Питер Эткинс

В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики

CONJURING THE UNIVERSE: THE ORIGINS AND LAWS OF NATURE, FIRST EDITION by Peter Atkins

© Peter Atkins, 2018

© Масленников К.Л., перевод на русский язык, 2023

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2024

Ведь всякое знание и удивление (которое является зерном знания) сами по себе доставляют удовольствие.

Фрэнсис Бэкон. О достоинстве и приумножении наук. 1623[1]

Предисловие

Некоторые представляют себе, что все в мире управляется поразительно пронырливым и вездесущим, хотя и бесплотным Создателем, активно вникающим в судьбу каждого отдельного электрона, кварка и фотона. Все мое существо инстинктивно восстает против этого нелепо расточительного механизма, а вслед за инстинктом его не приемлет и разум. На страницах этой книги я раздумываю, нельзя ли взглянуть на то, что происходит в мире, проще. В конце концов, дело ученых – добывать простоту из сложности. Они, как правило, предпочитают менее запутанные объяснения. Я исследую самые укромные закоулки на этом пути к простоте и настаиваю на том, что законы природы – итоги наших представлений о движущих силах мира – возникли самым простым из всех возможных способов. Я утверждаю, что они появляются не из чего иного, как из бездействия и анархии, приправленных там и сям крупицей неведения.

Область своих рассуждений я ограничил самым обычным кругом вопросов. Я проведу вас через владения механики (как классической, так и квантовой), термодинамики и электромагнетизма. С несколько меньшей уверенностью, но, надеюсь, все в том же подстегивающем мышление стиле, я буду вашим проводником в области происхождения фундаментальных постоянных, а в заключение мы поразмышляем о действенности математики в формулировании законов природы и о том, что в математике, возможно, проявляется глубокая структура реальности. То, что я пишу, отчасти представляет собой лишь предположения и догадки, – ведь наука все еще не пришла к полному пониманию природы, несмотря на впечатляющий прогресс, достигнутый за последние три столетия серьезных исследований. Если вам кажется, что некоторым моим высказываниям требуются более глубокие подтверждения, вы найдете их в разделе «Примечания» в конце книги, где я устроил укромный уголок для хранения уравнений.

Надеюсь, что на страницах этой книги я дал ответ на вопросы, которые, возможно, приходили вам в голову, но так и остались нерешенными, и что мои слова откроют для вас поразительную простоту этого восхитительно сложного мира.

Питер Эткинс Оксфорд, 2017

1

Назад в вечность

Природа законов

Я должен подготовить ваше сознание к мысли настолько абсурдной, что она может даже оказаться истинной. На протяжении всей истории наука развивается через ряд революций, иногда называемых «сменами парадигмы», когда то, что прежде считалось соответствующим здравому смыслу или просто было господствующим представлением, сменяется чем-то кажущимся ближе к истине. Один из примеров – Аристотель, другой – Коперник.

Сидя в своем мраморном кресле и наблюдая за полетом стрел, Аристотель заключил, что их подталкивают вперед образующиеся за ними завихрения воздуха. А видя, как волы, напрягаясь от усилий, тащат тяжелые повозки, он сделал и более общий вывод: движение необходимо постоянно поддерживать, прикладывая силу. Галилей, а вслед за ним Ньютон, обдумав влияние воздуха на стрелу и грязи на колеса повозки, заменили точку зрения Аристотеля на противоположную: движение продолжается само по себе, без приложения силы; сила нужна, чтобы его прекратить или изменить. Воздух тормозит полет стрелы. Аристотель не мог знать, что в вакууме, где никаких поддерживающих завихрений не образуется, стрела летела бы быстрее. И если бы у него была такая возможность, он бы заметил, что повозке на льду не нужны волы, чтобы двигаться, – ее колеса не вязнут в грязи. Коперник, как всем известно, произвел космическую революцию, – отказавшись от очевидного любому здравомыслящему человеку представления о ежедневном обращении Солнца вокруг Земли и заменив его идеей о центральном неподвижном Солнце, вокруг которого обращается крутящаяся, как волчок, Земля, он кардинально упростил картину мира (что всегда указывает на приближение к истине).

Интеллектуальные революции, случившиеся в начале XX века, – в сравнении с ними меркнут происходившие и тогда же, и столетием раньше политические катаклизмы, – привели к более тонким, но не менее фундаментальным переменам. От привычного представления об одновременности событий пришлось отказаться после 1905 года, когда Альберт Эйнштейн (1879–1955) изменил наши представления о пространстве и времени, слив эти понятия в единое «пространство-время». Время растворилось в пространстве и пространство во времени, причем оказалось, что степень этого растворения зависит от скорости наблюдателя. В переплетенных времени и пространстве движущиеся друг относительно друга наблюдатели неспособны решить, являются ли два события одновременными. Столь фундаментальный пересмотр всей схемы описания наших действий и восприятий мог бы показаться слишком дорогой платой за понимание законов природы, – но и здесь оказалось, что Эйнштейн решительно упростил математическое описание физического мира. Для объяснения явлений больше не нужно было склеивать искусственные конструкции из концепций ньютоновской физики – эти объяснения естественно вытекали из идеи слияния пространства и времени.

Приблизительно в эти же годы новоиспеченная разновидность физиков-теоретиков, занимавшихся теорией квантов, преобразовала физическое мышление и в другом направлении. Эти физики показали, что Ньютон заблуждался и в другом отношении и что даже переход, совершенный Эйнштейном от ньютоновской физики к новой концепции «пространства-времени», в корне ошибочен. Хотя Ньютон и сумел избавиться от представления о том, что какая-то грязь всегда будет мешать движению нашей повозки, он все-таки попал в ловушку крестьянского здравого смысла, согласно которому, чтобы определить путь повозки, необходимо учесть и ее нынешнее положение, и скорость. Классические физики, и даже те, кто уже приспособился к мысли о том, что мы живем в пространстве-времени, были ошеломлены, когда оказалось, что и от столь очевидного положения придется отказаться. В массовом представлении символом этого отказа стал принцип неопределенности, сформулированный в 1927 году Вернером Гейзенбергом (1901–1976). Согласно этому принципу положение и скорость объекта не могут быть известны одновременно. Казалось, все надежды на понимание природы рухнули, – исчезло то, что принималось за основу всех ее механизмов или по крайней мере за основу их описания. Ниже в этой книге я приведу аргументы против этой точки зрения – я покажу, что принцип Гейзенберга вовсе не лишает нас перспективы понимания и полного описания мира.

Но худшее еще ждало впереди (хотя, как это часто случается с глубокими концепциями, на деле оно было «лучшим», а «худшим» лишь казалось). На уровне здравого смысла всегда можно было без колебаний отличить частицы от волн. Частицы представлялись крохотными твердыми пульками; волны колебались. Но революция, которая до оснований потрясла представления о строении материи, свела эти различия на нет. Одним из первых примеров стало сделанное в 1897 году Дж. Дж. Томсоном (1856–1940) открытие электрона. Он обладал всеми атрибутами частицы, но в 1911 году сын первооткрывателя, Дж. П. Томсон (1892–1975) вместе с сотрудниками показал, что электрон имеет и все признаки волны! Представляю себе, как отец и сын в ледяном молчании сидели друг против друга за завтраком…

Свидетельства накапливались. Оказалось, что луч света, без сомнения, представляющий собой волну электромагнитного излучения, имеет и свойства потока частиц. Частицы начинали двигаться волнообразно при определенных условиях производившихся наблюдений; подобным же образом и волны «собирались» в частицы. Когда в 1927 году окончательно оформилась квантовая механика – в основном благодаря Гейзенбергу, по-монашески уединившемуся на острове, и Эрвину Шредингеру (1887–1961), который, по его собственным словам, жил в это время с любимой женщиной в горах, охваченный любовной страстью, – фундаментальное различие между двумя формами материи было бесповоротно упразднено: в полном противоречии со здравым смыслом за всеми материальными сущностями, начиная с электронов, признавалась двойственная, смешанная природа. Место идентичности захватила двойственность [2].

Примеры можно было бы продолжать. Чем ярче проявляется глубокая структура мира, тем меньше здравый смысл представляется надежным источником информации. Под здравым смыслом я подразумеваю интуицию, основанную на локальном, неконтролируемом, непреднамеренном извлечении опыта из ежедневного окружения, – в сущности, непереваренную пищу в отличие от интеллектуального экстракта, полученного в результате коллективной работы многих умов, другими словами, целенаправленного, детального анализа изолированных фрагментов мирового опыта (короче, экспериментов). Все сильнее кажется, что более глубокое понимание приходит при отбрасывании все новых и новых уровней здравого смысла (конечно, с сохранением рациональности). Имея это в виду, – и в надежде, что ваш ум уже подготовлен к отказу от него в обмен на достижение нового уровня понимания, – я собираюсь сейчас распроститься еще с одним аспектом здравого смысла.

Я хотел бы заявить, что при сотворении мира не произошло ничего особенного. Я знаю, конечно, о захватывающих описаниях, в которых этот момент предстает потрясающе грандиозным, – ведь рождение всего сущего не может не быть драмой космического масштаба. Гигантским всеобъемлющим катаклизмом. Ослепительной вспышкой первичной космической энергии. Взрывом, потрясшим пространство-время до основания. Огненным шаром невероятной мощи, породившим все сущее. Явлением огромного, колоссального масштаба. Само название этого явления, «Большой взрыв», наводит на мысли о событии вселенского уровня. На самом деле, однако, Фред Хойл (1915–2001), который придумал этот термин в 1949 году, употреблял его в пренебрежительно-насмешливом ключе, – сам он придерживался собственной теории постоянно продолжающегося, непрерывного и незаметного творения, вечного космогенеза, мира без начала, что, естественно, подразумевало и мир без конца. Ныне же «Большой Взрыв» мыслится как колоссальное извержение, заполняющее все пространство и фактически создавшее все пространство и все время. В средоточии огня, из бесконечно малой точки с непредставимо высокой температурой и плотностью родилась вся Вселенная; по мере расширения она превращалась в гораздо более холодную и огромную и наконец стала той, которую мы считаем своим космическим домом. Добавим к этим представлениям модные сейчас теории «эры инфляции», эпохи, когда Вселенная удваивала свой размер за каждую исчезающе малую долю секунды. Буквально в мгновение ока она достигла относительно более умеренной промежуточной стадии расширения, когда температура ее составляла всего несколько миллионов градусов, – а вслед за этим началась и эра, в которой мы живем сегодня.

И это называется «не произошло ничего особенного»? Да, начать думать, что вся эта космическая гиперактивность, энергия, возникновение фундаментальных основ не представляют чего-то значительного, – значит сделать большой шаг. Но потерпите. Я хочу разобраться с этой контринтуитивной идеей. «Ничего особенного не случилось, когда Вселенная обрела существование». Нет, я не отрицаю, что Большой Взрыв был и что он был грандиозным: в пользу этого, так же как и в пользу реальности инфляционной эры, накопилось столько свидетельств, что было бы нелепо отвергать этот сценарий появления протовселенной немного меньше 14 миллиардов лет назад. Я просто предлагаю эти факты переосмыслить.

Мотивация для такого переосмысления состоит в том, что оно может стать шагом к разгадке одной из величайших головоломок бытия: как что-то могло появиться из ничего без постороннего вмешательства. Одна из функций науки – упрощение нашего понимания Природы путем отбрасывания обманчивых признаков. Благоговение перед повседневной сложностью мира сменяется преклонением перед взаимосвязанностью и внутренней простотой всех его проявлений. Изумление перед чудесами мироустройства остается, но дополняется и приумножается радостью открытия лежащей в их основе простоты и присущего этой простоте могущества. Выходит, что гораздо легче осмыслять Природу в свете дарвиновского естественного отбора, чем попросту сидеть сложа руки и поражаться богатству и сложности биосферы: простая идея Дарвина дает основу и рамки для понимания этого богатства, несмотря даже на то, что связанные с этой идеей сложности могут быть капитальными. Так что изумление остается и даже усиливается оттого, что такая простая идея может столь многое объяснить. Эйнштейн упростил наше восприятие тяготения, обобщив свою частную теорию относительности: в свете этого обобщения гравитация интерпретировалась как следствие искривления пространства-времени в присутствии массивных тел. И его «общая теория» представляет собой принципиальное упрощение, хотя уравнения этой теории исключительно трудны для решения. Искореняя необязательное и сосредотачиваясь на сути, наука ищет такое положение, из которого она в большей мере способна давать ответы. Выразимся более откровенно: показывая, что при сотворении мира ничего особенного не происходило, мы увеличиваем шансы на то, что наука сможет решить, что же именно происходило в действительности.

Двусмысленность, ловушка моей формулировки заключается, конечно, в словах «ничего особенного». Если уж говорить начистоту, я бы хотел заменить это выражение на «совершенно ничего». То есть я хотел бы констатировать, что при сотворении мира совершенно ничего не случилось и что я могу это утверждение обосновать. Нет действия, значит, нет и действующей силы. Если бы абсолютно ничего не произошло, то науке нечего было бы и объяснять, что, несомненно, упростило бы ее задачу. Оглядываясь назад, мы могли бы даже утверждать, что это было ее успехом! Ведь наука иногда идет вперед, именно демонстрируя бессмысленность заданного ей вопроса, – так отсутствие решения вопроса о том, могут ли движущиеся наблюдатели договориться об одновременности наблюдаемых событий, привело к появлению специальной теории относительности. И хоть это и не относится к сфере науки, но вопрос о том, сколько ангелов может плясать на кончике иглы, снимается, если можно тем или иным способом показать, что ангелов не существует или хотя бы что они из-за какого-то физиологического или анатомического недостатка плясать вообще не могут. Итак, устранение вопроса может оказаться вполне законным путем получения ответа. Но такой шаг на нынешней стадии нашего рассказа может оказаться слишком решительным. Он будет воспринят как пренебрежение долгом ученого, как жульничество, как типичная научная увертка, – назовите как хотите, но пока что это чересчур, и потому я ограничусь заявлением, что, когда Вселенная обрела существование, не произошло именно «ничего особенного». А позже, в надлежащем месте объясню, чем же все-таки было это «ничего».

* * *

Смысл этого вступления вот в чем. Доказательством, которое я собираюсь представить в пользу тезиса «ничего особенного не случилось», является демонстрация появления законов природы именно из этого акта. Во всяком случае, я докажу, что из того, что в начале времен «ничего особенного не случилось», произошел по крайней мере один класс естественных законов. Мне кажется, это сильный аргумент в пользу моей позиции, – ведь коль скоро мировые механизмы, законы, управляющие поведением мира, вытекают из такой точки зрения, то исчезает необходимость в вычурной и сложной гипотезе о существовании творящей эти законы движущей силы, которую называют обычно богом. Я утверждаю, что законы, которые не возникают из бездействия, появляются из анархии, – когда не действуют никакие законы. Планируя свою аргументацию, я вдруг осознал, что в некоторых случаях анархия может и сама по себе накладывать слишком много ограничений. Но потом мне удалось сохранить мою первоначальную концепцию во всей ее силе: ведь анархии позволяется объединяться с неведением. Вы скоро увидите, что я имею в виду. Настанет даже момент, когда я покажу, что неведение – мощный инструмент достижения знания.

Должен подчеркнуть, что в этой книге я говорю только о физических законах – законах, управляющих материальными сущностями, сферами, планетами, – вообще предметами, – а также неосязаемыми излучениями, фундаментальными частицами и так далее. Я оставляю в стороне моральные законы, создание которых многие все еще приписывают богу, – нет, Богу, с большого «Б», неисчерпаемому, непостижимому, вездесущему источнику всего совершенства, судье добра и зла, утешающего агнцев и прощающего козлищ. Внесу ясность: я исхожу из того, что все биологические и общественные явления проистекают из физических законов. И если бы вам вздумалось добраться до основания моих убеждений, вы бы увидели, что в соответствии с ними все аспекты человеческого поведения пронизаны стремлением к бездействию и анархии. Впрочем, здесь я эту мысль развивать дальше не стану.

