Три столпа вселенной

Фундаментальное уравнение, представленное в предыдущем параграфе, резюмирует центральное понятие, вокруг которого объединяется вся физика, – движение. Напомним упрощенную формулу этого уравнения: ma^→; = F^→; (где m – масса тела в кг, a^→; – его ускорение в м/с², а F^→; – сумма четырех фундаментальных сил Вселенной).

Это уравнение предусматривает, что начало движения связано с действием четырех фундаментальных сил, эффективным настолько, насколько мала масса тела. Оно объединяет три главных кирпичика Вселенной: массу (кг), расстояние (м) и время (с). Сама сила объединяет в себе три эти понятия: являясь произведением массы на ускорение, она выражается в кг ⋅ м/с² (единица, которую для простоты называют ньютон).

На этот счет есть замечательное утверждение: ни одно явление, существующее в природе, не содержит в себе ничего другого, кроме трех понятий – массы, времени и расстояния. Чтобы в этом убедиться, сделаем обзор других физических величин, используемых для описания этих явлений.

Кроме силы широко используется понятие энергии. Пример энергии E = ½mν² показывает, что она выражается в кг ⋅ (м/с)². Мы также могли бы в качестве иллюстрации взять E = mc²: энергия также объединяет в себе три базовых кирпичика.

А как же температура? Это кинетическая энергия перемещения молекул в заданном направлении, то есть ее тоже можно выразить в кг · (м/с)². Обычно мы предпочитаем использовать для этого шкалу Кельвина или Цельсия, что более логично, но не следует забывать, что понятие тепла или холода есть не что иное, как передача энергии на микроскопическом уровне.

Продолжим наш обзор физики. Оптика и электричество, в частности, основаны на действии электромагнитной силы. Между тем она вводит понятие заряда, которое, казалось бы, не согласуется с концепцией времени, расстояния или массы. Но связь все-таки существует! Чтобы в этом убедиться, полезно сравнить выражение двух фундаментальных сил не квантовой физики: гравитации и электростатической силы .

Первая пропорциональна произведению взаимодействующих масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния, которое их разделяет. Во второй массы просто заменены зарядами.

В этом прекрасном сходстве очевидна аналогия между произведением Q ⋅ q и M · m: вообще-то можно выразить их одной единицей, при условии, что k = G, и соответствующим образом адаптировать значение зарядов. Другими словами, заряд можно выразить в кг в системе, где постоянная k будет равна G (отметим, что заряды при этом имели бы колоссальное значение, отражая слабость гравитации по сравнению с электростатической силой). Использование единицы заряда, кулона, не является необходимым: она возникла в ходе развития науки, когда гравитацию и электростатику стали рассматривать отдельно друг от друга. Отметим, что это не противоречит тому, что объект может отдельно иметь массу и заряд: эти два параметра вовсе не идентичны только потому, что оба могут выражаться в кг.

С помощью понятий массы, времени и расстояния можно описать все явления механики, термодинамики, электричества и оптики, затронутые в этой книге.

А как обстоит дело с современной физикой?

Теория относительности построена вокруг фундаментальной константы: скорости света в вакууме с, которая выражается м/с. Какие-либо дополнительные единицы не требуются. Что касается квантовой физики, она строится вокруг постоянной Планка h. Речь идет о моменте импульса, то есть она выражается в кг · (м/с)². И снова мы видим перестановку трех базовых концептов – массы, времени и расстояния. Вся Вселенная держится на этих трех величинах!

Это утверждение приводит нас к еще более поразительному выводу: все законы Вселенной строятся вокруг всего лишь трех фундаментальных констант, напрямую связанных с существованием трех ключевых величин, которые мы выдвинули на передний план. Вот они:

G: гравитационная постоянная, выражается (м³/кг)/с²

Это скрепа классической физики.

с: скорость света в вакууме, выражается м/с

Это скрепа теории относительности.

h: постоянная Планка, выражается кг ⋅ м²/с

Это краеугольный камень квантовой физики.

Единственные дополнительные элементы, необходимые для понимания единства Вселенной, – это свойства элементарных частиц: их масса, заряд и спин. Мы уже говорили об этом в предыдущем параграфе: происхождение значения этих параметров – это главная тайна, которая по сей день присутствует в стандартной модели. Исследовательские работы в физике продолжаются как на теоретическом, так и на экспериментальном уровне. Возможно, однажды появится всеобъемлющая теория, вершина пирамиды, с которой вырисовывается вся Вселенная. Мы уже не очень далеки от этого.

