скачать книгу бесплатно
Чего не знает современная наука
Сборник статей
Интересно о важном
Жизнь без тайны – пресна и скучна. Присутствие тайны – вызов для нас, а стремление проникнуть в нее – сильнейший стимул наших действий. Представьте себе, что мы знаем ВСЁ, – как же это неинтересно! Знание наперед всего, что должно произойти, напоминает чтение интересной книги с конца; тайна тем и интересна, что ее можно раскрывать. Нам повезло: мы живем в огромном мире, который до конца никогда не поймем… Авторы статей, собранных в этой книге, познакомят вас с теми тайнами, что с нетерпением сегодня ждут своих открывателей; а также из этих статей вы узнаете о древних, но, быть может весьма полезных методах познания мира, в котором мы живем. Статьи эти на протяжении более чем 10 лет публиковались в журналах «Новый Акрополь» и «Человек без границ» и неизменно вызывали огромный читательский интерес. Авторы статей – ученые, преподаватели естественных наук и философы, имеющие большой практический опыт.
Чего не знает современная наука.
Сборник статей
© Издательство «Новый Акрополь», 2015
* * *
Как устроен мир
Чего не знает современная наука
Жизнь без тайны – пресна и скучна. Присутствие тайны – вызов для нас, а стремление проникнуть в нее – сильнейший стимул наших действий. Представьте себе, что мы знаем ВСЁ, – как же это неинтересно! Чувство разочарования от обреченности на неотвратимое будущее, хотя бы и очень желанное, прекрасно описали А. и Б. Стругацкие в повести-сказке для научных работников «Понедельник начинается в субботу». Знание наперед всего, что должно произойти, напоминает чтение интересной книги с конца, объясняет главному герою директор НИИ чародейства и волшебства (сам живущий «из будущего в прошлое»), желая уберечь коллегу от тяжкого груза неизбежности. Тайна тем и интересна, что ее можно раскрывать. Нам повезло: мы живем в огромном мире, который до конца никогда не поймем…
Мир непрост, совсем непрост
Школьные годы. Первые уроки физики, химии, биологии… Если повезло с учителями, то в это время мы чувствуем себя настоящими магами, ведь в хаосе разнообразных явлений вдруг начинаем видеть порядок, заданный законами природы. И вот уже со свойственным этому возрасту максимализмом мы считаем, что все тайны в мире можно раскрыть с помощью науки…
Проходит время. Позади школа, институт. Нераскрытые нами тайны теперь имеют иной масштаб: нам уже не так интересны внутреннее строение майского жука или законы движения бруска по наклонной плоскости. Мы слышим об открытиях науки в области микро– и макромира, о новых концепциях пространства и времени, о научных спорах по поводу возникновения жизни и законах эволюции. Попытки разобраться в тонкостях научного взгляда на эти проблемы не всегда приводят к успеху: в каждой области науки разработан свой язык, не уступающий языку алхимических трактатов, понять который непосвященный не может.
А тайна зовет, и так хочется «перепрыгнуть» из незнания в «знание», понять, объяснить, разложить все по полочкам – как на первых уроках природоведения в школе. Вот было бы замечательно сформулировать основные непреложные истины, очевидные для всех, и уже из них путем логических рассуждений определить, какие утверждения правильны, а какие нет! Так была построена геометрия Евклида, и вплоть до недавнего времени именно в ней виделся идеал научного знания.
К сожалению, а может быть, и к счастью, развитие науки сегодня приводит нас к выводу, что так построить знание о мире невозможно. Пожалуй, это одно из главных достижений современности – осознание того, что мир устроен совсем непросто.
Что такое простота? В обыденной жизни она зачастую понимается как очевидность, основанная на нашем жизненном опыте, в привычных для нас пространственных и временных масштабах (мезомасштабах). Однако эта очевидность вступает в противоречие с наблюдаемыми явлениями при попытке объяснить процессы, идущие в масштабах космоса или микромира. В самом деле, можно ли считать само собой разумеющимся, что скорость света всегда постоянна и не зависит от того, приближаюсь я к источнику или удаляюсь от него? Наш «обыденный» опыт, почерпнутый, например, из путешествий по реке, говорит, что вода набегает на нас с большей скоростью, когда мы идем навстречу потоку, и с меньшей – если по течению. Скорость же светового потока всегда одинакова, идем ли мы навстречу ему или удаляемся от его источника. Вот другой пример: из опытов с переменным током известно, что циклическое движение зарядов порождает электромагнитное излучение. Но тогда и в микромире (исходя из известной модели атома) электрон, вращающийся вокруг ядра, тоже должен непрерывно излучать, а значит, теряя энергию, в конце концов, упасть на ядро. Однако этого не происходит.
Многие фундаментальные положения современной научной картины мира уже не столь очевидны, и некоторые люди до сих пор отказываются верить в теорию относительности или в квантовую механику и ищут иные объяснения.
Но не менее драматична ситуация и с логическим рассуждением. В середине XX века австрийский математик К. Гёдель доказал знаменитую теорему о неполноте. Смысл ее в следующем. Если мы сформулируем не подлежащие сомнению очевидные истины и, рассуждая по законам логики, постараемся построить из них всю систему знания (так, как это сделано, например, в геометрии Евклида), то обязательно найдется утверждение, которое нельзя будет ни опровергнуть (найдя противоречие), ни подтвердить (то есть вывести из известных истин путем формальных логических рассуждений). Поэтому все знание о мире нельзя построить подобно геометрии, устанавливая истинность тех или иных фактов либо из опыта, либо формально-логическими рассуждениями.