* * *

Итак, что же собой представляют законы природы? Что именно я пытаюсь объяснить, раскрывая их происхождение? В широком смысле законы природы – это итог нашего опыта, наших экспериментальных знаний о поведении сущностей. Иногда такой опыт отражается в «народной мудрости» – фольклорных поговорках типа «чем выше взлетишь, тем больнее падать» или «кто над чайником стоит, у того он не кипит». Но в любой «народной мудрости» всегда есть изъян. Если взлететь с такой скоростью, что окажешься на орбите, то уже не упадешь, сколько ни старайся. И если постоять над чайником подольше, он в конце концов все-таки закипит. Законы природы – это улучшение «народной мудрости», вытяжка из нее. Они вытекают из наблюдений, производимых в управляемых обстоятельствах, когда явление, которое требуется объяснить, изолируется от мешающих внешних воздействий (например, от грязи на колесах аристотелевой повозки или от воздуха, сквозь который летит его стрела).

Мы считаем законы природы пространственно универсальными и не зависящими от времени. Их повсеместность и, возможно, вечная неизменность означает, что любой закон природы считается справедливым не только в стенах лаборатории, но и на всех континентах, и дальше, за их пределами, во всей Вселенной. Может быть, эти законы перестают действовать в областях, к которым не приложимы концепции пространства и времени, например внутри черных дыр, – но там, где пространство и время к ним благосклонны, законы, верные здесь и сейчас, будут верны везде и всегда.

Законы устанавливаются в лабораториях, занимающих несколько кубометров, но считаются применимыми ко всей Вселенной. На выработку их формулировок уходит время, сравнимое с продолжительностью человеческой жизни, но мы уверены, что они действуют на промежутках времени, примерно равных вечности. Для такой уверенности есть кое-какие основания – и все же надо проявлять некоторую осторожность и не отдаваться им совсем уж беззаветно.

На микроскопически малых масштабах непосредственного человеческого опыта, за крохотную часть времени существования Вселенной и в исчезающе маленькой доле ее объема законы природы оказываются неизменными, где бы и когда бы мы их ни проверяли, – по крайней мере, в пределах Земли. На масштабах, превышающих границы человеческого опыта, эти законы проверяются благодаря способности астрономов наблюдать явления на громадных расстояниях от Земли, в других галактиках и соответственно в глубоком прошлом. Если только на огромных расстояниях в пространстве и во времени отклонения от законов каким-то загадочным образом не компенсируют друг друга ровно настолько, чтобы сбить нас с толку, мы можем сказать, что никаких отклонений от установленных на Земле законов во Вселенной не зарегистрировано. И раз этого не происходило за те краткие миллиарды лет, что остались в прошлом, нет никаких причин подозревать, что ныне действующие законы изменятся и за похожее время в будущем. Конечно, вполне может случиться, что в течение следующих нескольких триллионов лет, – а может, и завтра в полночь – ныне скрытые от нас измерения пространства-времени, которые, как некоторые подозревают, таятся в его глубинах, вдруг развернутся, объединившись с горсточкой привычных нам измерений, и изменят избитую реальность нашего мира до полной неузнаваемости. Этого мы не знаем. Но в один прекрасный день – такова сила законов природы – мы, возможно, сможем это предсказать на основе тех законов, которые выводим сегодня. Ибо законы природы несут в себе и зародыш своей отмены.

Почти все – но не все – законы представляют собой приближения, даже когда они касаются сущностей, изолированных от внешних и случайных воздействий (той самой грязи). Позвольте указать здесь на одну историческую фигуру и на первый из ряда малых и простых законов, которые я буду использовать, чтобы иллюстрировать свои мысли. (Позже я укажу на различие между «большими» и «малыми» законами; этот закон относится к числу малых.) Роберт Гук (1635–1703), очень умный, изобретательный и трудолюбивый ученый, предложил закон, относящийся к растяжению пружин [3]. Как было принято в те времена, он записал свой закон в виде анаграммы – это делалось, чтобы «застолбить» свой приоритет, но при этом выиграть время на изучение следствий из сделанного открытия, не опасаясь, что тебя кто-то обгонит и опубликует тот же результат раньше. И вот в 1660 году Гук опубликовал загадочную шифровку ceiiinosssttuv – как впоследствии оказалось, она значила Ut tensio, sic vis [4]. На более прямом языке сегодняшнего дня закон Гука утверждает, что возвращающая сила (сила упругости), возникающая в пружине, пропорциональна тому, на сколько линейных единиц эта пружина растянута или сжата. Закон очень хорошо описывает поведение не только реальных пружин, но и действующих по тому же принципу связей между атомами и молекулами; у него оказалось несколько удивительных следствий, о которых совершенно не подозревали ни сам Гук, ни даже его современник Ньютон. И однако же этот закон является всего лишь приближением, – если пружину растянуть на очень большое расстояние, пропорциональность между силой и растяжением нарушится, даже если вы остановитесь прежде, чем пружина лопнет: ceiiinnnoosssttuv. Тем не менее, если не забывать о том, что закон Гука работает только для малых растяжений, он вполне адекватен.

Но законы могут быть и точными. Например закон сохранения энергии, который состоит в том, что энергия не может быть создана или уничтожена: она может только переходить из одной формы в другую, но общее количество энергии, которое есть у нас на сегодняшний день, останется таким же навеки и всегда было таким в прошлом. Этот закон имеет такую силу, что на его основании можно совершать открытия. В 1920-х было замечено, что при ядерном распаде определенного вида энергия как будто не сохраняется. И так как явление было совершенно новым и неизученным, появилось предположение, что это и вправду так. Альтернативная точка зрения, предложенная в 1930 году австрийским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули (1900–1958), заключалась в том, что энергия сохраняется, но часть ее уносится пока неизвестными частицами. Это предположение стимулировало поиски таких частиц, и в итоге была зарегистрирована новая элементарная частица – нейтрино. Как мы еще увидим, закон сохранения энергии глубочайшим образом связан с самим фактом познаваемости Вселенной – в нем коренится принцип причинности, сама идея, что одно событие может быть причиной другого. Потому этот закон, по сути, лежит в основе всех объяснений. Для нашего последующего повествования он будет значить очень много.

Есть много других законов, которые выглядят похожими по статусу на закон Гука (то есть являются приблизительными и приносят большую практическую пользу, помогая нам делать предсказания и понимать поведение материальных тел). Много и таких, которые напоминают закон сохранения энергии (не являются приблизительными, но глубоко связаны со структурой объяснения и понимания). Это подсказывает мне, что можно разделить все законы на два класса, которые я назову внутренними и внешними («внезаконами»). Внутренние законы – это очень глубокие структурные закономерности Вселенной. Они – ее первичное законодательство, фундамент ее понимания, ее краеугольный камень. Закон сохранения энергии – по моему убеждению, внутренний закон, и, хоть я говорю это не без колебаний, он, возможно, порождает все остальные внутренние законы. Внешние законы – «внезаконы», такие как закон Гука и другие, с которыми мы вскоре познакомимся, – младшие родственники внутренних. Это подзаконные «нормативные акты», лишь немногим отличающиеся от простых уточнений внутренних законов. Мы не можем обойтись без них, и во многих случаях именно их открытие, применение и интерпретация двигают вперед науку. Но они лишь капралы армии, во главе которой стоят полководцы.

Мне надо привлечь ваше внимание к одной особенной разновидности законов: к законам, которые совершенно ни к чему не применимы и все-таки очень полезны. Это маловразумительное высказывание надо объяснить. Как я уже сказал, «внезаконы» обычно являются приближенными. Однако в некоторых случаях это приближение становится все точнее и точнее по мере того, как материала, для описания которого этот закон предназначен, остается все меньше и меньше. Если мы доведем эту уменьшающуюся прогрессию до ее предела, мы увидим, что закон сделался практически точным (а возможно, и идеально точным), когда количество описываемого им материала обратилось в нуль. Здесь мы имеем дело с так называемым предельным законом – он достигает полной точности в пределе, в котором описывать уже нечего.

В том виде, в каком я это представил, получается, будто такой закон не имеет смысла, – он применим только при отсутствии своего предмета. Но вы скоро убедитесь, что «предельные законы» имеют огромную ценность – они как бы помогают соскрести «грязь» с деталей своего собственного механизма. Я на примере поясню, что имею в виду.

Около 1660 года в своей мастерской-лаборатории неподалеку от оксфордской Хай-стрит (там, где теперь находится Университетский колледж, но, может быть, и на нынешней территории моего собственного Линкольн-колледжа) англо-ирландский аристократ Роберт Бойль (1627–1691) занимался исследованиями «упругости воздуха» – его сопротивления сжатию. К этому его, возможно, подтолкнули предложения его усердного ассистента Ричарда Таунли и сотрудничество с уже упоминавшимся здесь вездесущим и всезнающим Робертом Гуком. Бойль установил закон природы, по-видимому, управлявший поведением газа, известного нам как воздух [5]. А именно, он обнаружил, что для данного количества воздуха произведение создаваемого этим воздухом давления на занимаемый им объем постоянно. Увеличим давление воздуха – объем уменьшится, но произведение давления на объем останется тем же, что и было. Снова увеличим давление – и снова та же история, объем уменьшается, произведение сохраняется. Таким образом, закон Бойля (который французы называют законом Мариотта) состоит в том, что произведение давления газа на его объем для данного количества газа всегда постоянно. Сейчас мы бы еще добавили, что при этом температура газа тоже должна быть постоянной.

Закон этот, на практике, приближенный. Добавьте еще газа, и он будет выполняться хуже. Откачайте часть газа, и соответствие закону улучшится. Откачайте еще, и дела пойдут еще лучше. Откачайте почти весь газ – теперь закон выполняется почти идеально. Вы поняли, к чему я веду: откачайте все до конца, и закон станет точным. Таким образом, закон Бойля есть «предельный закон», точно выполняющийся, когда газа настолько мало, что его, можно считать, нет вообще.

В этой связи я должен отметить две вещи. Во-первых, мы теперь, в отличие от Бойля, понимаем, почему точность выполнения закона увеличивается при уменьшении количества вещества. Бойль и не мог этого понимать: он еще не знал о существовании молекул. Не стану углубляться в подробности, но по сути отклонения от точного выполнения закона Бойля обусловлены взаимодействиями между молекулами. Когда количество газа невелико и его молекулы далеко друг от друга, взаимодействиями между ними можно пренебречь – они движутся хаотически и независимо друг от друга (кстати, слова «хаос» и «газ» этимологически родственны – происходят от одного и того же греческого корня). Эти взаимодействия и есть внутренняя «грязь», которую устраняет уменьшение количества вещества и которая мешает увидеть чистый идеал хаоса.

Вторая вещь тесно связана с первой, но более важна. «Предельный закон» выявляет свойства субстанции, а не «грязи», которая налипает на нее, пока та пробирается сквозь реальность. Закон Бойля говорит о сущности идеальной «газовости», устраняясь от взаимодействий между молекулами, которые для газов, встречающихся в реальной действительности, так называемых реальных газов, только запутывают картину. «Предельный закон» – отправная точка для понимания природы субстанции как таковой, свободной от влияния налипающих на нее подробностей, которые только отвлекают и путают. «Предельные законы» выявляют идеальную сторону поведения материи; они будут отправной точкой и для многих наших исследований в этой книге.

Еще один важный, изначально присущий законам природы аспект состоит в том, что некоторые из них по сути своей математические, а другие вполне адекватно выражаются словами. Когда по ходу изложения мне понадобится обосновать мою мысль уравнением, я буду помещать его в разделе «Примечания» в конце книги, где его смогут найти те, кто любит смотреть, как работает скрывающийся за словами механизм. Преимущество законов, имеющих математическое выражение (наиболее яркий пример – уравнения общей теории относительности Эйнштейна), в том, что математика увеличивает точность физической аргументации. Чтобы заменить математическую формулировку, мне придется приложить все усилия в попытке выразить суть этой аргументации словами. Можно утверждать, что извлечение из уравнения вербального содержания, его физической интерпретации составляет существенную часть понимания его значения. Другими словами, возможно, что обходиться без уравнений – это более глубокая форма понимания.

Не все законы природы математические, но даже те, которые таковыми не являются, приобретают большую силу, когда находят математическое выражение. Один из самых глубоких вопросов, которые можно задать о законах природы, кроме вопроса об их происхождении, это почему математика оказывается столь совершенным языком описания Природы. Почему реальный мир явлений так хорошо изображается с помощью высшего продукта человеческого мышления? Я исследовал этот вопрос в другом месте, но он очень важен для нашего восприятия и понимания мира, и я вернусь к нему позже (в главе 9). Подозреваю, что все истинно глубокие вопросы, касающиеся природы физической реальности (единственной реальности, за исключением изобретаемой поэтами), такие как эффективность математики в качестве описания Природы, вероятно, имеют ответы, тесно связанные каким-то общим источником, и должны рассматриваться как единое целое.

* * *

Заканчивая, я должен сказать еще несколько слов о «служанках» законов природы. Как я уже говорил, закон – это итог наблюдений за поведением сущностей. Закон выводится двумя этапами. Сперва можно предложить гипотезу. Гипотеза (на древнегреческом это слово означает «фундамент», в чисто строительном смысле) – это просто догадка о скрытой причине наблюдаемого поведения. Она может подтверждаться другими наблюдениями и постепенно перерасти в теорию (по-гречески – «размышление в союзе с созерцанием»; это слово одного происхождения с «театром»).

Теория – это полностью сформировавшаяся гипотеза, основания которой могут корениться в других источниках знания, и сформулированная таким образом, что может быть протестирована сравнением с дальнейшими наблюдениями. Во многих случаях теория включает в себя предсказания, которые затем подлежат проверке. Часто теория находит математическое выражение, и из нее выводятся следствия – методом логической дедукции и манипуляции символами (определенным образом интерпретируемыми). Если на любой стадии своего развития гипотеза или теория вступает в конфликт с наблюдениями, она возвращается на доработку, – появляется новая гипотеза, которая развивается в новую теорию.

Хоть я и описал эту процедуру, – за циклом наблюдений следует гипотеза, созревающая в теорию, а теория затем проверяется опытом, – как некий алгоритм, которому следуют ученые, на практике все несколько иначе. Научный метод – царство свободного творчества, и на ранних этапах постижения неизвестного важную роль играет интуиция, «нутро». Ученые вынюхивают истину, делают непредсказуемые интеллектуальные прыжки в сторону, конечно, ошибаются, выхватывают идеи друг у друга из рук, кое-как выкарабкиваются из трясины непонимания и наконец как бы случайно видят впереди свет. Это и есть реальный научный метод, как бы его ни идеализировали философы науки.

Такая идеализация похожа на «предельный закон» – она представляет суть научного метода очищенной от человеческой «грязи», как человеческую деятельность, осуществляемую в идеальном предельном случае отсутствия самих людей вместе со всеми их недостатками и слабостями. Но при всей важности и сложности устройства плавильного тигля научной процедуры главным критерием приемлемости теории почти неизменно остается сравнение ожидаемых ее результатов с экспериментальными наблюдениями. Как однажды сказал Макс Планк, «единственным средством познания для нас остается опыт: все остальное – спекуляции».

В некоторых случаях происходят резкие отклонения от идеального пути рождения теории. Одна из самых мощных научных теорий – теория эволюции Дарвина, построенная на идее естественного отбора. В формулировках этой выдающейся теории нет математики, но ее влияние было усилено позднейшей математической разработкой. Я не уверен, что эта теория основана на законе природы. Она, без сомнения, построена на наблюдениях – исследованиях ископаемых окаменелостей и разнообразия видов, но эти наблюдения, возможно, сами по себе слишком разнородны, чтобы их можно было обобщить в сжатой формулировке закона, более отчетливой, чем афоризм Герберта Спенсера «выживает самый приспособленный» (в его Principles of biology, 1864), или, напротив, менее запутанно и косноязычно, чем «распространяются те организмы, которые достигают репродуктивного успеха во временно доступных им нишах». Этот закон, конечно, по нашей классификации следовало бы отнести к категории могучих внутренних законов.