Физика и метафизика

Ранее мы рассматривали прошлые и будущие открытия фундаментальной физики. Между тем даже старая добрая классическая физика XIX в. по-прежнему может перевернуть нашу повседневную жизнь. Почти все технологические достижения, которыми мы пользуемся каждый день, основаны на законах классической физики. Одно дело – понять источник наблюдаемых законов, другое дело – применить их в сложных системах, где смешиваются процессы микро- и макромира.

Все больше и больше это взаимопроникновение масштабов потребует применения квантовой физики начала XX в. для технологий будущего: «квантовые компьютеры» – один из подобных многообещающих способов применения.

Если законам физики суждено применяться в технологиях все более и более сложных, они также позволят понять особенно сложные природные системы. Так произошло с химией, в прошлом широко используемой шарлатанами, но которая мало-помалу была теоретически обоснована благодаря квантовой физике.

От химии мы естественным образом переходим к биологии, которая есть не что иное, как чрезвычайно сложная химия. Примером этого служит человеческое тело.

На этом этапе сложность физико-химических процессов такова, что детерминизм законов природы нашего масштаба кажется неразличимым. Впрочем, мы замечаем это во многих областях, например в прогнозе погоды: невозможно предвидеть погоду, которая будет через год, потому что необходимо учесть гигантское число разных параметров. Невозможно не только свести эти параметры воедино, чтобы вывести заключение, но и невозможно знать общий состав этих параметров. Это иллюстрирует знаменитый «эффект бабочки»: если мотылек где-то взмахнул крыльями, этого достаточно, чтобы изменить погоду, которая будет через год…

Подобное же наблюдение мы встречаем в области информатики, где поведение машины может казаться хаотичным из-за сложности задействованных процессов. Что сказать тогда о столь совершенном механизме, как человеческое тело? Мы понимаем, что многие феномены в этой области могут показаться случайными, в то время как они управляются детерминистскими законами.

В этой связи невольно задумаешься о том, что кажется специфической особенностью человека: поскольку он наделен сознанием, создается впечатление, что человек может воздействовать на природу и сохранять свободу воли, по крайней мере внешне. Другими словами, человек это не только тело, это еще и дух…

«Сознание», «свобода воли»… мы только что перешли в область философии, что, казалось бы, совершенно выходит за рамки данной книги. Между тем многие вопросы, ранее относившиеся к философии, в итоге перешли в область науки. Например, теория относительности, без сомнения, внесла свой вклад в понятие времени и пространства. Не говоря уже о явлениях, которые по незнанию раньше приписывались богам (или Богу), а сегодня разгаданы, то есть по большей части подчинены человеку.

Точно так же многие вопросы, которые сегодня относятся к области философии, в близком или далеком будущем могли бы стать достоянием науки. Ими мы и завершим эту книгу.

Возьмем два самых простых примера.

Первый касается «свободы воли». С точки философии, вопрос состоит в следующем: обладает ли человек свободой воли, которая позволяет ему воздействовать на окружающую среду как «маленькому богу», а не как животному-машине?

Если ответ – да, это значит, что человек должен в определенной степени быть способным влиять на окружающую среду, независимо от материальных причин. Это влияние осуществляется благодаря его телу, но само оно подчиняется «традиционным» законам природы, как любая другая материальная система.

Рассмотрим в таком случае мозг: если человек способен нарушить работу объективного мира, то это происходит именно здесь. От мозга информация распространяется по всему телу с помощью относительно известных физических процессов, которые подчиняются старым добрым детерминистским законам классической физики. Что же происходит в мозге внутри нейронов? Сейчас мы не можем ответить на этот вопрос, потому что мозг очень плохо изучен, особенно на микроскопическом уровне. Но на уровне имеющихся знаний можно выдвинуть несколько гипотез.

Первая гипотеза состоит в том, что процесс принятия решения происходит в более крупном масштабе, чем уровень атомов. В этом случае кажется маловероятным, что детерминистские законы природы, действующие повсюду, внезапно изменились на уровне молекул мозга. Если гипотеза верна, наша свобода воли является чистейшей иллюзией. В реальности с самого рождения все наши действия и мысли связаны с детерминистским воздействием окружающей среды на наше тело и мозг до молекулярного уровня. Крайняя сложность этих детерминистских процессов целиком маскирует физические причины, приводящие к решениям, которые мы принимаем. Но эти причины именно физические и детерминистские: это значит, что наши действия на протяжении жизни были предсказуемы еще до того, как мы родились. В каком-то смысле наша судьба уже предначертана.