Еще один идеал классической физики, потерпевший крах, – представление о непреложности законов природы. Опять-таки стереотипно это понимается как необходимость повторения одного и того же исхода эксперимента в неизменных условиях: брошенный вверх камень всегда падает на землю, магнит всегда притягивает железные опилки и т. д. Но в микромире повторные наблюдения над системой, находящейся в идентичных условиях, приводят к разным результатам! Например, «выстрелив» электроном в экран с двумя симметричными отверстиями, можно с равной вероятностью обнаружить его след как за первым, так и за вторым отверстием. Указать точно, где он окажется в результате эксперимента, невозможно принципиально: закон природы определит только вероятность того или иного исхода.
Ко всему этому стоит добавить, что к началу XX века практически завершился этап развития науки, когда изучались «идеальные модели в идеальных условиях». Действительно, механика Ньютона описывает движение материальных точек в инерциальных системах отсчета – но ни материальные точки, ни инерциальные системы в чистом виде в природе не встречаются. Классическая термодинамика, оперируя понятием замкнутых систем, тоже идеализирует и упрощает действительность. Пришла пора изучать мир во всем богатстве его взаимосвязей. Если описание мира методами классической науки напоминало план местности, то теперь стремятся сделать описание похожим на фотографию. Чем больше особенностей и связей мы хотим учесть, тем сложнее оказывается модель исследуемой системы. Способы описания сложных систем сейчас еще только рождаются, но без них дальнейшее развитие науки трудно представить.
Неужели наука так запутала саму себя, что в ней теперь нет места простому, очевидному, логичному, предсказуемому?! Конечно, это не так! Все дело в том, что сегодняшние представления о простом, логичном предсказуемом сильно изменились по сравнению с веком XIX. Вместо ушедшего в прошлое классического идеала научного знания формируется новый, и в этом процессе есть и свои консерваторы, и свои радикалы. К последним можно отнести двух нейробиологов из Чили, авторов теории автопоэза («самостроительства») У. Матурану и Ф. Варелу. В своей книге «Древо познания» они формулируют новые критерии научного объяснения явлений. При этом бесспорные постулаты авторы предлагают заменить приемлемыми гипотезами, логический вывод – способом рассуждения, приемлемым для большинства, а вместо полной предсказуемости предлагают говорить лишь о наблюдении феноменов, согласующихся с гипотезой. Можно, конечно, критиковать такой подход, поскольку в нем нет даже намека на то, какое отношение подобное «научное объяснение» имеет к истине. Но вопрос истинности нашего знания – вопрос, скорее, не науки, а мировоззрения. Но об этом – наш следующий раздел.
Две реальности и картина мира
Характерный штрих науки XX века – появление, наряду с представлением о реальности как о действительно существующей природе, понятия «физическая реальность». Если натурфилософы эпохи Просвещения считали, что открытые ими законы напрямую описывают мир, то с развитием научного знания появляются такие понятия, как заряд, электрический ток, электромагнитная волна, электрон и т. п., которые являются обозначением свойств мира, возникающих лишь в физической теории. Напрашивается естественный вопрос: а что такое заряд, или масса, или напряженность поля? Что описывают эти теории – действительный мир или только наше представление о нем, искаженное чувственным восприятием? Чтобы снять остроту этого вопроса, была предложена концепция физической реальности, которую и изучает физика. Она понимается как совокупность всех теорий, взглядов, положений, построенных на основе наблюдений, и включает в себя всю иерархию – от самых общих представлений о пространстве, времени и материи до частных законов различных областей физики и прикладных вопросов, связанных с их применением при создании бытовой техники, электроники, машин и механизмов. Знание о физической реальности позволяет предсказывать результаты наблюдений в заданных условиях. И в том, как эти предсказания согласуются с осуществленными наблюдениями, – главная ценность научного знания.
Однако вопрос о связи «реальности вообще» с физической реальностью решается не физикой, он относится к философии. И на него вряд ли можно дать однозначный ответ. С одной стороны, кажется совершенно верным, что реальность не зависит ни от какой теории, которая ее описывает, с другой – человек, воспринимающий реальность, так или иначе взаимодействует с ней, а всякое воздействие приводит к изменению: природа формирует сознание человека, а его сознание преобразует мир. Поэтому нельзя считать бессмысленным утверждение, что процесс познания изменяет мир и природу.
Что же получается: даже если мы в совершенстве изучим все положения науки, останется вопрос о том, какое они имеют отношение к действительности? Ведь физика дает знание только о физической реальности, биология – о биологической и т. п. Каждая из областей науки дает только частное знание о той грани мира, которой она занимается. Но помимо физических явлений в мире, где мы живем, существуют эмоции, чувства, мысли, есть еще и составляющая, связанная с глубоким внутренним индивидуальным опытом. В философии эти виды реальности называются миром чувственным, сверхчувственным (метафизическим, не воспринимаемым органами чувств) и трансцендентным (недоступным теоретическому познанию). Картина мира возникает не только из научных знаний – есть еще знания, которые накоплены в опыте поколений, переданы нам нашими родителями, закреплены в культуре, в моральных положениях религий, в сказках и мифах. При построении единой картины неизбежен произвол в заполнении тех пробелов в знании, для которых не существует однозначного ответа, опирающегося на строго выверенный научный подход.