* * *

Теперь у нас есть фон для того, что должно последовать далее. Я показал, что существуют внутренние и внешние законы: законы огромной важности и менее важные. Моей первой задачей будет привести примеры законов каждого вида, исследовать их и разобраться, откуда они происходят. Я заявляю, что буду искать их корни в бездействии, том самом, из-за которого при сотворении мира ничего особенного не произошло; а там, где это сделать не удастся, – в анархии, которая за этим последовала. В некоторый момент повествования вам придется отправиться со мной в умозрительный полет, целью которого будет открытие источника способности математики объяснять физическую сущность реального мира, – но до этого момента еще далеко.

2

Много шума из ничего

Как из ничего возникают законы

Ничто необычайно плодотворно. В его бесконечном охвате потенциально находится все, но «все» таится там полностью нереализованным. Такие рассуждения выглядят загадочными не случайно: на этой стадии повествования я хочу привлечь ваше внимание и возбудить любопытство. Это, возможно, напоминает заимствованное из индийской философии столь же бесспорное, сколь и неудовлетворительное определение бытия как отсутствие небытия. Чтобы меня не постригли под эту гребенку, я должен развить свое высказывание и проиллюстрировать плодоносную потенцию «ничего», показать, что рассматривать ничто – не упражнение в пустословии, схожее больше с теологией, чем с физикой, дать понять, что в рамках научного метода из ничего могут быть получены проверяемые выводы, и заставить вас поверить, что его загадку можно раскрыть, а ее содержание представить вполне значимым. Я хочу показать, что ничто есть центральная идея, основа возможности понимания законов природы, и поэтому оно есть все существующее и все действующее. Короче, я хочу показать, что ничто есть фундамент всего.

Чтобы привести вас к пониманию «ничего» и всех его последствий, чтобы помочь вам разобраться, почему бездействие играет столь важную роль в установлении механистической инфраструктуры мира, я вначале хотел бы, чтобы вы задумались о «ничем» с точки зрения самого обыкновенного примитивного здравого смысла. Это в свою очередь должно будет привести вас к кое-чему более сложному, а здравому смыслу тогда придется несколько усохнуть. Но чтобы начать это путешествие, вы можете вполне безопасно представлять себе ничто как пустое пространство. И пока я не отвлеку вас от этих мыслей, просто ложитесь на спину и подумайте о бесконечном количестве миль однородного и пустого пространства, о бесконечной череде лет, протянувшейся из далекого прошлого в бездонное будущее. Подумайте о вечной, однородной и неизменной пустоте, царящей повсюду и всегда.

И в этот образ безбрежной и плоской, как прерия, пространственной и временной пустыни я введу сейчас одинокую фигуру. Обладающая выдающимся талантом и необыкновенно богатым воображением немецкая женщина-математик Эмми Нётер (1882–1935) родилась в Эрлангене, училась (вкусив при этом всю горечь мизогинистических предрассудков того времени) в Геттингене, а потом бежала от нацистского преследования в колледж Брин-Мор в Пенсильвании. Здесь она преждевременно скончалась, оставив богатое наследие абстрактных математических концепций и теорем. Норберт Винер, который и сам был знаменитым математиком, в 1935 году назвал ее «величайшей из всех когда-либо живших женщин-математиков». Ее гением был очарован Эйнштейн. Для моего рассказа – и для всей теоретической физики – она является абсолютно необходимой, можно сказать, центральной фигурой, – благодаря одной теореме, к которой она пришла в 1915 году и опубликовала парой лет позже. Я, разумеется, не смогу воспроизвести здесь техническую сторону ее аргументации, но вывод из теоремы формулируется очень просто. Эмми Нётер установила, что везде, где в природе имеется симметрия, есть и соответствующий ей закон сохранения[6]. Я дам развернутую интерпретацию этого утверждения и объясню, что подразумевается под законом сохранения, под симметрией и какое отношение между ними было установлено теоремой Нётер.

Под «законом сохранения» я буду понимать закон, в соответствии с которым в ходе происходящих в природе событий некоторая численная величина остается неизменной – «сохраняется». Об одном из таких законов я уже говорил – это закон сохранения энергии, и начну я снова с него.

* * *

Энергия – одно из понятий, которые широко используются в ежедневном дискурсе, но которые очень трудно точно определить и уверенно сказать, что же они в действительности собой представляют. Каждый рад о ней порассуждать, но как только появляется необходимость объяснить, что же это такое, тут же возникают затруднения. Этот термин вошел в физику в начале XIX столетия и оказался настолько удачным, что распространился на все области науки, потеснив многие другие понятия, например постоянно использовавшуюся Ньютоном более осязаемую и конкретную идею силы. Введение понятия энергии и реализация обнаружившегося у этой идеи мощного потенциала привели даже к тому, что пришлось заново переписать учебники. Сила – величина почти буквально осязаемая; энергия абстрактна. В этом источник ее значения, – ведь абстрактные концепции, вообще говоря, более широко применимы, чем конкретные. Абстрактные понятия – это как бы составленные из идей скелеты, которые можно одеть плотью наблюдательных фактов; конкретные концепции – изолированные интеллектуальные острова.

Происхождение слова «энергия» – от древнегреческого выражения, означающего «работать в помещении», – дает ключ к его пониманию. Энергия – способность производить работу. Такое «функциональное определение», может быть, не даст вам глубокого понимания действительной сущности энергии, но, по крайней мере, позволит вам распознавать ее присутствие: ведь о совершении работы всегда легко судить, так как при этом мы снова возвращаемся к осязаемому понятию силы. Работа есть процесс приведения предмета в движение против действующей на него силы – поднимаем ли мы вес, противодействуя силе тяжести, или используем батарею, чтобы пустить электрический ток в цепи. Чем больше имеется в запасе энергии, тем большее количество работы можно выполнить. Сжатая пружина содержит больше энергии, чем развернувшаяся: сжатая может совершить работу, а развернувшаяся нет. В баке с горячей водой больше энергии, чем в баке с холодной. Можно придумать механизм, который совершит работу за счет энергии горячей воды, но если вода остыла, этот механизм работать не сможет.

Есть разные виды энергии – кинетическая, то есть энергия движения; потенциальная, связанная с положением объекта, как, например, энергия, возникающая благодаря притяжению тела Землей; лучевая, то есть энергия, переносимая излучением, – например, тепло, идущее от Солнца, является движущей силой фотосинтеза и всего каскада его следствий, составляющих то, что мы называем биосферой [7]. Каждый вид энергии может быть преобразован в любой другой вид. Тем не менее в природе, оказывается, существует строгий закон: общее количество энергии во Вселенной постоянно. Если энергия одного вида расходуется, она должна превратиться в энергию другого вида или появиться в том же виде, но в другом месте. Знакомый всем пример такого постоянства – мяч, подброшенный вверх. Сначала в нем много кинетической энергии. По мере того, как он взлетает все выше и выше, преодолевая силу притяжения, его потенциальная энергия растет, а кинетическая падает. В высшей точке своей траектории мяч на миг оказывается в покое – в этот момент его кинетическая энергия нулевая, а вся его первоначальная энергия перешла в потенциальную. Как только он начинает падать обратно на землю, ускоряя при этом свое движение, его потенциальная энергия снова уменьшается, а кинетическая растет. На каждой стадии полета мяча, от начала до конца, его полная энергия, сумма кинетической и потенциальной, постоянна. Закон сохранения энергии подводит итог этого постоянства: он утверждает, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена.

В главе 1 я упоминал, что закон сохранения энергии настолько всеобъемлющ, что даже его кажущееся нарушение приводит к предсказанию и открытию новых фундаментальных частиц материи. Нильс Бор (1885–1962), датский физик-теоретик, создатель ранней версии квантовой механики, рассматривая непонятные результаты наблюдений только что открытых ядерных процессов, предположил, что здесь закон сохранения энергии все же нарушается. Но оказалось, что этого не происходило – энергию уносила ранее неизвестная частица, нейтрино, то есть «нейтрончик». Существование нейтрино предсказал в 1930 году Вольфганг Паули. В 1956 году, после долгих и трудных поисков частица в конце концов была экспериментально обнаружена [8]. Этот эпизод показывает, что закон сохранения энергии в каком-то смысле напоминает известное «правило Дэвида Юма» о чудесах, – согласно этому правилу, разумнее не поверить тому, кто рассказывает о чуде, чем поверить в то, что он рассказывает. Поэтому ученые воспринимают любое сообщение о нарушении сохранения энергии с крайним скепсисом. Как и в приведенном примере, в каждом таком случае закон ставился под сомнение, ситуация тщательно проверялась, и сохранение энергии неизменно подтверждалось. Нельзя, однако же, не признать, что в неисследованных частях космоса могут еще таиться драконы и что в каких-то пока неизвестных нам событиях сохранение энергии нарушается.

В свое время, а именно в главе 8, мне придется вернуться к этому вопросу в связи с великой идеей, просветляющей человеческую мысль, хоть и повсеместно неверно интерпретируемой, – принципом неопределенности Гейзенберга. Некоторые считают, что этот принцип открывает в законе сохранения энергии лазейку, позволяющую энергии флуктуировать на очень короткой шкале времени. На более широком временном масштабе и в общепринятых ситуациях сохранение энергии является основой невозможности вечного двигателя, то есть производства работы без потребления топлива. Действительно, одно из проявлений этого закона – крах множества отчаянных попыток построить механизм, находящийся в состоянии вечного движения. На протяжении веков всяческие шарлатаны снова и снова объявляли о том, что им наконец это удалось – но нет, вечный двигатель так и не создали, и сейчас уже ясно, что эта задача решена быть не может. Данный экспериментальный факт, лишающий нас всякой надежды на получение бесконечного количества даровой энергии, а вследствие этого и на какие-либо перспективы бесконечного благоденствия, стал одним из оснований целой большой группы законов природы – законов термодинамики, к которым я вернусь в главе 5. Шарлатаны, правда, не унимаются – подстегиваемые мечтой о фантастическом богатстве, они продолжают время от времени предлагать все новые и новые хитроумные конструкции машин, производящих работу из ничего; но каждый раз все кончается для них позорным крахом и насмешками, а доверие к закону становится еще сильнее. До некоторой степени мы должны быть благодарны этим беднягам (как, конечно, и их оппонентам – честным труженикам, взявшим на себя нелегкую задачу опровергать их заявления) за то, что неудачи их упорных, агрессивных, одержимых нападок на закон сохранения энергии привели только к укреплению убежденности в его справедливости.

У этого закона есть много других подтверждений. На нем основаны все вычисления движений частиц по законам ньютоновской механики, и хотя в некоторых случаях наблюдаются отклонения от ее предсказаний, они всегда объясняются хорошо известными причинами. Расчеты квантовой механики тоже базируются на предположении о справедливости закона, а они неизменно с высокой точностью соответствуют наблюдениям. Для сомнений в том, что энергия сохраняется, и притом сохраняется в точности, места не остается.

Но как ни огромна важность закона сохранения энергии в техническом и экономическом отношении, как ни универсальна его роль в решении физических задач, в структуре любого учебника физики, на деле он еще важнее, чем кажется. На нем зиждется «причинность», с виду неопровержимое утверждение, что каждое событие обусловлено событием предыдущим. Не будь причинности, мир сделался бы непредсказуемым. Вселенная превратилась бы в хаотическую свалку не связанных друг с другом происшествий. Причинность дает нам шанс на понимание природы: от каждой причины мы можем проследить цепь ее следствий, для каждого события – восстановить его причину. Причинность позволяет найти в мире порядок и систематическое поведение, управляемое законами природы, и, следовательно, именно из нее рождаются воплощенные в науке формы познания. Сохранение энергии играет в причинности центральную роль, накладывая на возможности осуществления событий мощные ограничения: в любом событии энергия должна сохраняться. Требование сохранения энергии можно сравнить с суровым, недремлющим и неподкупным полицейским надзором, запрещающим малейшее отклонение от закона, который ограничивает содержание энергии в мире единым, раз навсегда установленным и неизменным в космических масштабах значением. Если бы энергия не сохранялась, ограничения на возможные действия, вызванные какой-либо первопричиной, были бы менее строгими, а это могло бы привести к нарушению причинности. Да, существуют и другие ограничения, но понятие энергии настолько важно для поведения любого объекта, настолько универсально, что сохранение этой величины имеет первостепенное значение. Как я уже отмечал в главе 1, закон сохранения энергии – царь всех «внутренних» законов, основной первозакон природы.

* * *

Так почему же сохраняется энергия? Каково происхождение этого наивысшего закона? Вот тут-то и появляется Эмми Нётер, и освещает голую пустоту, о которой я призвал вас задуматься, сиянием своей великолепной теоремы. Центральный момент построенного Нётер доказательства происхождения сохранения какой-либо величины из связанной с этой величиной симметрии заключается в том, что в конкретном случае сохранения энергии, на котором мы сейчас и сосредоточились, оно проистекает из однородности времени. Эта однородность и создает симметрию, позволяя тем самым применить теорему Нётер.

Что же эта однородность означает на практике? На первый взгляд однородность времени значит, что, независимо от того, выполните вы один и тот же эксперимент в понедельник, четверг или в любой другой день, вы получите один и тот же результат. Другими словами, период колебаний маятника или высота, которой достигнет подброшенный мяч, будут одними и теми же, если, конечно, все остальные условия проведения эксперимента не изменятся. Чтобы выразить обусловленную однородностью времени независимость законов природы от момента, в который они применяются, мы называем эти законы «инвариантными по времени». На практике такая инвариантность означает, что если ваше уравнение описывает некоторый процесс в определенный момент времени, то же самое уравнение будет описывать этот процесс и в любой другой момент. В общем, законы природы не изменяются с течением времени. Следствия, вытекающие из этих законов, измениться могут – планета может оказаться на другой орбите, вы можете подбросить мяч сильнее, чем собирались, – но сами законы остаются инвариантными.

Теперь давайте попробуем взглянуть на это поглубже. Чтобы законы природы были инвариантными по времени, само время должно течь равномерно. Оно не может сначала замедлиться, потом ускориться, а потом вообще почти замереть. Подумайте, как бы выглядел полет мяча, или, в большем масштабе, движение планеты по ее орбите, если бы время на каком-то участке их траектории сжималось, а на другом – расширялось. Невозможно себе представить, что могла бы быть построена динамическая теория их движения. Мяч казался бы то ускоряющимся, то замедляющимся, то повисающим в воздухе при отсутствии каких-либо сил, заставляющих его это делать. В понедельник закон движения был бы одним, в четверг – другим. Даже если бы скачки` хода времени были бы не случайными, а регулярными, если бы оно то растягивалось, то сжималось периодически, полет мяча все равно происходил бы весьма причудливым образом. Вряд ли даже Ньютону удалось бы его описать. Наш мир был бы страшно запутанным в динамическом смысле. Чтобы законы природы были независимыми от того, когда они применяются, время должно течь с ненарушимой однородностью: тик… тик… тик… опять и опять, без конца, в идеально устойчивом ритме.

Предвижу доводы, которые вы могли бы выдвинуть, чтобы подорвать мое обоснование однородности времени. Один из них мог бы заключаться в том, что наши измерительные инструменты тоже, возможно, растягиваются и сжимаются в полном соответствии с колебаниями хода времени, влияющими на полет мяча. В этом случае мы бы, возможно, не заметили – и даже не могли бы заметить, – что время неоднородно. Если бы по той или иной причине физические параметры наших измерительных инструментов (в том числе наших глаз и ушей) синхронно изменялись, мы были бы слепы и глухи к этим изменениям. Думаю, на это можно возразить так: уравнения, решая которые мы описываем движение, вовсе не подвержены сжатиям и растяжениям (в том смысле, что «время», входящее в них в качестве параметра, не изменяется). То есть они дают объективное, а не субъективное описание движения. И хотя утверждение, обратное теореме Нётер (а именно, что если имеется сохраняющаяся величина, то должна найтись и связанная с ней симметрия) не столь хорошо обосновано, как прямая теорема (если есть симметрия, то есть и связанная с ней сохраняющаяся величина), следующий довод должен быть таким: поскольку нам известно, что энергия сохраняется, мы можем, хоть и с осторожностью, заключить, что время должно быть однородно.