Вторая гипотеза состоит в том, что процесс принятия решения происходит в объективном мире на уровне атома или еще более мелких масштабов внутри мозга. В этом случае применяются законы квантовой физики, которые не являются детерминистскими, то есть нашим поведением не управляет никакая предначертанная судьба, поскольку оно управляется недетерминистскими законами.

Большое преимущество человеческого тела в том, что оно очень структурировано (другими словами, оно обладает очень слабой энтропией): это значит, что простой локальный феномен на атомном уровне внутри мозга, возможно, может передаваться от одной частицы к другой, пока не затронет уровень более крупного масштаба. Согласно этой теории (разумеется, пока не подкрепленной ни одним опытом, чтобы можно было ее подтвердить или опровергнуть), простой «квантовый скачок» электрона в атоме мог бы привести, например, к поднятию руки.

Это означало бы, что наше воздействие на окружающую среду частично управляется квантовыми, то есть случайными, процессами. Благодаря прямой связи, которую мы образуем между микро- и макромасштабами, мы были бы машинами, чье макроскопическое окружение не является детерминистским! Это составило бы совершенно исключительное свойство человеческого тела: человек мог бы нарушить предначертанную Вселенной судьбу на макроскопическом уровне, позволив вмешаться случайным процессам.

Но согласно второй гипотезе наша свободная воля так же ничего не значит, как и в первой гипотезе, поскольку наши решения имеют случайную составляющую! Выбираем не мы, а случайность, свойственная квантовой физике…

При настоящем уровне знаний лишь две эти гипотезы могут удовлетворять законам физики. Но мы все-таки представим третью гипотезу, которую физик наверняка будет рассматривать неохотно, ибо она подвергает сомнению нынешнюю систему. Она состоит в том, что в некоторых случаях «нечто» способно влиять на случайность квантового выбора. Вспомним, что согласно квантовой физике частица «выбирает», в каком месте ей оказаться, так что ничто не может объяснить этот выбор. Это один из самых будоражащих выводов квантовой физики. Третья гипотеза подразумевает, что «нечто» способно в некоторой степени управлять этим выбором.

В этом и только в этом случае мы перестаем быть существами-машинами, а становимся сознательными созданиями с реальной возможностью воздействовать на окружающую среду, независимо от какой бы то ни было материальной причины. Это чувство свободы воздействия на окружающий мир в итоге разделяет большинство человечества; но мы видим, что это требует пересмотра некоторых выводов квантовой физики при некоторых особенных процессах (которые еще предстоит выявить!), происходящих, к примеру, в мозге. Сильная сторона этих умозаключений в том, что они не навсегда останутся в области философии: однажды, быть может, мы раскроем работу мозга до атомного уровня. Когда этот день придет, мы наверняка сможем выбрать между тремя гипотезами… Но, увы, этот день принадлежит к пока еще далекому будущему…

Второй пример философского размышления, который однажды может стать достоянием науки, касается самого сознания: он тесно связан с предыдущими размышлениями. Вопрос следующий: какая физическая разница объясняет, что у меня сознание есть, а у бактерии его (наверное) нет?

Другими словами, что создает сознание? Существует ли какая-то материальная структура, отвечающая за его создание, например такая, какую мы видим в мозге? Этот вопрос затрагивает область, очень близкую к «способности воздействовать на окружающую среду», которую мы упоминали выше. Где совершается переход от субъективного («я хочу поднять руку») к объективному («мой мозг посылает электрический сигнал руке, чтобы она поднялась»)? Где совершается переход от объективного («фотон с длиной волны 0,7 мкм заставляет вибрировать заряды моего главного нерва») к субъективному («я вижу красный цвет»)?

Физика никак не влияет на субъективное, поскольку она изучает лишь материальный мир и законы, которые им управляют. Но она может заинтересоваться связью между ними, изучая объективную сторону этой связи. Наблюдение за работой мозга на микроскопическом уровне открывает широкие возможности потенциального изучения.

Существует много интереснейших нерешенных задач в работе настойчивых ученых-физиков. Чтобы их прояснить, им необходимо проводить опыты, с каждым разом все более точные, на основе которых они попытаются выстроить теории еще более связные и единые. И возможно, однажды, через тысячу лет, наши потомки с улыбкой взглянут на философские размышления своих предков, сочувствуя ученым, которые поняли, что эти проблемы всего лишь логическое проявление единых фундаментальных законов природы…