Было бы ошибкой думать, что ученые не признают существования «ненаучного пути познания». Наука хороша не только тем, что может давать знание, отшлифованное опытом, но и тем, что прекрасно осознает границы применимости своих законов. Так, квантовая физика, например, четко указывает, что на расстояниях меньших планковской длины (порядка 10
см) и на промежутках меньших планковского времени (порядка 10
с) ее законы неприменимы из-за слишком больших случайных изменений (так называемых квантовых флуктуаций) пространства. Эти масштабы чрезвычайно малы, но все-таки конечны. Точно так же есть пределы применимости и других наук.
Дополнить картину мира, сделать ее целостной способно иное, ненаучное знание, в частности – религиозные представления. Об этом говорит, например, доктор физико-математических наук Ю. С. Владимиров, много лет возглавляющий семинар «Физика и духовная культура» на физическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова. По его представлениям, наука – созидатель познанного, но есть еще и непознанное. Роль религии – в дополнении познанного до целостного. А целостная картина мира позволяет нам жить и действовать в нашем сложном мире, где возникает масса проблем, для разрешения которых научного знания подчас недостаточно.
Говоря о знании научном и ненаучном, нельзя не упомянуть и еще одно явление. В последнее время появилось множество теорий, которые принято относить к «паранаучным». Некоторые из них (теории торсионных полей, волнового генома и т. п.) созданы профессионалами, но по тем или иным причинам не принимаются большинством ученых. Некоторые больше похожи на мистические откровения, чем на научные теории: последние, как правило, носят названия вроде «Общая теория всего» и претендуют на полное и безошибочное описание мира. Как к ним относиться?
Было бы опрометчиво утверждать, что все, что есть в мире, так или иначе описывается уже существующими научными теориями. Когда-то и магнетизм считался мистикой – до тех пор пока Фарадей не провел свои опыты и Максвелл не написал уравнения. Было время, когда теплота связывалась с особой субстанцией, называемой теплородом, – пока не была предложена молекулярно-кинетическая теория. Наука развивается, на ее пути возникают гипотезы и теории, некоторые выживают, другие трансформируются, а некоторые и умирают. К сожалению, а может, к счастью, нет иных путей выверенного научного знания, кроме трудной работы увязывания эксперимента и теории. Полет мысли, воображения, рассуждения по аналогии – необходимый этап работы ученого, нужный для выдвижения гипотез. Но далее надо доказывать их работоспособность не словами, а практикой, только тогда они превратятся в добротные научные теории.
Науку часто обвиняют в нерешительности, кропотливости исследований, осторожности в суждениях: «Когда ученые доберутся до вершины знаний, они увидят там мистика». Однако «мистиков», сидящих на «вершинах», сейчас довольно много, и как без исследований, без реального опыта выбрать среди них истинного и понять его учение? Наука дает конкретный путь к вершине, и то, что кто-то взобрался на нее какой-то иной дорогой, не делает путь науки менее ценным.
Чего же не знает наука?
Где же сейчас граница между познанным и непознанным, тот рубеж, где кончается «научно обоснованное» и начинается «дополнение до целостного»? Рассуждения на эту тему только с позиций науки невозможны, так как наука еще не выработала к ней четкого отношения. И поэтому сколько ученых, столько и мнений. Здесь же выскажем только малую их часть. Одна из загадок, всегда волновавших пытливые умы, – тайна рождения. В частности, тайна рождения мира.
Вплоть до начала XX века считалось, что вопрос этот не относится к естествознанию. Среди ученых бытовало мнение о неизменности Вселенной, которое опиралось на представления античных натурфилософов, считавших, что мир существовал вечно, или на библейские легенды о сотворении мира таким, каким мы его видим сейчас. Это мнение было столь устойчиво, что первые результаты пулковского астронома А. Фридмана, решившего уравнения Эйнштейна и обнаружившего теоретическую возможность сжатия или расширения Вселенной, некоторое время рассматривались как интересный математический курьез, не имевший физического смысла. Однако экспериментально обнаруженное Э. Хабблом в 20-х годах XX века разбегание галактик окончательно убедило ученых в том, что мы живем именно в расширяющейся Вселенной. А значит, когда-то давно Вселенная была не столь велика и около 13 млрд лет тому назад имела столь малый размер, что для ее описания требовались законы микромира, то есть квантовые законы. А одно из положений квантовой физики гласит, что система не обладает определенными физическими характеристиками до тех пор, пока она не подвергнется процессу измерения, или, иными словами, взаимодействия с чем-то внешним по отношению к квантовому объекту. Возникает вопрос: с чем же взаимодействовала наша Вселенная «до начала времен»? Простая экстраполяция законов микромира позволяет говорить о «внешних» по отношению к ней силах, имя которым во всех религиозных системах – Бог. Оставляя в стороне правомочность такого подхода (естественно, ни о какой научной обоснованности его не может быть и речи), обратим внимание на необходимость привлечения «ненаучных» рассуждений для создания целостной картины мира.
Тайна рождения и смерти – одна из самых манящих. Множество гипотез, объясняющих начало жизни на нашей планете, имеют параллели с мифологическими сюжетами, а значит, опираться здесь только на науку пока что еще рано. Самая известная из таких гипотез – возникновение первых органических веществ на границе первичного бульона с атмосферой – напоминает миф об Афродите и «рождении жизни в пене морской». Геологи утверждают, что жизнь могла зародиться в области действия подводных вулканов. Рождение из четырех стихий: Земли, Воды, Огня и Воздуха (в данном случае газов, выделяющихся в процессе извержения) – чисто алхимический сюжет. Зарождение жизни в глинах (есть и такая гипотеза) – это уже Библия или шумеро-аккадская мифология. Есть гипотезы о космическом происхождении жизни – чем не мифы о вдыхании Творцом души в земную материю?