Вы могли бы еще возразить, что когда Эйнштейн вскарабкался на плечи Ньютону, он увидел, что в космосе существуют локальные искажения времени (описание искажения пространства-времени в присутствии массивных объектов, таких как, например, планеты, составляет содержание общей теории относительности). Значит, время локально неоднородно, и поэтому теорема Нётер ничего не говорит о локальном сохранении энергии. Это серьезное возражение; выдвигая его, вы оказываетесь в хорошей компании. По-видимому, именно предложение исключительно проницательного и пользовавшегося огромным авторитетом немецкого математика Давида Гильберта (1862–1943) рассмотреть это возражение заставило Нётер дополнить свое доказательство, в результате чего появилась вспомогательная теорема («вторая теорема Нётер»). Чтобы снять это возражение, мне придется применить две увертки. К сожалению, в науке, как и в жизни, увертки всегда выглядят неубедительно, – приходится признать, что две увертки не стоят одного хорошего объяснения.

Прежде всего, – и это соответствует исходной формулировке теоремы, – я ограничу свое применение теоремы Нётер Вселенной в целом, во всем ее объеме. Хотя когда материя образовалась, когда она конденсировалась в планеты, солнечные системы и галактики, пространство-время вокруг них искажалось, в глобальном масштабе все же царит однородность – растяжение в одном месте компенсируется сжатиями в другом. Взятое в целом, пространство-время, как и его временна`я составляющая, (почти) определенно плоское. И во‐вторых, локально плоской является и любая достаточно малая область пространства-времени, а значит, закон сохранения энергии в этой области тоже применим [9].

Надеюсь, теперь вы согласитесь, хотя и с осторожностью, что время в глобальном масштабе (а также локально, в достаточно малых областях) однородно. Следовательно, соответственно первой теореме Нётер, энергия сохраняется. Как я уже замечал, если бы мы могли слышать ход времени, его «тик, тик, тик…» раздавалось бы вечно. Вот если бы время шло так: «тик, тик… тик… тик, тик» и так далее, оно не было бы однородно, – а значит, энергия бы не сохранялась, мир был бы непознаваем, а наука бесполезна.

* * *

И все же – почему время однородно? Здесь я в первый раз в этой главе вернусь к понятию бездействия и к моему предварительному предположению, что при сотворении мира ничего особенного не происходило. Мне необходимо снова вернуться с вами к моменту рождения Вселенной, к мгновению космогенеза. Но прежде, просто для порядка, надо упомянуть еще несколько вопросов и уладить их, не дожидаясь, пока они сами придут к вам в голову.

Во-первых, можно себе представить, что наша Вселенная, возможно, является «дочкой» предшествующей Вселенной и «внучкой» третьей, еще более ранней, породившей вторую, – и так далее, все глубже в темную пропасть времен. Однако, пусть и очень давно, была ведь и самая первая Вселенная – назовем ее Протовселенной, – которая возникла абсолютно из ничего. Протовселенной вполне может оказаться и нынешняя Вселенная, – тогда, значит, это она возникла из ничего (и может в будущем породить следующую Вселенную или даже уже ее породила). Меня интересует именно Протовселенная, будь она нынешней Вселенной или ее предком. Главное в том, что, как ни крути, на некотором этапе должно было произойти событие, в ходе которого ничто превратилось в нечто, – пусть даже это событие случилось несколькими Вселенными раньше нынешней. Даже если число таких «поколений» бесконечно, все равно возможно, что Протовселенная родилась конечное время тому назад [10]. Но так как я не могу этого тем или иным способом доказать, и моя интуиция тоже молчит, я эту возможность рассматривать здесь не буду. Да она в данном контексте и не имеет никакого значения.

Во-вторых, возможно, экстраполяция на такое огромное время назад будет слишком большим упрощением. Что, если время – это один великий круг бытия, замыкающийся сам на себя, как шарообразная поверхность Земли, которая не имеет начала? Например, в далеком будущем мы обнаружим себя самих, находящихся в глубоком прошлом, а настоящему – возможно, в каком-то измененном виде – еще только предстоит наступить. На нашем нынешнем опыте в несколько миллиардов лет мы основали такой взгляд на время, согласно которому оно, в сущности, движется вперед по прямой. У нас нет никаких аргументов ни за, ни против возможности, что эта прямая на деле представляет собой крохотный фрагмент гигантской окружности. Сейчас все издеваются над «плоскоземельщиками», которые не желают замечать кривизны земного шара. Но мы сами можем оказаться в роли «плосковременщиков», над которыми точно так же стоит посмеяться. Возможно, с моей стороны наивно предполагать, что время в каком бы то ни было смысле имело начало. Моя интуиция и здесь ничего не может унюхать, и все, что я могу сделать, – это указать на такую возможность, но тут же о ней забыть. Возможность, однако же, существует, хоть и ровно ничем не подтверждается. Она может оказаться примером того, о чем я упоминал в главе 1, а именно научного прогресса, достигаемого через демонстрацию бессмысленности вопроса. В данном случае, если время движется по кругу, то у него не могло быть никакого заметного начала, – кто может указать, в какой точке начинается круг? Тогда выходит, что наука одержала пиррову победу – разгадала тайну того, что же происходило, когда все началось. Просто-напросто ничего не начиналось, или, другими словами, начало и конец оказались одним и тем же местом.

Время, идущее по кругу, – не единственная возможная проблема. На очень коротких интервалах времени сразу после рождения Вселенной – неважно, была она Протовселенной или нет – и при очень тщательном анализе течения времени в нашем мире концепция времени может и вовсе рухнуть. Это может произойти множеством способов. Одна из возможностей заключается в том, что на крайне малых пространственных масштабах, порядка так называемой планковской длины, столь привычная для нас «гладкость» пространства, которую мы полагаем его неотъемлемым свойством, исчезает, и различие между пространством и временем стирается [11]. Перестает работать и современная физика. Никто пока не имеет ни малейшего представления, как найти подход к этому сценарию. На таких масштабах пространство-время больше не является однородной, непрерывной, похожей на жидкость средой – теперь оно скорее похоже на ящик, наполненный песком или пеной. Эту проблему мне тоже придется отложить в сторону.

* * *

В отсутствие убедительных доказательств обратного давайте считать, что начало все-таки было, и сосредоточимся на моменте, когда ничто стало чем-то. На этом моменте сфокусировалось множество философских, мифологических и теологических спекуляций, к которым мы сейчас добавим еще одну – надо признать, псевдонаучную. До этих строк я призывал вас представлять себе «ничто» всего лишь как пустое пространство и пустое время – короче, как пустое пространство-время. Но теперь пора отбросить этот примитивный взгляд. С этих пор, говоря «ничто», я буду подразумевать именно абсолютное ничто. Меньше, чем пустое пространство. Меньше, чем вакуум. Если угодно, «отсутствие существования», знакомое индийской философии. Чтобы подчеркнуть его абсолютную пустоту, я буду писать это слово с заглавной буквы: «Ничто». В нем нет ни пространства, ни времени – абсолютно, абсолютно ничего. Вакуум вне пространства и времени. Полная, совершенная пустота. Пустота, в которой нет даже пустоты. Все, что у нее есть, – это ее имя [12].

В начале Вселенной (точнее, Протовселенной, но я для простоты больше не стану пользоваться этим термином), Ничто обернулось чем-то. В нашей нарождающейся Вселенной появились пространство и время. Непосредственным результатом этого оборачивания и стало то, что мы называем Большим Взрывом. Однако на этом этапе я хочу избежать взрывных ассоциаций. Мне хотелось бы представить Большой Взрыв как событие, которое имело место позже, чем Ничто оборотилось чем-то. Обернувшись чем-то, Ничто в надлежащий миг и позволило – в определенном смысле – случиться Большому Взрыву. Сейчас наука ничего не говорит о механизме, посредством которого Ничто оборотилось чем-то, – быть может, она и никогда не сможет ничего о нем сказать, хотя кое-какие догадки имеются. Приверженцы религий или мирские поэты, возможно, могли бы довольствоваться представлением о творце, который существовал отдельно от Ничего. Он мог упереться в него плечом или просто случайно с ним столкнуться, что и сдвинуло Ничто с места и заставило покатиться навстречу своей судьбе (а если это произошло нечаянно, творец, возможно, теперь в ужасе от содеянного). Но это ненаучный подход.

Сосредоточимся на этом качении, оставив в стороне вопрос о том, как оно началось, – для решения этой важной проблемы время еще придет[13]. Я, как вы знаете, придерживаюсь мнения, что, когда Ничто стало чем-то, ничего особенного не случилось. Вы, вероятно, согласитесь, что Ничто абсолютно однородно: в нем нет и не может быть ни комков, ни просветов, ни бездн, оно не может растягиваться или сплющиваться, – ведь иначе оно уже не было бы Ничем. Если так, то мне представляется вероятным, что, когда Вселенная тихонько, – ведь ничего особенного при этом не произошло, – вкатилась в состояние существования, Ничто свою однородность сохранило. Таким образом, пространство и время, появившиеся вследствие этого события, однородны. Поскольку, в частности, эта однородность свойственна времени, энергия, согласно Нётер, должна сохраняться. Отсюда и происходит этот первичный закон природы – а вслед за ним причинность, наука и познаваемость физического мира. Кроме того, он открывает перспективу появления и развития – в должное время – земледелия, войн, изучения микромира и вообще всяческих способов щекотания и возбуждения чувств и интеллекта: литературы, музыки, изобразительных искусств. «Ничего особенного», – но сколько удивительных последствий!

Идея о том, что при рождении Вселенной не случилось «ничего особенного», – это, конечно, всего лишь гипотеза, умозрительное предположение, которое, кажется, противоречит самой структуре реальности (поневоле вспоминаются слова Донны Тартт о красоте) [14]. Но гипотезы приобретают доказательную силу, когда оказывается, что их следствия согласуются с наблюдениями. Гипотезу о том, что «не случилось ничего особенного», в данном случае наблюдения явно подтверждают. Так что, возможно, она все же не является ошибочной. Это, однако, не дает никакой гарантии, что она верна: к тем же выводам могли бы привести и альтернативные предположения. Наука – жестокая вещь: стоит выводам из вашей гипотезы хоть раз разойтись с наблюдениями, этого будет достаточно, чтобы она отправилась на гигантскую свалку ложных идей, скопившихся за века истории и продолжающую расти; а если, напротив, какое-то следствие гипотезы подтвердилось, это вовсе не гарантирует вам ее правильность, а лишь поощряет к продолжению поисков. Гипотезы дорастают до теорий, когда их выводы, а иногда и предсказания, соответствуют наблюдениям постоянно и регулярно, – но даже теория, достигшая, казалось бы, зрелой устойчивости, может рухнуть от одного-единственного вывода, расходящегося с реальностью.

Все научные идеи всегда стоят на грани краха. Пусть один из ваших выводов выглядит несомненным или хотя бы правдоподобным, – но вытекают ли из ваших рассуждений и другие следствия, которые подтверждаются наблюдениями? Можете ли вы хоть на время считать свою идею неуязвимой для угрозы развенчания?

* * *

Я говорил о времени, опираясь на свойства пространства; теперь поговорим о пространстве, опираясь на свойства времени. Пространство, наш дом и вместилище всех наших действий, начало существовать при рождении Вселенной. В духе моих предыдущих рассуждений, когда Ничто оборотилось чем-то, присущая Ничему однородность была унаследована новорожденным пространством. Симметрия, которой требует найденная Эмми Нётер удивительная связь между симметрией и сохранением, в данном случае и выражается в этой однородности.

Что означает однородность пространства? Точно так же, как интерпретация однородности времени, о которой я говорил выше, интерпретация однородности пространства состоит в том, что эксперимент, выполненный в одном месте, даст тот же результат, что и эксперимент, выполненный в каком-то другом. Эксперименты, выполняемые в разных лабораториях, дадут одни и те же результаты. Законы природы не зависят от того, где вы находитесь. Следствия из этих законов могут оказаться различными, так как условия экспериментов могут не совпадать в точности, но сами законы не изменяются. Например, хотя закон, управляющий колебаниями маятника, общий, один и тот же маятник будет качаться с разными периодами на уровне моря и на вершине горы, где тяготение слабее. Если вы переходите из одного места в другое, вам не нужно изменять уравнение, которым выражается закон. Законы природы пространственно однородны.

Так как не существует внутреннего различия между пространством и временем (согласно теории относительности, это лишь два облика единого пространства-времени), любые рассуждения, относящиеся к свойствам времени, применимы и к свойствам пространства. Аналогично тому, что мы говорили о времени, если закон не изменяется от места к месту, значит, пространство должно быть однородным, то есть оно не может сплющиться здесь и растянуться там. Аналогично тому, что мы говорили об искажениях времени, трудно представить себе, как в условиях искаженного пространства можно было бы построить динамическую теорию полета мяча. И те же оговорки, которые мы делали, рассуждая об однородности времени, применимы и к пространству: есть существенное различие между общей пространственной однородностью Вселенной и однородностью ее малых локальных областей. То есть мы можем использовать первую теорему Нётер (ту, что связывает симметрию и сохранение), но не ее вторую теорему (ту, что относится к искаженному пространству-времени). Я полагаю, что в глобальном масштабе пространство является плоским.

Итак, теперь теорема Нётер предстает перед нами в новом контексте: в контексте однородности пространства. Согласно этой теореме, следствием однородности пространства является сохранение импульса (количества движения). И тут надо сказать несколько слов о концепции количества движения и его сохранении.

Количество движения – это произведение массы тела на его скорость [15]. У летящего с большой скоростью тяжелого пушечного ядра большое количество движения, у легкого теннисного мячика – маленькое. Здесь надо еще вспомнить, что у скорости как физической величины есть одно отличие от скорости в обиходном значении этого слова: она показывает, насколько быстро изменяется не только положение тела, но и направление его движения. Поэтому получается, что тело, преодолевающее в единицу времени одно и то же расстояние, но изменяющее при этом направление своего движения (например планета, обращающаяся по орбите вокруг Солнца), имеет непрерывно меняющуюся скорость. Когда вы отбиваете мяч битой, он может полететь обратно с той же скоростью, с которой прилетел, но направление вектора его скорости, а следовательно, и его количество движения, изменяется на противоположное. Говоря о количестве движения, всегда следует принимать во внимание не только его величину, но и направление. Это несколько усложняет идею сохранения количества движения, закон, согласно которому суммарное количество движения остается неизменным, – ведь вам надо учитывать все изменения направления движения (чего не происходит при рассмотрении сохранения энергии, где направление роли не играет). Но в конечном итоге все это довольно просто представить себе наглядно.

Количество движения сохраняется при столкновениях частиц. Простой пример – два одинаковых бильярдных шара, катящихся навстречу друг другу с одинаковой скоростью. Их общее количество движения равно нулю (их скорости равны, но противоположно направлены, а значит, при сложении дадут нуль). Столкнувшись, шары останавливаются; общее количество движения по-прежнему нулевое. Если шары движутся навстречу друг другу под углом, их общее количество движения уже не будет равно нулю, и после столкновения они откатятся друг от друга. При этом их новые траектории будут такими, чтобы общее количество движения оставалось неизменным. Каким бы ни был угол, под которым шары сталкиваются, как бы ни отличались их массы и скорости, сколько бы шаров ни участвовало в столкновении, – общее количество движения шаров после столкновения всегда останется таким же, каким было до него. Количество движения неизменно сохраняется – и происходит это благодаря однородности пространства.

