звезды, которые мы видим на ночном небе, в действительности не что иное, как удаленные солнца.

Ученые Ионии были представителями одной из многих философских школ Древней Греции, имевших свои собственные традиции, зачастую противоречившие другим школам. К сожалению, подход ионийской школы к природным явлениям, состоявший в том, что их можно объяснить общими законами и свести к простому набору принципов, имел сильное влияние на протяжении всего лишь нескольких столетий. Одной из причин этого было то, что в ионийских теориях зачастую не находилось места для таких понятий, как «свобода воли» или «предназначение», либо для концепции об участии богов в делах мира. Эти поразительные упущения вызывали у многих греческих мыслителей столь же глубокое беспокойство, как и у многих людей сегодня. Философ Эпикур (341–270 до н. э.), например, выступал против атомизма на том основании, что «лучше следовать мифам о богах, чем стать „рабом“ удела натурфилософов». Аристотель тоже отвергал концепцию атомов, так как не мог допустить, что люди состоят из мертвых, неодушевленных объектов. Предположение ионийских ученых, что человек не является центром Вселенной, – это веха в нашем понимании космоса, но оно было отброшено и не подхвачено снова еще почти двадцать столетий, вплоть до Галилео Галилея.

Хотя большинство идей древних греков было столь же проницательно, как и некоторые их догадки о природе, в наши дни они не получили бы статуса действительно научных. Поскольку греки не разработали научного метода, их теории строились без расчета на экспериментальную проверку. Поэтому если один ученый утверждал, что атом движется по прямой, пока не столкнется с другим атомом, а другой ученый утверждал, что атом движется по прямой, пока не ударится в циклопа, то не было объективного пути уладить их спор. Не было также и четкого различия между физическими законами и законами человеческого существования. В V веке до н. э., например, Анаксимандр писал, что все сущее происходит из первовещества и возвращается в него же, чтобы «заплатить штраф и понести наказание за свои злодеяния». А ионийский философ Гераклит (ок. 540 – ок. 480 до н. э.) считал, что Солнце ведет себя так, а не иначе, потому что оно боится наказания богини справедливости. Несколько столетий спустя стоики (приверженцы греческой философской школы, возникшей примерно в III веке до н. э.) наконец провели границу между законами природы и нормами поведения людей, но к законам природы они отнесли и те нормы поведения людей, которые считали универсальными, например поклонение богам и послушание родителям. И наоборот, они часто описывали физические процессы юридическими терминами и полагали, что к исполнению физических законов следует принуждать, даже если объекты, которые должны «подчиняться» законам, являются неодушевленными. Но если уж людей трудно заставить соблюдать правила дорожного движения, то представьте себе, каково это – убедить астероид двигаться по эллипсу.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4