Как первый раз родилось живое существо – тайна, отстоящая от нас на миллиарды лет. Но таинство рождения происходит постоянно – загадка возникновения живого организма из единой клетки-семени не разрешена до сих пор, несмотря на открытие структуры ДНК, расшифровку генетического кода и успехи в изучении механизмов наследственности. Один из вопросов касается развития эмбриона: по современным представлениям, клетка-зародыш делится на две совершенно одинаковые клетки, ничем не отличающиеся одна от другой, каждая из них вновь делится на две идентичные. Но в какой-то момент начинается дифференциация функций: одни клетки превращаются в нервную ткань, другие – в соединительную, третьи – в мышечную и т. п. Кто командует выбором дальнейшего пути, если начальные клетки одинаковы? Этот процесс настолько непонятен, что для объяснения его используют множество непривычных для нас гипотез, в частности – о существовании специальных «морфогенетических полей», внешних по отношению к клетке, дающих «невидимый каркас» будущего организма.
Возникновение разума – следующий важный этап в развитии Вселенной и столь же сложный для объяснения современной наукой. Само понимание того, что мы называем разумом, меняется в процессе развития знаний. Декарт считал, что мышление и материя – две реальности, существующие независимо и объединенные лишь в Боге и человеке. Интересен современный подход, рожденный в уже упоминавшейся теории автопоэза. Суть ее в том, что развитие мира есть расширение взаимосвязей. Начинается все с физических связей между элементами мира: элементарные частицы объединяются в атомы, образуя химические элементы, атомы связываются, образуя химические вещества, и т. д. На сегодняшний момент благодаря возникновению человеческого сознания связи устанавливаются на уровне понятий – мы объединяем различные явления, находя между ними сходство, предлагаем законы, принципы, упорядочивающие наблюдаемый мир. Например, закон Кулона устанавливает связи между зарядами и силой их взаимодействия, а «заряд» и «сила» здесь не только характеристики физической реальности, но и понятия, отражающие свойства мира в нашем сознании. Чем выше качество связей, тем выше уровень разума, и разум, таким образом, выступает как неотъемлемое свойство мира. Развитие мира предстает в этой концепции как развитие разума, выражающееся в усложнении взаимосвязей.
Но вот что неясно: как же возникло это свойство материи – мыслить отвлеченными понятиями? Естествознание связывает это с развитием мозга, но об уровне понимания его устройства свидетельствует следующее высказывание академика РАН, научного руководителя Института мозга человека Н. П. Бехтеревой: «Всю свою жизнь я посвятила изучению самого совершенного органа – человеческого мозга. И пришла к выводу, что возникновение такого чуда невозможно без Творца».
Чего же не знает современная наука? Очень многого. Но это незнание со знаком «плюс»: оно дает импульс новым поискам и приводит к новым открытиям. Да, научное знание ограничено, но оно получено способом, подтвержденным практикой, и достаточно определенно понимается специалистами в данной области. Знание «ненаучное» безгранично, каждый может трактовать его индивидуально, опираясь на свой внутренний опыт, и на практике оно признается не всеми. Но противопоставлять знание научное и знание ненаучное не следует, продуктивным может быть только диалог. Каждый из нас волен решить сам, чему и в какой мере стоит доверять. Важно, чтобы эти решения не оставались абстрактной теорией, а определяли наши действия в подчас непростых жизненных ситуациях и тем самым приближали к истине. Иначе все мы будем похожи на путников, блуждающих без определенной цели.
Алексей Чуличков, д-р физ. – мат. наук, МГУ
Загадки нашего мира: время, пространство и материя
Привычное, прочное и устойчивое здание науки и представлений о мире в начале XX века рухнуло. Ему на смену приходит другое понимание, основанное на новых данных и наблюдениях и полностью переворачивающее наше видение мира. Но насколько новыми являются эти представления?
К концу XIX века было почти завершено здание классической науки, которая родилась из соединения опыта, полученного человеком в повседневной жизни, и логического вывода. Ее успехи были очень впечатляющими, и это породило иллюзию всемогущества человеческого разума. Законы классической физики резко противоречили традиционным представлениям о мире, которые содержатся в мифах и учениях древних мудрецов. Из-за этого мифы стали рассматриваться как забавные истории, не имеющие отношения к реальности, а учения философов интересны были лишь с исторической точки зрения.
Однако открытия XX века показали, что, когда речь идет о явлениях природы в масштабах, намного отличающихся от привычных для человека, не всегда можно достичь ясности и отчетливости интерпретации опытных данных, основываясь на логике и здравом смысле. Это масштабы атомных явлений, а также процессов, которые идут в космосе и охватывают звезды, галактики и их скопления.
От классической к релятивистской физике
В XVII веке Исаак Ньютон сформулировал концепцию пространства и времени классической физики. Согласно этой концепции, пространство и время обеспечивают абсолютную и неизменную невидимую платформу, которая дает Вселенной порядок и структуру. К концу XIX века на этой платформе было возведено здание классической физики. Стало казаться, что к этому времени большинство фундаментальных принципов природы прочно установлены.
Однако первое десятилетие XX века стало поистине революционным. Классические представления о пространстве, времени и реальности, которые до этого были привычными и интуитивно ясными, вдруг уступили место новым представлениям, трудно понимаемым и далеко не очевидным с точки зрения нашего повседневного опыта.