Сохранение количества движения, предсказываемое гипотезой о том, что при сотворении мира «ничего особенного не произошло», в сочетании с теоремой Нётер – достоверный и имеющий далеко идущие последствия наблюдательный факт. На нем основывается вся система механики Исаака Ньютона – то, что мы сейчас называем «классической механикой». На нем основывается расчет траекторий тел и изменений, которые в этих траекториях возникают при столкновениях или других видах силовых взаимодействий; на нем основывается представление о давлении газа как о результате столкновений его молекул со стенками емкости; на нем основывается классическое описание движений планет, звезд и галактик. На нем также основывается вся теория реактивного движения, которая позволяет создавать двигатели самолетов и ракет.

Далеко завело нас Ничто в сочетании с бездействием! Это сочетание позволило нам понять структуру причинности, связанной с сохранением энергии. Оно же дало нам ключ к описанию действий на пространственно-временной арене, обеспечив объяснение принципов, лежащих в основании ньютоновской физики. Можно ли было ожидать большего? А может, у первичного бездействия есть и другие чудесные следствия?

* * *

Мы говорили только что о линейном количестве движения, о величине, характеризующей прямолинейное движение тел различных масс с различными скоростями. Но теперь придется напомнить, что для описания движения существует и другой параметр: момент количества движения, или угловой момент. Эта величина связана с вращением. Земля, вращающаяся вокруг своей оси, обладает угловым моментом. Угловым моментом характеризуется и ее годовое движение по орбите вокруг Солнца. Все вращающиеся тела, даже если они не перемещаются в пространстве, имеют угловой момент. Месячный угловой момент Луны связан с ее обращением по орбите вокруг Земли; осевое вращение Луны, так согласованное с орбитальным, что она остается повернутой к Земле одной и той же своей стороной, тоже обладает угловым моментом. Так вот, еще один устойчивый закон природы заключается в том, что, как и количество движения, угловой момент сохраняется. Да, вы можете привести какое-нибудь тело в состояние вращения – заставить крутиться колесо велосипеда или лихим ударом закрутить футбольный мяч – и тем самым придать ему угловой момент. Но при этом где-нибудь неизбежно возникнет другой, компенсирующий угловой момент. Каждый раз, когда вы мчитесь на вашем байке на восток, вы на микроскопически малую величину уменьшаете угловой момент вращения Земли вокруг своей оси, – и какой бы пренебрежимо малой эта величина ни казалась, мировая «полиция углового момента» ее берет на заметку. И точно так же, когда вы едете обратно на запад, вы чуть ускоряете вращение Земли – и день укорачивается, хотя никто на свете этого не в состоянии заметить, кроме, конечно, все той же недремлющей всемирной полиции, не упускающей ничего из виду.

Как и в случае линейного количества движения, смысл сохранения углового момента постигается через связь скорости тела с направлением его движения. Но что понимать под направлением вращательного движения – ведь направление движения планеты, как и любого другого вращающегося объекта, непрерывно изменяется при ее движении по своей траектории? Чтобы связать направление с вращением, представим себе вращательное движение по кругу в некоторой плоскости. Теперь мысленно проведем из центра этого круга вектор, перпендикулярный к плоскости. Если движение при наблюдении снизу происходит по часовой стрелке, то наш вектор будет направлен вверх от плоскости. Если движение происходит по часовой стрелке при наблюдении сверху, то вектор направлен вниз. Эта договоренность в точности соответствует поведению обычного штопора: когда мы вкручиваем его в пробку, вращая по часовой стрелке, он смещается в направлении, указываемом нашим вектором. Когда вы едете в машине, все ее колеса вращаются по часовой стрелке, если смотреть на них с правой стороны автомобиля. Таким образом, можно представить себе, что из ступицы каждого колеса торчит вектор, направленный влево. Когда вы нажимаете на акселератор, стрелки воображаемых векторов удлиняются пропорционально увеличению скорости, когда тормозите, они укорачиваются. Если вы остановились, а потом дали задний ход, стрелки сначала прячутся, а потом начинают расти уже вправо. Вспоминается легендарная Боадицея, царица бриттов, с ее серпоносной колесницей: когда она неслась вперед, серпы косили врагов с левой стороны, когда поворачивала назад – с правой.

Двигаясь дальше, мы замечаем еще одно важное обстоятельство. Линейное количество движения связано со скоростью путем умножения ее на массу, меру сопротивления, которое тело оказывает изменению своего равномерного прямолинейного движения. Чем больше масса тела, тем больше его инерция – сопротивление вынужденным изменениям. Подобным же образом, когда мы говорим об угловом моменте, сопротивление его изменениям связано с величиной, известной как «момент инерции». Это название вовсе не намекает на кратковременный отдых – его смысл в сопротивлении изменению вращательного, а не линейного движения. (В физике термин «момент» используется для обозначения поперечного воздействия на манер рычага, а не действия вдоль траектории движения, – например, затягивая гайку гаечным ключом, мы создаем крутящий момент силы.) У двух тел могут быть одинаковые массы, но разные моменты инерции. Представьте себе, например, два колеса одинаковой массы, и пусть у одного вес сосредоточен вблизи оси, а у другого – распределен по ободу. Первое колесо раскрутить будет легче, чем второе, – его момент инерции меньше. Быстровращающееся тело с большим моментом инерции (например маховик) имеет больший угловой момент, чем тело, вращающееся с той же скоростью, но обладающее малым моментом инерции. Маховики потому и используются для обеспечения устойчивого вращательного движения, что из-за высокого момента инерции их вращение трудно остановить. Значение количества движения движущегося тела равно произведению его массы на скорость, с которой оно изменяет свое положение на прямой линии. Аналогично значение углового момента вращающегося объекта есть произведение его момента инерции на скорость его вращения [16].

Закон сохранения углового момента отражает тот экспериментальный факт, что угловой момент невозможно ни создать, ни уничтожить. Его можно только передать от одного объекта другому, как это происходит при столкновении двух крутящихся шаров или при разгоне велосипеда. Но общий угловой момент всех тел во Вселенной постоянен (и, вероятно, равен нулю). Угловой момент сохраняется. Если вследствие приложенного ускоряющего крутящего усилия объект приобретает угловой момент, то другой связанный с ним объект свой угловой момент обязательно теряет. Если при столкновении шар раскручивается, где-то обязательно произойдет соответствующее компенсирующее изменение углового момента какого-то другого объекта (например, Земли). Возможно, лучшей наглядной иллюстрацией этого служит вращающийся на льду фигурист, который убыстряет свое вращение, когда, прижимая руки к телу, уменьшает свой момент инерции. Его угловой момент при этом остается постоянным.

Почему же сохраняется угловой момент? Теперь вы знаете – чтобы понять происхождение любого закона сохранения, необходимо обратиться к теореме Нётер и найти основную симметрию, связанную с сохраняющейся величиной. В случае углового момента теорема Нётер дает в качестве симметрии, порождающей закон его сохранения, изотропию пространства. Под изотропией (от греческого выражения, означающего «безразличие к повороту») понимается однородность пространства при обращении вокруг его точки. Представим себе точку, отодвинемся от нее немного, а затем совершим вокруг нее оборот по кругу. Если мы не обнаружим при этом в пространстве никаких изменений (что бы это ни значило), значит, в окрестности выбранной нами точки пространство изотропно. Шарик для пинг-понга изотропен; изотропен и мяч для гольфа, если не обращать внимания на то, что он в ямочках. Следовательно, чтобы объяснить сохранение углового момента, необходимо выведать причину, по которой пространство однородно относительно вращения.

Но теперь вы уже, вероятно, догадываетесь, каковы будут наши аргументы. Надо снова призвать на помощь Ничто. Ничто изотропно; то есть абсолютное Ничто, которое предшествовало нашей Вселенной (или Протовселенной), должно быть изотропно. Будь это не так, имей оно сгущения и провалы, оно уже не было бы Ничем. Когда Ничто оборотилось чем-то, ничего особенного не произошло (согласно моей гипотезе). Поэтому изотропия, присущая Ничему, сохранилась, когда возникли пространство и время, и, следовательно, пространство, которое есть у нас сейчас, изотропно. Эта изотропия подразумевает, что угловой момент сохраняется. У нас появился еще один основной закон природы, причем без какого-либо вынужденного навязывания.

Здесь, к слову, стоит упомянуть еще один аспект, которым отличается Ничто. Когда мы (под «нами» я здесь понимаю все сообщество астрономов и космологов, то есть наблюдателей) смотрим на галактики, заполняющие видимую Вселенную, а не только на отдельные звезды, мы обнаруживаем, что они вращаются и, следовательно, обладают угловым моментом. Однако скорости их вращения могут быть самыми разными, и ориентация векторов, указывающих направления их вращения, тоже выглядит случайной. Если оценить общий угловой момент всей видимой Вселенной (при этом противоположные угловые моменты взаимно уничтожаются), оказывается, что в результате мы получаем нуль. Видимая Вселенная в целом имеет нулевой угловой момент, хотя ее индивидуальные компоненты вращаются. Это именно тот результат, которого следовало ожидать, когда Ничто обернулось видимым «чем-то». Ничто (именно Ничто, с большой буквы, не простое ничто, которое пишется с большой буквы только потому, что стоит в начале предложения) не имеет углового момента, и нет ничего удивительного в том, что возникающее из него нечто наследует у него этот нулевой угловой момент. Отсутствие углового момента было условием сотворения мира; нет его (в целом у Вселенной) и сегодня. Наше нынешнее «нечто» просто унаследовало свойства родительского Ничто.

* * *

Подведем итоги? Надеюсь, всем ясно: предположение о том, что, когда Вселенная начала свое существование, не произошло ничего особенного, привело нас к трем основным законам природы: законам сохранения энергии и двух видов моментов – линейного количества движения и углового момента. Для каждого из них, по всей видимости, наша Вселенная просто унаследовала однородность предшествовавшей ей пустоты и воплотила эту однородность в форме трех основных законов природы. Законы эти не было необходимости постулировать или навязывать: они являются простыми следствиями первичного исходного состояния абсолютного Ничто. Существуют и другие законы сохранения (электрического заряда например); каждый из них связан с некоторым видом симметрии. Чтобы докопаться до их смысла, нам потребуется глубже заглянуть в природу Природы – к этому я вернусь в следующей главе. Есть еще множество малых законов, которые я назвал «внезаконами», – об их происхождении я пока ничего не сказал. Придет и их час. А теперь пора дать бездействию отдохнуть – наступает власть анархии.

3

Власть анархии

Как законы возникают из отсутствия законов

Как в политике, так и в науке, когда бездействие в изнеможении отдыхает от трудов, приходит и воцаряется анархия. Когда Вселенная незаметно вкатилась в состояние существования, сохраняя при этом различные однородные свойства Ничего и порождая таким образом великие законы природы, в том числе законы сохранения, то некоторые из законов, которые воцарились в ней, стали следствием анархии. В этой главе я постараюсь доказать, что и классическая механика, разработанная в конце XVII века Исааком Ньютоном (1642–1727) и с таким успехом дополнявшаяся и развивавшаяся на протяжении последовавших двух столетий, и квантовая механика Эрвина Шредингера (1887–1961) и Вернера Гейзенберга, – это проявления анархии. Причем оказывается, что системы законов, разработанные в начале XX века Шредингером и Гейзенбергом и развитые другими, лежат в основе ранее созданного Ньютоном удивительного построения. Оставаясь глубоко загадочными, они при этом являются результатом полного освобождения вырвавшейся на волю Природы, получения ею свободы безумствовать, оставаясь покорной только ограничениям, налагаемым великими законами сохранения, наследием первичного бездействия. Я уже показал, что бездействие управляет ареной мира; теперь моя цель – показать, что законы поведения на этой арене порождает анархия.

Я собираюсь говорить и о классической, и о квантовой механике. Я буду делать это, описывая их содержание в общем виде, – представляя только горсть центральных концепций для каждой из них, не увязая (особенно в случае квантовой механики) в увлекательных, но спорных и горячо дебатируемых вопросах интерпретации. По сути, интерпретация вторична по отношению к законам, которые управляют сущностями, – ведь она представляет собой всего лишь попытку установить способ, придерживаясь которого мы можем думать о следствиях этих законов в рамках понятий ежедневного опыта. Законы природы, в отличие от законов, которые управляют обществами, могут существовать без всякой интерпретации; но, конечно же, как я уже сказал, науке присуще стремление истолковать значение этих законов и таким образом прояснить для себя суть физической реальности.

Интерпретация классической механики проста, так как предлагаемое ею описание поведения предметов окружающего мира непосредственно связано с нашим ежедневным опытом, с нашим восприятием и пониманием идей положения и скорости. Революция в мышлении, вызванная квантовой механикой, породила озадаченную растерянность, которая до сих пор не рассеялась. Но при этом численные и наблюдательные предсказания квантовой механики, вытекающие из применения ее законов (то есть просто из выполнения соответствующих вычислений без всяких интерпретаций), остаются неизменно (по крайней мере, до настоящего момента) в полном соответствии с наблюдениями, причем с весьма высокой точностью. Может, дело в том, что человеческий мозг плохо приспособлен для отказа от привычных наблюдений движения знакомых объектов и просто-напросто неспособен освоиться с контринтуитивной непривычностью квантовой механики. Наш мозг устроен – и такое устройство необходимо было ему для выживания, – чтобы справляться с тем, что его ждет в саванне и джунглях; и, возможно, в нем есть фундаментальные неврологические структуры, наличие которых и не позволяет ему понять квантовую механику. Думаю, когда-нибудь, в один прекрасный день квантовый компьютер сможет объявить, что он понял принцип своего собственного устройства, – а мы, те, кто его построил, все еще будем пребывать в том же недоумении и растерянности. Но для моих целей трудность или, может, даже изначально заложенная невозможность понимания квантовой механики не имеют значения. Я говорю о самих законах, а не о трудностях, которые возникают у человека при попытках понять то, что эти законы означают.

Моя цель, стало быть, просто в том, чтобы показать: центральный принцип квантовой механики непринужденно возникает из анархии, и этот принцип непосредственно позволяет нам перейти – можно сказать, перепрыгнуть, как при помощи подкидной доски – к классической механике Ньютона. Для того, чтобы сделать это, мне потребуется пригласить вас прогуляться; возможно, сначала наш маршрут может показаться чем-то вроде окольной деревенской тропки, но для понимания она окажется настоящим скоростным шоссе. Эта тропинка приведет нас к «внезакону», который вдруг окажется отцом настоящего глубокого «внутреннего закона».

* * *

Один из малых законов природы – по моей классификации, «внезакон» – заключается в том, что свет распространяется по прямым линиям. С этим привычным поведением света связан и другой вытекающий из него «внезакон», который управляет отражениями в зеркалах, – угол падения равен углу отражения. То есть плоские зеркала отражают мир в точности таким, каков он есть: они не искажают его очертаний и, следовательно, не представляют его непостижимым или по крайней мере обманчивым. Может, вы помните еще «закон Снеллиуса», который открывало и переоткрывало множество людей, – в том числе, в 1621 году, и голландский астроном Виллеброрд Снеллиус (1580–1626). В этом случае речь идет об угле преломления: луч света меняет направление на поверхности раздела воздуха и воды (или любой другой прозрачной среды), причем угол, соответствующий этому изменению, зависит от относительных величин коэффициентов преломления воздуха и среды (об этом подробнее ниже)[17]. Как объяснить такое поведение?

На чуть более глубоком уровне обобщения и понимания – уровне, который объединяет законы отражения и преломления, общий закон заключается в том, что свет выбирает такой путь между своим источником и пунктом назначения, для которого требуется наименьшее время. (Почему – пока не спрашивайте: об этом позже.) Этот «принцип наименьшего времени» предложил и исследовал французский математик Пьер де Ферма (1601?–1665), хотя можно проследить его происхождение гораздо дальше вглубь времен: до греческого математика, изобретателя и одного из первых последователей научного метода экспериментирования в союзе с теорией – Герона Александрийского (ок. 10 – ок. 70 г. н. э.), который пришел к нему около 60 г. н. э. Можно упомянуть и арабского математика, астронома и такого же пионера научного метода Али-Хассана ибн аль-Хасана ибн аль-Хайсама (его также называют более кратким и удобным латинизированным именем Альхазен, ок. 965 – ок. 1040). Он описал принцип наименьшего времени в 1021 году в своей книге по оптике.