В нашем жизненном опыте нет места движениям с очень большими скоростями, такими, как скорость света (примерно 300 000 км/с). А тем не менее именно изучение свойств движения с такими скоростями привело к пониманию того, что классические представления об абсолютности пространства и времени невозможно применять для описания этих свойств. В результате как пространство, так и время перестали быть абсолютными, а стали обладать свойствами, зависящими от наблюдателя. В частности, результаты измерений расстояний и длительности оказываются различными для разных наблюдателей, если они движутся с разными скоростями относительно той сцены, на которой разворачивался физический процесс. Более того, эти результаты зависят и от массы тел, которые находятся рядом с этой сценой. Здание теоретической физики зашаталось, так как законам природы, описывающим явления в пространственной протяженности и временной длительности, грозила утрата универсальности.
Вернуть абсолютный характер физическим законам удалось Альберту Эйнштейну. Он предложил так называемый специальный принцип относительности, хотя и не очевидный с точки зрения повседневного опыта, но обладающий общностью и красотой математических следствий: все физические процессы (в инерциальных системах отсчета) протекают одинаково, независимо от того, неподвижен ли наблюдатель или находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Как следствие этого принципа, скорость света для любого такого наблюдателя одинакова, независимо от того, движется он относительно источника света или покоится.
Новая физика строилась в четырехмерном пространстве-времени, в котором три координаты – привычные пространственные, а четвертая – время. Для разных наблюдателей мир выглядит по-разному (у каждого из них – своя пространственная и временная шкалы), однако во всех системах отсчета неизменной остается величина, связанная с координатами двух событий в пространстве и времени. Она зависит как от разности пространственных координат точек, в которых происходят эти события, так и от временного промежутка между ними. Эта величина получила название «релятивистский интервал». Постоянство этого интервала можно интерпретировать как неразрывную сплетенность пространства и времени. Новые формулировки физических законов позволили предсказать, какими пространственно-временными характеристиками будет обладать физическое явление для любого наблюдателя. Физическая картина мира усложнилась, но сохранила свое единство, хотя это единство и спрятано за ширму математических преобразований.
Еще одним следствием теории относительности стало открытие того, что энергия и масса взаимосвязаны и могут превращаться друг в друга. Это можно интерпретировать так, как будто эти две физические величины суть разные «ипостаси» единой энергии-массы. Это следствие стало основой атомной и ядерной энергетики и прекрасно подтвердилось в экспериментах.
Через несколько лет Эйнштейн расширил специальный принцип относительности до общего: в нем утверждается, что все физические законы протекают одинаково для любых наблюдателей – движутся ли они относительно наблюдаемой сцены равномерно, или с ускорением, или покоятся. Для этого ему пришлось постулировать, что силы гравитации и силы инерции, которые действуют на тело, движущееся с ускорением (относительно инерциальной системы отсчета), имеют единую природу, и объяснить ее искривлением пространства-времени, зависящим от массы окружающей материи. Это разрешило одну из загадок классической физики, в которой как в законе инерции (второй закон Ньютона), так и в законе всемирного тяготения используется одна и та же величина – масса тела.
В самом деле, мы привыкли, что любое тело, на которое не действует сила, движется по кратчайшему пути. Для пустого пространства эти пути суть прямые линии, в классической физике по таким прямым траекториям распространяется световой луч. Поэтому обычная евклидова геометрия – это геометрия пустого пространства. Однако наше физическое пространство заполнено массивными телами. Как показывает опыт, световые лучи искривляются под действием гравитации. А. Эйнштейн предложил заменить действие гравитации на искривление пространства.
Разница между классической и релятивистской реальностью проявляется только в условиях чрезвычайно больших скоростей и гравитации, а для условий, в которых мы обычно действуем, ньютоновская физика дает очень точное приближение, полезное во многих ситуациях. Однако, по словам Б. Грина, «полезность» и «реальность» – совсем разные категории.
Квантовая реальность
Квантовая физика описывает новую реальность в масштабах, сравнимых с размерами атомов. Она началась с попыток сформулировать законы излучения света. Однако наблюдаемые эффекты никак не удавалось объяснить с классических позиций. Для устранения противоречий Макс Планк в 1900 г. предположил, что электромагнитные волны (свет) излучаются порциями; он назвал их квантами.
Далее последовали эксперименты по фотоэффекту. Еще в 1887 г. немецкий физик Г. Герц обнаружил, что под действием света вещество может испускать электроны. По классическим представлениям, чем больше амплитуда волны, тем больше ее энергия и тем больше электронов она должна выбивать. В экспериментах же все было не так: электроны выбивались только светом с частотой выше пороговой, а свет сколь угодно большой интенсивности, но с частотой ниже порога, никаких электронов вообще не выбивал. Это странное поведение света было теоретически объяснено Эйнштейном в 1905 г.: он предположил, что свет не только испускается, но и распространяется порциями (квантами), названными позднее фотонами и имеющими свойства частиц.
Еще один парадокс, расшатавший основы классической физики, – невозможность объяснить структуру атома. В 1896 г. было открыто явление радиоактивности, через год открыт электрон, а в 1911 г. благодаря опытам Резерфорда обнаружено, что атом состоит из необычайно малого ядра и вращающихся вокруг него электронов. Чтобы представить себе соотношение размеров ядра (10
см) и атома (10
см), увеличим атом до размеров комнаты – тогда ядро будет едва заметной точкой.
В результате классические представления о твердом теле как об области пространства, заполненной сплошной материей, были заменены на представления о «пустоте», в которой движутся чрезвычайно малые частицы – ядра атомов и электроны. Предполагалось, однако, что эти частицы обладают чрезвычайно высокой плотностью. Новое содержание получило учение Демокрита, утверждавшего, что в мире нет ничего, кроме атомов и пустоты.
По классическим представлениям, чтобы электрон не упал на ядро, он должен с сумасшедшей скоростью вращаться вокруг него. Но, вращаясь, электрон испытывает ускорение (направленное к центру орбиты) – а ускоряющиеся частицы, согласно законам классической электродинамики, непрерывно излучают электромагнитную волну, а значит, теряют энергию. Электроны должны практически мгновенно (за 10
секунды) упасть на ядро! Для объяснения устойчивости атомов было предложена еще одна «квантовая» идея: излучение электрона в атоме может происходить только дискретными порциями. Развитие этой идеи позволило описать частоты линий спектра электромагнитных излучений веществ.
Корпускулярные свойства света проявились и в эффекте А. Комптона (1922 г.): оказалось, что свет может рассеиваться электронами, при этом и электрон, и свет ведут себя подобно абсолютно упругим шарикам. Итак, «сумасшедшая природа» придает свету свойства то волны, то частицы – в зависимости от условий его регистрации.
В 1924 г. Луи де Бройль предположил, что такие свойства характерны не только для света, но и вообще для всех объектов микромира. Если эта гипотеза верна, то движение частиц атома нельзя описывать в классических понятиях траектории (орбиты).
Поток электронов, проходящих через щель, регистрируется на экране. Частота попадания электронов в точку y экрана изображена в виде графика функции z(y), изображенного зеленым цветом. Помимо размытого максимума напротив щели имеются и более слабые максимумы, куда электроны не могут попасть, если предположить, что они являются частицами.
Эта идея прекрасно согласуется с опытом, в котором электроны, которые всегда считались «частицами», один за другим «выстреливались» в сторону диафрагмы в виде щели, за которой располагался экран. На экране фиксировались точки, в которые попадали электроны, прошедшие через щель. Если бы электроны были частицами, на экране была бы четкая область, в которую попадали бы частицы, движущиеся по прямой через щель. В реальности же электрон попадает в любую точку экрана, причем в одни области чаще, а в другие реже. Частота попаданий электронов в разные площадки экрана на рисунке показана кривой зеленого цвета. Форма этой кривой полностью совпадает с формой интенсивности волны (световой или волны на поверхности воды), проходящей через щель. Это заставляет отказаться от понятия частицы, движущейся по траектории: вместо нее в современной физике используется представление о некоторой «волне вероятности», которая и распространяется как будто «вместо» частицы, огибает щели экрана, а затем порождает фотон в том или ином месте в соответствии с математическими законами.
Но волна не имеет конкретной координаты, она размыта в некоторой области пространства. На смену представлениям о точечных частицах материи (локальность) приходит «нелокальность». Удивительно, что при регистрации координаты электрона на втором экране «нелокальность» электрона мгновенно сменяется четкой локальностью – электрон-волна мгновенно сворачивается в точку, фиксирующую след от электрона на втором экране. Это свойство получило название редукции волны при измерении.
Однако такая интерпретация редукции волны грозила нарушить свойство причинности. Мы привыкли, что каждое событие имеет свою причину: например, разбитая ваза на полу возникла потому, что ее откуда-то бросили или столкнули, причем сначала ее столкнули, а потом она разбилась. От момента действия причины (толчок вазы) до следствия (ее разбития) обязательно должно пройти какое-то время, затрачиваемое на преодоление пространства, разделяющего причину и следствие. Однако в квантовом мире все не так просто – в рассмотренном примере следствие наступает одновременно с причиной, как бы далеко одна от другой они ни находились. Действительно, в момент измерения все «части» электрона-волны, размытого в пространстве, мгновенно собираются в точку на экране в момент измерения его координаты.
Для демонстрации парадоксальности квантовой реальности А. Эйнштейн, Б. Подольский и Н. Розен придумали мыслительный эксперимент, в котором проверялось это свойство нелокальности квантового мира: описывались две частицы, разнесенные в разные концы Вселенной, и показывалось, что наблюдение одной из них в случае наличия нелокальности мгновенно скажется на состоянии другой. В 1964 г. Джон Белл предложил формулировку парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена, допускающую непосредственную экспериментальную проверку. Эксперимент был поставлен в 1982 г., и он показал, что мир действительно таков, что в нем одна частица «чувствует» измерения, проведенные над второй. Приходится признать, что наш мир не есть набор локальных атомов-«кирпичиков», пусть даже и связанных последовательно между собой; он сам по себе – единое целое, и то, что происходит в одной его части, в тот же миг меняет его в целом.
Итак, сказанное выше приводит нас к мысли, что в основе наблюдаемой реальности лежит «невидимая» квантовая реальность, которая становится «видимой» в ходе взаимодействия наблюдаемой и наблюдающей частей рассматриваемой системы. Однако в реальных ситуациях эта система едина, ее разделение на «квантовую» и «классическую» весьма условно.
Одно из свойств квантовой реальности, кажущееся парадоксальным с позиций классической физики, связано с тем, что уточнение одной из характеристик объекта при взаимодействии квантового объекта с классическим прибором (то есть при измерении) сопровождается потерей точности в значении некоторых других. Так, например, уточнение координаты частицы в процессе ее взаимодействия с классическим прибором делает ее импульс (произведения массы на скорость) менее определенным; таким же свойством обладает время наблюдения системы и ее энергия и др. Такое странное с классической точки зрения положение сформулировано Н. Бором как принцип дополнительности. По-видимому, адекватное описание явлений микромира требует использования «разных языков», дополняющих друг друга.