Кроме того, так как это очень скоро нам понадобится, я просил бы вас запомнить еще одно похожее правило: «принцип наименьшего действия». Здесь слово «действие» имеет техническое значение, которое я проясню позже, но вы пока что можете понимать его как «усилие». Этот принцип был предложен французским философом и универсально одаренным человеком, Пьером Мопертюи (1698–1759) в начале 1740-х в применении к распространению частиц (под этим словом можно понимать все что угодно, от горошины до планеты). Согласно этому принципу, частицы выбирают пути распространения, которые минимизируют действие, связанное с преодолением расстояния между двумя фиксированными точками. Летящий мяч с самого момента его отскока от биты следует такому пути, который минимизирует действие. Земля мчится по орбите, так определяемой ее орбитальной скоростью и расстоянием от Солнца, что действие остается минимальным. Все другие планеты, все космические камни ведут себя так же, каждый в своих условиях. Снаряд летит по траектории, которая требует наименьшего действия для преодоления пути от вылета до цели. Любая другая траектория соответствовала бы большему действию, большим усилиям. Все выглядит так, как будто принцип бездействия снова проявляется, ведь наименьшее действие соответствует наивысшей степени лени! Но я покажу вам, что здесь действует другой принцип, не соответствующий этой антропоморфной аллюзии.

В этих двух принципах, один из которых относится к свету, а другой к частицам, скрывается глубокий намек: возможно, то, что оба они имеют схожую форму, указывает и на их общее происхождение, и на возможность их объединения. В свое время я еще воспользуюсь этим намеком. Общий мета-принцип науки может заключаться в том, что наблюдаемые в Природе совпадения всегда стоит исследовать, – ведь они могут проистекать из структурных аналогий и указывать на глубокие связи. Совпадения всегда выглядят подозрительно, и если за ними внимательно проследить, они могут привести нас к глубоким прозрениям. Те, кто в давние времена предложил эти принципы, могли задаваться вопросом, не являются ли наименьшее время и наименьшее действие моральными обязательствами, налагаемыми строгой владычицей-Природой. Но, конечно, это физические принципы и, как я докажу, оба возникают из наименее ограниченного моральными соображениями способа правления – из анархии.

* * *

Давайте снова сосредоточимся на зеркале. Из довольно очевидных геометрических соображений явствует, что кратчайшим путем от источника света до глаза при отражении луча от плоского зеркала, притом, что оба участка пути прямолинейны, является такой, когда угол падения луча на зеркало равен углу отражения от него. Путешествие света по такому пути будет также занимать и наименьшее время, разумеется, при постоянной скорости. Следовательно, согласно принципу наименьшего времени, путь, который выбирает свет, отражаясь от зеркала, будет проложен так, чтобы угол отражения был равен углу падения.

Теперь вернемся к Снеллиусу и его закону отражения. Свет в стекле или в воде (да и в любой другой плотной прозрачной среде) распространяется медленнее, чем в вакууме или в воздухе. Отношение его скорости в вакууме к скорости в среде и называется коэффициентом преломления среды. У воды коэффициент преломления около 1,3, поэтому свет в воде распространяется примерно на 30 процентов медленнее, чем в вакууме (или в воздухе – для наших целей это примерно одно и то же). Вы тоже, наверно, будете перебираться вброд через речку раз в десять медленнее, чем идете по дороге, – так что, если бы вы захотели приписать воде коэффициент преломления на основе вашего собственного движения, он оказался бы близок к 10.

Теперь посмотрим, каким будет путь света, соответствующий наименьшему времени распространения, если свет выходит из источника, расположенного в воздухе, и должен достичь пункта назначения, находящегося под водой. Похожая задача стояла бы перед вами, если бы надо было сообразить, как быстрее добраться с берега до кого-то, кто тонет посреди озера. Чтобы упростить картину, будем говорить о том, что надо какую-то часть пути пробежать по берегу, а какую-то – по колено в воде. Можно просто провести прямую от вашего шезлонга до головы тонущего – часть этой прямой пройдет по берегу, часть – по воде. Или можно попробовать сократить время в воде до минимума, прибежав по берегу к той точке, которая находится прямо напротив тонущего. Правда, теперь вы увеличили время бега по берегу, так как путь по нему стал длиннее, а сокращение того участка, который надо преодолеть в воде, не вполне компенсирует это удлинение. Как вы, вероятно, догадываетесь, существует промежуточный вариант пути, который минимизирует общее время: бежать по берегу, а потом по воде под некоторыми промежуточными углами. Точное значение угла, на который вам надо будет повернуть, как только вы окажетесь в воде и начнете двигаться в ней, зависит от отношения ваших скоростей в этих двух средах, а следовательно, от коэффициентов преломления. Как можно легко убедиться из несложного геометрического построения, и те углы, под которыми вам надо будет двигаться, когда вы бежите по берегу, а потом в воде, и те, которые по аналогии с этим примером выбирает свет, когда переходит из одной среды в другую, соответствуют закону преломления Снеллиуса [18]. А из этого закона затем выводятся все свойства призм и линз, действие которых целиком определяется преломлением, а таким образом и все остальное, что нам известно под названием «геометрическая оптика». Геометрическая оптика потому так и называется, что в ее рамках пути, проходимые светом, рассматриваются как последовательность отрезков прямых, образующих определенные углы друг с другом: общий путь распространения света строится геометрически.

Итак, на этом этапе нашего доказательства я рассказал вам о двух малых законах, отражения и преломления, и показал, что оба они суть проявления более глубокого закона: что при своем распространении от источника до приемника свет выбирает путь, требующий наименьшего времени. Но почему свет так ведет себя? Каково происхождение этого фундаментального закона геометрической оптики? И откуда свет знает, причем, по-видимому, наперед, какой именно путь займет у него меньше времени? Допустим, он вышел из источника в направлении, которое оказывается неверным, – что же ему, возвращаться и начинать сначала (что потребует еще большего времени) или просто двигаться дальше и будь что будет? Откуда же берется у света способность к предвидению?

* * *

Источник закона наименьшего времени – анархия. А чтобы увидеть, как анархия его порождает, нам придется исходить из того факта, что свет представляет собой электромагнитное излучение – волну колеблющихся электрического и магнитного полей, распространяющуюся со скоростью, которая, что неудивительно, называется скоростью света. Чтобы избежать этой очевидной тавтологии, думаю, следовало бы называть эту скорость как-нибудь вроде максвелловской скорости, в честь Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879). Этот шотландский физик прожил очень короткую жизнь, но ее хватило для научного бессмертия, – ведь он первым понял электромагнитную природу света.

Чтобы представить себе свет, подумайте о волне как о цепочке гребней и провалов, несущейся сквозь пространство. Каждый гребень этой цепочки несется со скоростью света. Расстояние между соседними гребнями называется длиной волны света. Высота гребней и глубина провалов между ними соответствует силе электрического поля в каждой точке, а значит, и яркости света. Гребень возникает в том месте, где поле направлено вверх от волны, а провал показывает, что поле направлено вниз. Если бы вы могли почувствовать прохождение светового луча, поставив на его пути палец, вы ощутили бы пульсации электрического поля, с огромной скоростью изменяющего направление в полете. Частота, с которой эти пульсации изменяют направление, соответствует цвету нашего луча: если пульсации относительно медленные (хотя на деле они все равно невероятно быстрые), свет будет красным, если они станут более частыми, свет будет становиться желтым, голубым или даже фиолетовым. Белый свет – это смесь лучей всех цветов, от красного до фиолетового. Названия света «инфракрасный» (краснее красного) и «ультрафиолетовый» (с еще большей частотой пульсаций, чем у фиолетового) говорят сами за себя. Замедлим пульсации еще сильнее и получим радиоволны; ускорим их, и вот вам рентгеновские лучи. Наконец, так как свет любого цвета распространяется ровно с одной и той же скоростью, получается, что более часто меняющие направление пульсации (то есть свет с большей частотой) соответствуют и более короткому расстоянию между гребнями волн (то есть меньшей длине волны). Таким образом, у синего света длины волн меньше, чем у красного, а у рентгеновских лучей волны совсем короткие. Длина волны видимого света – примерно около половины тысячной доли миллиметра. Несмотря на заявления пессимистов, которые называют такие величины невообразимо малыми, это все же почти реально себе представить.

Прочтя это описание и не забывая об анархии, рассмотрим волну определенного цвета, выходящую из некоторого источника и направляющуюся к месту своего назначения (например, к вашему глазу) по полностью произвольному пути. Возможно, она то и дело отклоняется от своего пути, иногда даже поворачивает назад, но все же наконец попадает в ваш глаз. Волна – это последовательность гребней и впадин, летящих по своему извилистому пути; допустим, что в этой последовательности, когда она достигла вашего глаза, случайно оказался ее гребень. Теперь рассмотрим путь, очень близкий к первому, но все же не вполне с ним совпадающий, чуть отличающийся его завиток, пришедший в ваш глаз чуть позже. Эта волна составляет такую же последовательность гребней и впадин, но, поскольку пути различаются, к вам в глаз попадает не гребень, а провал или что-то очень близкое к провалу. И этот провал уничтожает пик, пришедший к вам по первому пути (ведь электрические поля, которыми на самом деле являются все эти гребни и провалы, уничтожают друг друга, если они направлены противоположно). Может, это и не полное уничтожение, но представьте только огромное количество таких путей по соседству с первым из них – и у каждого длина чуть отличается. Тогда понятно, что в целом все гребни и провалы этого множества соседних волн, оказавшись в вашем глазу, друг друга погасят. Другими словами, хоть свету и разрешены все пути, но света, который по ним распространяется, вы не увидите. Анархия сама себя уничтожила.

А теперь рассмотрим не произвольный, а прямой путь между источником и вашим глазом. И на этот раз волна, летящая вдоль него, может прийти к вам в глаз своим гребнем. Теперь возьмем свет, который приходит по соседнему пути – почти, но все-таки не совсем такому же, как прямой путь. Он закончится у вас в глазу почти на гребне – ведь пройденное им расстояние почти такое же, что и по прямой. Но, так как пути настолько похожи, он никогда не закончится впадиной и не погасит гребень, которым закончилась первая волна. Есть множество путей, которые очень близки к прямому, и все они заканчиваются почти на гребне. Они сосуществуют: они не уничтожают друг друга. Другими словами, вы увидите свет, который распространяется по этим близким к прямому путям. В заслоне, поставленном анархией, обнаружилась лазейка.

Может показаться, что я просто подтасовал свои доводы, попросив вас принять на веру, что у извилистых путей всегда найдутся соседи с противоположным знаком волны, а у прямых путей их нет. Но я основываю это различие на жестких математических истинах. Знаю, что это звучит немного похоже на «поверь мне, ведь я врач». Но то, что мы сейчас получили, – это стандартный результат общепринятой физической оптики (или волновой оптики – той версии оптики, которая учитывает волновую природу света, а не просто изначально принимает путь, по которому он распространяется, за геометрическую прямую). В примечаниях вы найдете подробный разбор этой аргументации [19].

Теперь, должно быть, вы уже почувствовали, куда нас привело наше обсуждение. Не существует закона, который управляет направлением распространения света – свет может выбирать любое направление, любой путь между источником и точкой прихода. Но вследствие такого свободного и лишенного каких-либо ограничений поведения мы получаем закон: свет распространяется по такому пути, на котором время его распространения оказывается наименьшим. Нет, свет не знает наперед, какой из путей в результате окажется кратчайшим по времени; он не способен предугадывать. Он распространяется одновременно по всем возможным путям, и оказывается, что только на пути, на котором время распространения минимально, световые волны не гасят друг друга. Из анархии возникает закон.

До сих пор я говорил только о свете, распространяющемся в однородной среде, такой как вакуум или (с хорошей степенью приближения к вакууму) воздух. Откуда же берется закон Снеллиуса и вся оптика линз в наших камерах и микроскопах, в которых свет как только не изгибается, проходя через последовательности принимающих различные формы прозрачных сред? В этих случаях необходимо учитывать показатель преломления среды и его влияние на цуг гребней и впадин. В плотной среде свет распространяется медленнее, поэтому, хотя его электрическое поле пульсирует с той же частотой (цвет луча не меняется, когда луч проходит через воду или стекло), гребни и провалы волны становятся ближе друг к другу: длина волны уменьшается. Изменение расстояния между гребнями и впадинами меняет вид пути, который окружают не уничтожающие нашу волну соседи. «Волна выживания» больше не идет по прямой между источником и точкой назначения. Теперь безопасный путь – это прямая линия в первой среде, которая затем ломается и переходит в другую прямую линию во второй среде. После проведения вычислений оказывается, что «путь выживания», где соседи не стараются тебя погасить, – это в точности тот путь, который соответствует условию наименьшего времени прохождения и который описывается законом Снеллиуса. Анархия – мать оптики.

Здесь я должен вставить важное замечание. Уничтожение волн на соседних с данной волной путях тем более эффективно, чем короче длина волны или чем выше частота излучения. Когда длина волны очень мала, даже крохотные отклонения путей друг от друга дают очень разные относительные положения гребней и провалов, и взаимное уничтожение волн оказывается практически полным. Зато когда волны имеют большую длину, ситуация смягчается – тогда даже довольно серьезные отклонения путей друг от друга не обязательно приводят к взаимному гашению волн. В геометрической оптике, о которой я говорил, световые волны считаются настолько короткими, что даже бесконечно малые различия между путями оказываются роковыми. В результате получается, что свет способен распространяться только вдоль участков геометрически точных прямых. На практике длины световых волн не бесконечно малы, и геометрическая оптика оказывается неидеальным приближением. Те малые отклонения от прямых линий, которые в результате приходится разрешить, наблюдаются в виде аберраций линз и в виде других оптических явлений. Длины радиоволн достигают нескольких метров, а то и больше, поэтому для этих волн геометрическая оптика – плохое приближение. Даже большие объекты не могут преграждать путь таким волнам. Радиоволнам стены не помеха.

Хотя звуковые волны не являются электромагнитными (это волнообразное распространение перепадов давления), они следуют тем же правилам распространения, что и свет. Однако здесь типичные длины волн порядка метров (длина волны «до» первой октавы 1,3 метра). Поэтому «геометрическая акустика» была бы очень плохим приближением в мире, заполненном объектами размером с человека. Вот почему и для звуков стены – не преграда.

* * *

Вы можете с полным правом возразить: закон, который я выбрал, чтобы продемонстрировать, как анархия ограничивает сама себя, достаточно тривиальный – какой-то детский «внезакон». Однако дальше в этой главе вы увидите, что дело обстоит ровно наоборот – у этого закона невероятно богатое содержание. В нашем обсуждении распространения света на деле заключен гораздо более глубокий смысл, чем кажется на первый взгляд. Та же самая анархия, которая самим отсутствием каких-либо ограничений сковывает свет по рукам и ногам, подобным же образом сковывает и всю материю. Эта идея объясняет квантовую механику, а если распространить ее дальше, то и механику классическую.

Ключевая концепция, которая мне нужна, чтобы сделать этот переход, заключается в том, что частицы похожи на волны. И тут мне придется погрузить вас в самую суть еще одной из великих научных революций, которые поставили на место здравого смысла нечто такое, что во многих отношениях оказывается гораздо проще него, – хоть и может выглядеть на первый взгляд шокирующе непохожим на правду. Как я уже отмечал в главе 1, классическая физика аккуратно разделяла частицы и волны, рассуждая о тех и о других по-разному. Их природа и характеристики выглядели совершенно непохожими. Частицы были точечными сущностями, строго локализованными в пространстве; волны – вечно колеблющимися и растягивающимися в пространстве чуть ли не до бесконечности. Можно ли представить себе что-то более различное? И кто мог бы их спутать?