Например, описание микрочастицы как точечного объекта отражает лишь часть его свойств, проявляющихся, например, при бомбардировке атомов. В других условиях (при прохождении через набор щелей) микрочастица проявляет свои волновые свойства. В результате возникает представление о квантовой частице как о некоторой скрытой реальности, ведущей себя по-разному в зависимости от способов взаимодействия с наблюдателем. По словам Нильса Бора, «…изолированные материальные частицы – это абстракции, свойства которых могут быть определены и зафиксированы только при их взаимодействии с другими системами». Наблюдения в этой ситуации становятся очень похожими на «тени на стене пещеры», описанные Платоном в диалоге «Государство». Этот миф другими словами пересказывают физики XX века. Так, например, Дэвид Бом считает: «…неделимое квантовое единство всей Вселенной является наиболее фундаментальной реальностью, а эти относительно независимые составные части – только лишь частные единичные формы внутри этого единства».
Итак, к настоящему времени установлен ряд поразительных пространственно-временных взаимосвязей, вытекающих из квантовой механики, которые противоречат классическому, интуитивному взгляду на мир. Это, в первую очередь, квантовая нелокальность, означающая, что области, разделенные пространственно, тем не менее связаны между собой квантовым единством; во-вторых, отсутствие абсолютной детерминированности в исходах экспериментов с квантовыми объектами – физика может лишь вычислить вероятности исходов. Внутренняя квантовая подоплека наблюдаемых экспериментальных фактов привела физиков к образному описанию физической реальности как ряби на поверхности океана, причины которой кроются в еще недоступной глубине.
Пространство и время Вселенной
Одна из загадок, оставшаяся еще со времен классической науки, состоит в том, что практически все законы физики допускают так называемое «обращение времени». Поясним это на примере механической системы, эволюционирующей во времени от прошлого в будущее. Если в какой-то момент поменять направление скоростей всех частиц механической системы на противоположное, то ее поведение будет в точности повторять движение исходной системы, но в обратном направлении. Этот эффект можно назвать изменением направления течения времени на обратное. То же самое можно сказать о системах с электромагнитным и гравитационным взаимодействием, а также о квантовых системах. Однако «в жизни» мы явно видим движение времени только в одном направлении: разбитая ваза никогда уже не станет целой, а старики – молодыми.
Первые законы физики с фиксированным (и необратимым!) направлением времени появляются в термодинамике, связаны они с именем Л. Больцмана, доказавшего, что в замкнутой системе все процессы идут так, что порядок сменяется хаосом.
Размышляя над этим эффектом и вспоминая, что одним из самых грандиозных «необратимых эффектов» является рождение Вселенной, Р. Пенроуз высказал предположение, что особые физические условия при возникновении Вселенной (высокоорганизованная среда в момент Большого взрыва или сразу после него) могли заставить двигаться время только в одном направлении, от прошлого к будущему.
Вопрос «откуда взялся наш мир?» всегда будоражил воображение людей. В традиционных цивилизациях ответ на этот вопрос содержался в мифах о сотворении мира, рассказывающих об изначальных временах. Характерной особенностью этих мифов является то, что, согласно им, мир творится в некоторой точке – центре мира, из которой начинает разворачиваться пространство; в момент создания начинается и течение времени. Совершенно неожиданно для многих ученых в начале XX века эти мифологические концепции получили естественнонаучные подтверждения.
В начале XX века были открыты объекты Вселенной – галактики, находящиеся гораздо дальше от нас, чем большинство видимых звезд. Измерение их скоростей, предложенное астрономом Э. Хабблом в 1928 г. по смещению спектральных линий их светового излучения, показало, что все они удаляются от Земли со скоростями, пропорциональными их расстоянию. Анализ этого факта и других, появившихся позже, позволяет сейчас говорить о том, что около 13,7 млрд лет назад Вселенная действительно родилась из точки или, точнее, из колоссально малой области пространства. С этого момента, по представлениям современной науки, и начало свой бег время и родилось пространство. Эта теория получила экспериментальные подтверждения (например, открытие предсказанного реликтового излучения), стала общепринятой и получила название теории Большого взрыва.
В конце XX века наблюдения астрофизиков привели к новым открытиям. Самым интригующим является то, что расширение Вселенной с некоторого момента вдруг стало происходить с ускорением. Теперь считается, что видимая масса во Вселенной составляет всего около 4 % всей массы-энергии Вселенной. Около 22 % составляет так называемая «темная материя», она ответственна за форму галактик и характер их движения, физическая природа ее пока не ясна. И, наконец, остальная часть массы-энергии Вселенной, около 74 % ее полной массы, нужна для объяснения ее ускоренного расширения. Она носит название «темной энергии».
Заключение
В результате развития физики пространство, время и материя предстают перед нами в совершенно непривычном обличье: оказывается, что пространство и время сплетены между собой и различны для разных наблюдателей, движущихся с разными скоростями, а также зависят от наличия тяготеющих масс. Удаленность предметов в квантовом мире не является препятствием для их связи, поскольку сами квантовые объекты не локализованы, а предстают в виде волнового поля, квадрат амплитуды которого в каждой точке дает вероятность обнаружить этот объект в этой точке при наблюдении. Само пространство и время динамичны, они «родились» вместе со Вселенной, и с тех пор пространство «растягивается», так что к настоящему времени область наблюдаемой Вселенной составляет около 13 млрд световых лет. В современных теориях, пытающихся дать единое описание всей физической картины мира, пространство-время предстает в еще более экзотическом облике: есть теории, которые говорят об 11-мерном, 13-мерном пространстве и так далее. И нет уверенности, что наши представления о пространстве, времени и материи в будущем не изменятся коренным образом.