Природа. Сначала до ученых дошло, что некоторые эксперименты с легчайшими из известных на тот момент частиц, электронами, показали, что те ведут себя так, как будто они волны. Я уже рассказывал о воображаемом завтраке Джей-Джей Томсона и его сына Джорджа, который проходит в ледяном молчании. Джей-Джей абсолютно неопровержимо доказал, что электрон, открытый им в 1897 году, – это частица с определенными массой и зарядом. Но его сын тоже не сидел сложа руки и в 1927 году точно так же убедительно показал, что электрон – волна. Примерно в то же время к тому же выводу пришли Клинтон Дэвисон (1881–1958) и Лестер Джермер (1896–1951), которые установили, что электроны демонстрируют точно такую же картину дифракции волн, что и свет[20].

Были и другие несообразности, вызывающие беспокойство. Все знали, что свет – это волна (в настоящей главе я уже воспользовался этим представлением), и это подтверждалось множеством опытов на протяжении десятилетий. Но тут появились двое вредных надоедал. Первым был немецко-швейцарско-австрийско-американский патентный клерк Альберт Эйнштейн. В 1905 году он показал, что физический эффект, заключавшийся в испускании электронов металлом, который облучают ультрафиолетовым светом (я говорю о так называемом фотоэлектрическом эффектe) легко объяснить, если считать световые лучи потоком частиц. (Это объяснение в 1921 году принесло Эйнштейну Нобелевскую премию; теория относительности, гораздо более интеллектуально мощное и далеко идущее его достижение, в то время еще выглядела слишком подозрительной.) Со временем эти частицы света стали называть фотонами. Другим надоедой был американский физик Артур Комптон (1892–1962). Он в 1922 году доказал, что для того, чтобы объяснить, как свет отскакивает от электронов, его необходимо рассматривать как поток фотонов, которые ведут себя как микроскопические пули. (В 1927 году Комптон тоже получил Нобелевскую премию.) Физика оказалась в затруднительном положении: то, что было частицами, вело себя как волны, а волны, наоборот, успешно притворялись частицами. И никто не мог понять – что, черт побери, происходит?

Именно из осознания двойственной природы электрона и фотона, а позже – всего вещества и излучения, и возникла концепция дуализма. Все субъекты физики демонстрировали свойства как частиц, так и волн, в зависимости от того, какого рода эксперименты с ними проводились. Дуализм стал одной из основ квантовой механики, которая была делом рук (точнее, конечно, мозга) Вернера Гейзенберга, в то время отрезанного от остального мира на уединенном острове, Эрвина Шредингера, уединившегося в горах с женщиной, и Поля Дирака (1902–1984), вообще всегда жившего в своем собственном мире. Все трое, каждый по-своему, пришли к идеям квантовой механики в 1925–1927 годах. Квантовая механика и ее причудливые ответвления, такие как квантовая электродинамика, обеспечивали количественные предсказания экспериментов с невероятной точностью. Они были подвергнуты исчерпывающим проверкам до…надцатых десятичных знаков и ни разу не обнаружили каких-либо отклонений от реальности. Другими словами, квантовая механика, основанная на концепции дуализма, вполне могла оказаться верной.

Теперь, когда мы установили эту отправную точку и осознали дуализм вещества и излучения, пришло время взглянуть, как эта концепция открывает дорогу пониманию природы законов, которые управляют движением частиц. Коль скоро частицы ведут себя как волны, вы уже можете предположить, какой ответ мы должны дать на вопрос о правилах для них: правил не существует. Волны распространяются между источником и пунктом своего прихода без всяких ограничений, вдоль всех возможных путей. Однако все эти пути, кроме одного – того, который требует наименьшего времени прохождения (в этом утверждении мне придется кое-что уточнить, и я вскоре это сделаю), – все эти пути окружены уничтожающими их соседями и в результате элиминируются. Только один путь имеет соседей, которые не разрушают его, путь наименьшего времени – и именно по нему частица и распространяется.

Итак, будем считать, что все частицы – не одни только электроны – имеют волновую природу. Анархия требует, чтобы в однородной среде частица распространялась по прямой, так же, как свет – в полном соответствии с аргументами, которые я только что привел. То есть мы позволяем частице распространяться по любому пути в пустом пространстве, и благодаря ее волновой природе единственным путем, на котором у нее не будет деструктивных соседей, будет прямой путь между источником и точкой назначения.

* * *

Но движение по прямым – не единственный вид движения частиц. Мир был бы скучным, полностью предсказуемым местом, если бы этим все и ограничивалось. Как насчет более сложного поведения – движения по орбитам и вообще криволинейного движения? Распространяется ли на него власть анархии? Да. Но чтобы понять это, придется принять к сведению идею действия.

Здесь я оказываюсь в затруднении. В техническом термине «действие» лишь слегка проглядывают те значения, которые это слово имеет в своем повседневном смысле. Я уже призывал вас думать о действии как об усилии, напряжении сил, физическом «пыхтении». Конечно, в физике есть и более формальное определение этого понятия, скрытое в глубине уравнений классической механики, но для того, чтобы вывести его здесь во всем его истинном величии, понадобился бы слишком утомительный технический марафон [21]. Поэтому я по-прежнему буду понимать под действием что-то вроде «пыхтения».

Когда классическая частица движется по своей траектории, она несет некоторое количество этого «пыхтения». Согласно сформулированному Мопертюи принципу наименьшего действия, путь, который частица в реальности выбирает в своем движении, соответствует наименьшему количеству «пыхтения» – как, возможно, мы стремимся поступать и сами. Из этого вытекает, что пути частиц, которые были бы вычислены из классической механики Ньютона в соответствии с исходной авторской формулировкой, данной в терминах сил, действующих в каждой точке, могут быть рассчитаны и из условия наименьшего действия вдоль траектории.

Тут возникает вопрос, как же именно частица узнает наперед, какой из возможных путей связан с наименьшим действием. Она ведь может начать двигаться по какому-нибудь соблазнительно благоприятному в этом смысле пути, а потом вдруг наткнуться на преграду в виде противодействующей силы, для преодоления которой ей придется по-настоящему попыхтеть. Но к этому времени будет уже слишком поздно поворачивать назад и начинать все с начала в надежде выбрать путь полегче.

Точно такой же вопрос вставал перед нами при обсуждении распространения света – и ответ здесь точно такой же. Тогда решением проблемы оказывалась волновая природа света в сочетании с анархией. В нынешнем случае решение вытекает из волновой природы вещества – в сочетании все с той же анархией. Вместо коэффициента преломления среды, через которую распространялся свет, замедляя в ней свое движение и вследствие этого изменяя свою фазу в точке прихода (от этого зависело, придется ли на эту точку гребень волны, ее впадина или что-то посредине между ними), теперь мы рассматриваем действие вдоль траектории (количество «пыхтения», связанное с ней), которое влияет на прохождение волны через области с различной потенциальной энергией и таким образом определяет фазу волны вещества в точке ее прихода. Эти вопросы были исследованы Ричардом Фейнманом (1918–1988), одаренным необыкновенным творческим воображением великим ученым и популяризатором науки, который увидел, что они могут привести его прямехонько к квантовой механике[22].

Итак, если интересующая нас частица рассматривается как волна и кругом царит анархия, что проявляется в отсутствии всякого управления ее движением, то аргументация строится так. Волны распространяются вдоль всех возможных путей между их источником и точкой прихода; каждая из них оказывается в определенной фазе, зависящей от действия, связанного с распространением по тому или иному пути [23]. Вообще говоря, каждый путь соседствует с другими, имеющими совершенно другую фазу – некоторые на гребне, некоторые в провале, – что для данного конкретного пути губительно. Благосклонные соседи, которые не несут разрушения, оказываются только у того пути, который соответствует наименьшему действию. Мы, сторонние наблюдатели, не видим этих скрытых конфликтов: мы замечаем только, что единственным реализующимся путем неизменно остается путь наименьшего действия.

Если величина действия очень велика, как это имеет место у тяжелых частиц – мячей или планет, – то уничтожение друг друга соседями оказывается очень жестким и эффективным. Тогда, как и в геометрической оптике, частицы можно рассматривать как движущиеся по точно определенной «траектории выживания». Получается, что классическая механика вытекает из волновой природы частиц точно так же, как геометрическая оптика – из физической оптики и из волновой природы света. Когда частицы малы, как, скажем, электроны, действие микроскопически мало и взаимное погашение соседями друг друга становится неэффективным, как, например, при распространении звука. Классическая механика в этих случаях не действует, точно так же, как «геометрическая акустика» неприменима к звуку. Теперь для оценки движения частиц надо пользоваться квантовой механикой, которая всегда наготове, но, когда действие велико, остается в тени.

* * *

Наконец, чтобы завершить это обсуждение, мне придется еще упомянуть концепцию дифференциального уравнения. Многие законы природы, и в особенности законы классической и квантовой механики, выражаются именно в этой форме[24]. Это важная тема – часто можно услышать, что дифференциальные уравнения составляют математическую основу физики. Уравнения обычного, знакомого всем вида говорят нам, как одно свойство зависит от другого; взять хоть знаменитое уравнение E = mc 2, которое показывает, как энергия E зависит от массы m. Дифференциальное же уравнение говорит о том, как изменение одного свойства (отсюда намек на понятие «разности», difference, в слове «дифференциальный») зависит от различных других свойств, включая и само рассматриваемое свойство. Второй закон Ньютона, который гласит, что скорость изменения количества движения пропорциональна действующей силе, – пример вербализации, словесного выражения дифференциального уравнения.

Также важно, что дифференциальные уравнения выражают бесконечно малые изменения свойств. Причина (и преимущество) такого подхода заключаются в том, что условия могут изменяться от точки к точке. Например, во втором законе Ньютона сила может меняться от места к месту и от одного момента времени к другому, и чтобы найти суммарное влияние этих изменений на траекторию частицы, необходимо рассмотреть кумулятивный, накопленный результат выполнения множества (по сути, бесконечного числа) малых (бесконечно малых) шагов. Мы говорим, что общее действие силы может быть найдено посредством «интегрирования» (в сущности, суммирования всех этих малых шагов) или, эквивалентно, что дифференциальные уравнения могут быть «решены интегрированием». Таким образом, если в одной точке пространства сила оказывает какое-то одно влияние, а в соседней точке – другое, тело испытает толчок в первой точке и еще один толчок во второй, а общим результатом действия этих сил окажется сумма обоих толчков. Теперь, надеюсь, вы понимаете, что дифференциальное уравнение как раз и служит для того, чтобы описать, как частица (к примеру) как бы на ощупь прокладывает себе путь к месту назначения, определяя тем самым свою траекторию.

Основные, фундаментальные, вездесущие дифференциальные уравнения физики – дети анархии. Как вы уже видели, анархия порождает законы наименьшего времени в оптике и наименьшего действия в механике. Эти минимумы относятся к пути в целом, а не к бесконечно малым его участкам. И тем не менее замечательным математическим результатом является тот факт, что если пробираться на ощупь в соответствии с подходящим дифференциальным уравнением, это гарантирует вам движение вдоль в целом минимального пути. Дифференциальное уравнение дает вам инструкции, что делать в каждой конкретной точке пространства и в каждый конкретный момент времени – сдвигаться налево или направо, ускоряться или замедляться и так далее, – и все это для того, чтобы вы оказались в точке своего назначения, двигаясь по пути, требующем наименьшего времени и наименьшего действия[25]. Глобальный критерий рассыпался на множество точечных локальных инструкций. Получается, что, хотя по общему мнению дифференциальные уравнения составляют ключевую особенность физики, весьма вероятно (и, по-моему, так оно и есть), что, по крайней мере в рамках классической и квантовой механики, они представляют собой лишь вспомогательные конструкции. Ключевыми являются основанные на анархии глобальные свойства природы, а дифференциальные уравнения всего лишь дают локальные правила поведения – что-то вроде руководства для автостопщика по выбору кратчайшего маршрута.

* * *

Итак, куда нас завела анархия? Мы дали свету свободу искать свой путь, не связывая его никакими правилами, – и он тут же обязался следовать правилу двигаться по пути, который требует наименьшего времени прохождения. Мы согласились с экспериментальными доказательствами дуализма частиц, в частности с тем, что у них есть волновые признаки, – и едва мы освободили от выполнения каких-либо правил и частицы, они подчинились правилу двигаться по пути наименьшего действия. Как геометрическая оптика при уменьшении длины волны света естественно вытекает из оптики физической, так и классическая механика следует из волновой (это старое название квантовой механики), когда движущееся тело перестает быть микроскопически малым и приобретает размеры, соответствующие нашему повседневному опыту. Еще мы увидели, что фундаментальные и вездесущие дифференциальные уравнения классической и квантовой механики являются лишь локальными инструкциями, позволяющими свету и частицам находить путь, который удовлетворяет глобальным критериям наименьшего времени (для света) и наименьшего действия (для частиц), и на ощупь следовать этому пути. Анархия привела нас к физике.

4

Вырвалось сгоряча

Законы, связанные с температурой

Если бы я очутился на необитаемом острове, отрезанный от всего мира, – вода повсюду, сколько хватает глаз, и лишь одна пальма для разнообразия, – при мне все же оставалось бы одно средство описания окружающей меня среды, лишиться которого ни за что бы не хотелось. Это понятие необыкновенно разнообразно по своим последствиям; оно ведет к глубокому пониманию природы вещества и преобразований, которым это вещество подвергается; оно проливает свет на одну из наиболее трудноуловимых научных концепций, оставаясь в то же время общеизвестным повседневным понятием. Я говорю о температуре. С этой столь важной для общения с внешним миром концепцией я вас сейчас и познакомлю.

Идея температуры играет огромную роль в описании свойств материи и законов, которым она подчиняется. В этой главе вас ждет введение в термодинамику – собрание разнообразных важных законов, описывающих преобразования энергии, например связь между теплотой и работой, да и просто объясняющих, почему вообще что-либо происходит.

Температура входит в описание свойств материи двумя путями. Один из них связан с миром наблюдаемых явлений – мы называем это «феноменологическим аспектом» температуры. Другой относится к миру атомов и молекул – тогда мы говорим о «микроскопическом», или, скорее, «молекулярном аспекте», ведь масштаб атомных явлений лежит далеко за пределами досягаемости обычных микроскопов. В повседневном смысле мы все хорошо знаем, что такое температура. Мы знаем о различных шкалах, которые используются для ее измерения, и о ее важности для нашего физиологического комфорта. Знаем, что есть объекты горячие и холодные, что умение повышать температуру очень важно для промышленности и для поварского искусства. Но что она в сущности такое? И может ли температура иметь какое-то отношение к союзу анархии и бездействия?

Чтобы мы могли разобраться во всех этих вопросах, я сначала познакомлю вас с одним из моих героев. Этот человек хорошо известен среди ученых, но обычные люди его имя произносят довольно редко. Это венский физик-теоретик Людвиг Больцман (1844–1906). При всей близорукости, он сумел заглянуть в тайну строения материи дальше большинства своих современников. Подавленный неприятием его идей, он впал в депрессию и покончил с собой. А между тем именно идеи Больцмана связали микроскопическое с феноменологическим, прояснили саму концепцию температуры и привели к объяснению свойств вещества поведением составляющих его атомов. Его идеи позволили понять, почему вещество в повседневном мире никуда не исчезает и почему при нагревании с ним происходят химические превращения. В общем, для того, кто очутился бы в интеллектуальной изоляции на воображаемом необитаемом острове, он был бы прекрасным теоретическим компаньоном, – хотя как реальный компаньон на настоящем острове он бы вряд ли кого-нибудь устроил.

* * *

Я совершенно не представляю себе, рассуждал ли Больцман тем способом, которым я собираюсь сейчас порассуждать, – я даже уверен, что нет. Но вот картина, которая воплощает суть его подхода.