В современных теориях физические законы не обладает очевидностью, свойственной классическим представлениям, язык, на котором формулируются эти законы, сейчас больше напоминают символические сюжеты древних мифов, для раскрытия смысла которых надо отрешиться от «бытовой реальности». Понимание физических законов также требует непредвзятости, иначе можно утонуть в противоречиях между привычной очевидностью и не вписывающимися в нее экспериментальными данными.
Алексей Чуличков, д-р физ. – мат. наук, МГУ
Вселенная как ответ
Человек есть, в сущности, вопрос, вопрос, который он задает самому себе и окружающей его Вселенной.
Вселенная – это совокупность всего, что есть в Природе, частью которой является и сам человек. Однако когда мы говорим о Вселенной вообще, мы упускаем из виду основную идею, о которой сегодня пойдет речь. Когда мы говорим о Вселенной, мы имеем в виду звезды, планеты, животных, небо и землю, воду и снег… и забываем, что за этим стоит подлинный смысл понятия «Вселенная». «Вселенная» – «Универсум» – означает «направленное к единой цели», и наш основной вопрос – куда идет Вселенная?
Это был, пожалуй, самый первый вопрос, который задало себе человечество. Все древние цивилизации в своих религиях, в метафизике и философии задавались им: куда идет Вселенная и для чего она существует? Однако новый, отчужденный, материалистический взгляд на мир, особенно характерный для посткартезианского периода, привел к тому, что человек стал задавать совсем другие вопросы и анализировать внешние характеристики Вселенной: ее размеры, форму, вес.
Человек утверждает, что знает Вселенную, потому что дал звездам имена, измерил расстояние между Землей и Луной, исследовал свойства химических элементов и характеристики физических сил. Однако хотя познания в определенных областях стали благодаря этой точечной форме изучения, несомненно, более углубленными, сами эти области постепенно отдаляются друг от друга и теряют связь между собой. Так, например, в минералогии изучаются различные породы и тектонические процессы, вызвавшие изменения поверхности земли, но о фундаментальном смысле материального мира в ней не говорится ничего.
Предположим, что мы берем в руки предмет и отпускаем его. Мы видим, что он падает и при этом ищет самое низкое положение, то есть всегда существует естественное притяжение между маленьким кусочком материи и большим объектом, на котором все мы находимся. Это материальное притяжение неисчерпаемо, оно не прекращается никогда.
Так что же мы можем почерпнуть из природы минералов? Упорство, твердость, стремление осуществить свое предназначение. Но кто из нас может сказать, что мы разделяем с камнями это стремление, что упорно ищем свое предназначение? Как правило, встречая препятствие, мы некоторое время боремся с ним, и если препятствие не отступает, отступаем мы. А вещи в природе, например камни, обладают упорством, чтобы быть сильнее времени, сильнее его испытаний и всегда искать свое предназначение.
Нашим детям в школе рассказывают о различных свойствах растений; так, например, они знают, каким образом в растениях создается хлорофилл. Но им ничего не говорят о том, что помимо фотосинтеза растения обладают еще способностью ждать и способностью расти. Маленькое зерно, скрытое под снегом в холодной земле, терпеливо ждет приближения весны. С ее приходом зерно прорастает в поисках воздуха и солнца, и это второй урок упорства – стремление вверх.
Или возьмем в качестве примера воду: вода всегда стремится к морю, потом испаряется, поднимается вверх, а затем конденсируется и снова повторяет свой цикл.
Все во Вселенной имеет свою цель, и с философской точки зрения нас интересует конечный смысл движения всего существующего.
Последние века развили новый подход к вопросу о предназначении Вселенной – подход отчужденный, который объясняется всеобщей привязанностью к материальному и господством психологии производства и потребления. И человек забыл о существовании простых, естественных вещей и разучился их понимать. Древние не спрашивали о том, каково расстояние между Землей и Луной, не пытались получить максимально точный ответ; скорее, они стремились понять значение Луны во Вселенной. Посредством древних наук, таких как астрология, они пытались объяснить явления природы и увидеть, каким образом эти феномены связаны с другим феноменом – человеком. Благодаря этому человек в древности ощущал, что его окружают разумные существа и что он сам – разумное существо.
Наша проблема сегодня состоит в том, что мы чувствуем себя как бы изолированными внутри Вселенной. Иными словами, мы настолько привыкли соприкасаться с искусственными основами, что потеряли способность искать смысл вещей и – что еще трагичнее – находить его в нашей собственной жизни. Живя от мгновения к мгновению, мы забыли теологический смысл жизни, забыли источник и цель нашего существования. Мы подчинены мгновению, тому, что преходяще; мы убеждены, что нас создал случай и что в любой момент мы можем исчезнуть. Эта подсознательная мысль ужасает нас и наносит непоправимый вред.
Но вместо того, чтобы попытаться понять природу, мы создаем поверхностные гипотезы и теории, которые, в сущности, не дают решений. На одном из занятий я рассказывал ученикам «Акрополя» о том, что окраску крыльев бабочек можно спутать с окраской цветов и листвы, чтобы их не нашли и не съели птицы. Случайно ли, что крылья сыча обтрепаны по краям, делая его ночной полет неслышным для кролика? Случайно ли, что уши грызунов расположены позади, чтобы регистрировать малейший звук преследования? А число цветов, из которых составляется белый цвет, – случайно? А распределение тонов в гамме?
Очевидно, что вся Вселенная устроена настолько целесообразно, что образует единство. Мы в «Акрополе» называем это пирамидальностью существования, благодаря которой все сущее, несмотря на большое разнообразие, стремится к одной-единственной цели и направляется одним и тем же разумом.