Представьте, что вы лежите перед состоящим из большого числа полок книжным стеллажом, а вокруг на полу громоздятся кучи книг (для целей нашего обсуждения можно считать их все одинаковыми). И вот, лежа на полу, может быть, даже с завязанными глазами, вы швыряете книги на полки. Сняв повязку с глаз, вы замечаете, как книги распределяются по полкам: какие-то из них оказались на верхних, какие-то на средних, а какие-то на нижних, и никакой системы в их распределении не заметно. Вы встаете, убираете книги с полок, снова укладываетесь на пол и опять принимаетесь за то же занятие: швыряете книги на полки. Снова открываете глаза и видите новое случайное распределение книг по полкам. И очень маловероятно, что все книги окажутся на верхней или на какой-то другой определенной полке.

Вы – не забывайте, что это фантазии – повторяете эту процедуру миллионы раз, каждый раз отмечая, как распределяются книги. Некоторые из таких распределений (например, когда все книги оказываются на одной полке) почти никогда не появляются, зато другие появляются довольно часто. Однако – и это привлекает ваше внимание – есть одно распределение, которое очевидно встречается с наибольшей вероятностью. Оно то и дело повторяется, опять и опять. В этом распределении большинство книг оказывается на самой нижней полке, несколько меньшее их число на второй снизу, еще меньше – на третьей и так далее, вплоть до самой верхней полки, на которой может и вовсе не оказаться ни одной книги. Вот это наиболее вероятное распределение заполнения полок и есть «распределение Больцмана», которое составляет главный предмет настоящей главы и остается моим любимым предметом – о нем я с удовольствием поразмыслил бы, оказавшись на интеллектуальном «необитаемом острове».

Истинное распределение Больцмана относится не к книгам на полках, а к молекулам и атомам. Как теперь хорошо известно, одно из следствий квантовой механики состоит в том, что энергия, которой может обладать объект, делится на дискретные части. Молекула не может колебаться или вращаться с произвольной энергией: энергия может доставаться ей только порциями («квантами»). Даже когда вы разгоняетесь на велосипеде, вы делаете это рывками, просто эти рывки настолько малы, что практически разгон кажется очень плавным. Для атомов и молекул, однако, такие рывки очень заметны. «Энергетические уровни», разрешенные значения энергии аналогичны книжным полкам в нашем примере, а сами книги – это атомы и молекулы. Беспорядочное швыряние книг соответствует случайным соударениям, которые переводят атомы и молекулы с одного энергетического уровня на другой. Случайное заполнение полок книгами после бросков – это населенности различных энергетических уровней молекулами. Вы почти никогда не получите ситуации, когда все молекулы находятся на одном и том же уровне. Наиболее вероятное распределение молекул в результате случайного рассеяния их по всем возможным уровням энергии – это распределение Больцмана, при котором большинство молекул находится в состоянии с наименьшей энергией, несколько меньшее их количество – на более высоком уровне, на еще более высоком энергетическом уровне молекул еще меньше, а на уровнях с самыми высокими энергиями молекул совсем мало или вообще нет.

Здесь мне придется признать, что распределение Больцмана не является результатом только случайного, анархического поведения частиц. Бездействие здесь тоже отметилось. Полная энергия молекул фиксирована (это следствие бездействия и вытекающего из него сохранения энергии, что я доказал в главе 2). Следовательно, не все молекулы могут оказаться на одном и том же высоком энергетическом уровне, – ведь тогда полная энергия была бы больше доступного фиксированного значения. С другой стороны, не могут, вообще говоря, все молекулы занять и самый нижний энергетический уровень – их полная энергия и в этом случае не соответствовала бы фиксированной. (Двусмысленное «вообще говоря» подразумевает, что могут быть и особые случаи, исключения из общего правила: к этому я еще вернусь несколькими абзацами ниже, а пока вам придется потерпеть.) При выводе своего распределения Больцман принял это ограничение в расчет, вследствие чего и получилась вышеописанная картина: с повышением энергетического уровня последовательно уменьшается количество занимающих этот уровень молекул. Короче, распределение Больцмана оказывается результатом сочетания анархии и бездействия: почти случайные населенности энергетических уровней, связанные с анархическим поведением, при учете сохранения энергии, которое вытекает из принципа бездействия.

Вот тут-то мне и понадобится ввести еще одно образное описание, – на этот раз относящееся к формуле, с помощью которой Больцман изобразил свое распределение. Оказывается, что постепенное уменьшение населенности энергетических уровней с ростом их энергии описывается очень простым математическим выражением [26]. Более того, это выражение зависит от одного-единственного параметра. Когда значение этого параметра мало, с ростом энергии населенность уровней падает очень быстро и занятыми оказываются лишь несколько нижних уровней (хотя характер падения населенности с повышением энергии уровня остается тем же). Когда значение параметра высокое, достаточно большой населенности достигают и высокие энергетические уровни; и хотя по-прежнему большинство молекул располагается на самом низком уровне, а с повышением энергии уровня населенность падает, все же теперь встречаются молекулы и с очень высокой энергией. Само выражение для распределения и упомянутый параметр универсальны в том смысле, что они применимы к любой субстанции и любому виду движения. То есть для данного значения параметра относительная населенность уровня с данной энергией остается постоянной, неважно, говорим мы о колебаниях молекул, об их вращении или о колебаниях атомов в твердых телах, и является ли рассматриваемая субстанция свинцом, литием, мелом или сыром.

А называется этот универсальный параметр, от которого зависят населенности уровней, температурой. Надеюсь, теперь вы видите, в чем глубина этого понятия. Низкая температура описывает распределение Больцмана, при котором густо населены только низкие энергетические уровни, а с повышением энергии населенности уровней падают. Высокая температура соответствует распределению, в котором населенность распространяется и на уровни с высокими энергиями, и чем выше температура, тем более высокие уровни заполняются.

Прежде чем двинуться дальше, надо вернуться к сделанной пару абзацев назад зарубке на выражении «вообще говоря». Допустим, что наш параметр, температура, приобретает нулевое значение. В этом случае, в соответствии с формой распределения Больцмана для этого значения температуры, все молекулы будут находиться на уровне с самой низкой энергией; ни на одном из более высокоэнергетических уровней не останется ни одной молекулы. Все книги лежат на нижней полке. Это «абсолютный нуль» температуры. Ее дальнейшее понижение физически бессмысленно – как могут молекулы попасть на энергетические уровни ниже самого низкого? Конечно, и при этом особом распределении закон сохранения энергии должен соблюдаться, поэтому оно достижимо, толькo когда у вещества отобрана вся энергия, – полная энергия практически равна нулю. («Практически» – еще одно очень полезное слово-уловка; время от времени я буду позволять ему срываться с губ. Здесь я поставил его просто в силу своего неисправимого педантизма – пусть другие педанты знают, что я знаю, что` именно они сейчас думают или должны думать [27].)

* * *

Однако довольно (во всяком случае, пока) рассуждать о молекулярной интерпретации температуры и о том глубоком смысле, которое распределение Больцмана придает этому понятию. Несмотря на туманность концепции температуры, методика ее измерения была хорошо отлажена задолго до того, как Больцман свел счеты с жизнью. Всем известные бытовые температурные шкалы (особенно Фаренгейта и Цельсия) давно уже были вполне практическим образом реализованы; изобретатель каждой из них начинал с того, что устанавливал для своей шкалы легко воспроизводимые и транспортируемые «фиксированные точки», то есть нуль-пункты. Даниэль Фаренгейт (1686–1736) зафиксировал в качестве нулевой точки своей шкалы самую низкую из всех легко достижимых в то время температур (которая все же находилась намного выше уже упоминавшегося здесь абсолютного нуля) – температуру замерзания смеси обычной соли и воды. За 96 (как ни странно, не за 100) градусов он принял температуру своей собственной легко перемещаемой в пространстве подмышки, – или, по крайней мере, среднюю температуру любой другой подмышки. Разделив на 96 ступеней разность температур между этими двумя довольно расплывчато обозначенными точками, он получил точку замерзания чистой воды на 32 градусах своей шкалы, а точку кипения воды – на отметке в 212 градусов, намного выше температуры подмышки. Андерс Цельсий (1701–1744) поступил более мудро: он взял за основу свойства самой воды, которые и определили опорные точки на его шкале – 100 градусов в точке замерзания и 0 – в точке кипения. Впоследствии эту шкалу пришлось перевернуть (о разумности этого шага мы поговорим в главе 9), и у горячих тел температуры стали выше, чем у холодных. Не так уж важно, но интересно, что в соответствии со своими определениями обе шкалы являются «стоградусными» – у обеих промежуток между их фиксированными точками составляет около 100 градусов, – но, так как для современного общества на шкале Фаренгейта точки кипения и замерзания воды, 32 и 212 градусов, оказались важнее исходных нуля (соляной смеси) и 96 (фаренгейтовской подмышки), стоградусной стали называть только шкалу Цельсия.

Чтобы закруглиться с рассказом о температурных шкалах, добавим еще, что есть, конечно, и шкала, которая начинается с абсолютного нуля. Она называется термодинамической шкалой температур, или просто абсолютной шкалой. Если градации этой шкалы имеют шаг, равный градусам шкалы Цельсия, тогда она называется шкалой Кельвина, в честь Уильяма Томсона, барона Кельвина Ларгского (1824–1907), пионера термодинамики[28]. Если же градации абсолютной шкалы соответствуют градусам Фаренгейта, тогда термодинамическую температурную шкалу называют шкалой Ранкина, по имени шотландского инженера Джона Ранкина (1820–1872), ныне (хотя в его время это было вовсе не так) значительно менее известного теоретика паровых машин и сочинителя комических песенок. Насколько я знаю, сейчас почти никто не пользуется шкалой Ранкина: ну, разве что такие инженеры еще найдутся в Америке, где в повседневной жизни шкала Фаренгейта упрямо не желает уступать победу Цельсию. Напомним для полной ясности, что абсолютный нуль лежит на отметках –273,15 °C или –459,67 °F.

Закончив наш экскурс в сферу практики, я должен теперь рассмотреть вопрос о том, как именно глубокая концепция температуры вошла в науку, в частности в термодинамику. Как могла температура быть наблюдаемой физической характеристикой во времена, когда ученые еще не осознавали реальность молекул и не имели ни малейшего представления о дискретности энергетических уровней? Другими словами, что собой представляла температура до Больцмана?

Формально температура вошла в термодинамику «задним числом». Надо сказать, что одна из особенностей термодинамики заключается в том, что каждый из ее законов (они часто называются «начала») обычно (а вот и еще одно слово-уловка) вводит в обиход какую-то новую характеристику, связанную с энергией. Так, первое начало термодинамики вводит величину, которая, собственно говоря, и является энергией; второе начало (мы рассмотрим его в главе 5) представляет характеристику, называемую энтропией. Оба эти закона разнообразными способами связаны с концепцией температуры. Создатели термодинамики постепенно поняли, что, хотя они достаточно строго сформулировали первый и второй ее законы и таким образом дали определения энергии и энтропии, само понятие температуры осталось без определения и не было введено каким-либо законом. Необходимо было сформулировать какой-то новый закон, более фундаментальный, чем первое и второе начала, – закон, который формализовал бы определение температуры. И, так как первое и второе начала уже заняли свои места, отцам-основателям термодинамики ничего не оставалось, как, стиснув зубы, назвать этот новый закон, логически предшествовавший первому и второму, «нулевым началом термодинамики». (Я не знаю никакой другой области науки, в которой потребовалось бы задним числом вводить подобный «нулевой закон»: разве что можно поискать нечто несформулированное, что затаилось в недрах ньютоновской классической механики.) Коротко говоря, нулевое начало является формальным определением температуры, и теперь мне придется объяснить вам его с виду довольно банальное содержание и рассказать, как этот новый закон выполнил свое назначение.

Представьте, что у вас есть три объекта, которые я назову A (к примеру кусок железа), B (ведро с водой) и T (а вы думали, C? облом…). Как вы сейчас поймете, у «термодинамистов», то есть тех, кто занимается термодинамикой, есть одна довольно странная черта: они приходят в настоящий восторг, когда отмечают, что ничего не происходит. Может быть, вы уже обратили на это внимание, когда мы обсуждали сохранение энергии в главе 2: они просто торчали (на свой абстрактный лад), когда заметили, что полная энергия Вселенной не изменяется. Вот это состояние эйфории и вылилось в первый закон термодинамики, который представляет собой просто конкретизацию закона сохранения энергии. Вот, к вящему их восторгу, еще один сценарий: допустим, вы привели A и T в соприкосновение и отметили, что ничего не произошло. Теперь допустим, что, независимо от первого вашего действия, вы привели в соприкосновение B и T, и вновь ничего не случилось. Так вот, нулевое начало термодинамики говорит, что если теперь вы приведете в соприкосновение друг с другом A и B (то есть поместите кусок железа в ведро с водой), ничего не произойдет. Это наблюдение имеет универсальный смысл: какова бы ни была природа A и B, если ничего не происходит при контакте каждого из них по отдельности с T, то ничего не произойдет и при контакте A с B. У «термодинамиста» это наблюдение вызывает почти непреодолимый оргазм и наполняет все его существо безграничным счастьем.

Надеюсь, что вы замечаете: объект T играет роль термометра, а вся описанная процедура может быть представлена как измерение температуры. То есть, когда A входит в соприкосновение с T и ничего не происходит (например, длина столбика ртути внутри стеклянной трубочки в составе объекта T не меняется), это значит, что температуру объекта A можно поставить в соответствие с длиной столбика ртути. Когда B входит в соприкосновение с T и ничего не происходит, это значит, что объект B имеет температуру, зарегистрированную при помощи T, и она такая же, как у A. Следовательно, A и B имеют одинаковую температуру, и мы можем быть абсолютно уверены, что, если они войдут в соприкосновение друг с другом, ничего не произойдет. Этот цикл, состоящий из последовательного отсутствия каких-либо событий, иллюстрирует способ, которым нулевое начало вводит в обиход концепцию температуры.

Теперь мне надо связать введенное таким образом понятие температуры с его молекулярной интерпретацией в терминах распределения Больцмана. Ключевой момент, как я уже подчеркивал, заключается в том, что температура – параметр, который характеризует распределение молекул по доступным энергетическим уровням, причем параметр универсальный (а именно, независимый от субстанции). У объекта A (железа) имеется целый ряд энергетических уровней, и атомы железа рассеиваются по ним в соответствии с распределением Больцмана для данной температуры. У объекта B (воды) тоже есть свой набор энергетических уровней, и молекулы воды занимают их в соответствии все с тем же распределением Больцмана (определяющий параметр которого, температура, имеет то же значение, что и у объекта A). Когда A и B объединяются (железо погружается в воду), их энергетические уровни переплетаются друг с другом, как переплетаются пальцы ваших рук, когда вы сжимаете их. Распределение молекул остается неизменным, остается неизменной и температура, – в общем, ничего не происходит.

Распределение Больцмана включает в себя и, как все молекулярные интерпретации явлений, обогащает концепцию температуры. Теперь вы начинаете понимать, почему в этом распределении содержится объяснение как устойчивости материи в повседневном смысле, так и способности вещества изменяться при нагревании. При нормальных температурах распределение населенностей не распространяется на слишком высокие энергии: большинство молекул находятся на низких энергетических уровнях, где им остается разве что вяло осциллировать. Такое вещество будет долгоживущим. Когда температура поднимается, все больше и больше молекул попадает на высокоэнергетические уровни. В смысле энергии у молекул дела обстоят так же, как и у нас в нашей обычной жизни: когда ее много, дела идут. В частности, атомы могут быть выброшены из вещества; между ними могут образовываться новые связи; могут начаться химические реакции. На кухне, например, стряпня – это процесс, в ходе которого микроволновка или конфорка используются для выталкивания молекул на более высокие энергетические уровни, где достаточно большое их количество приобретет способность реагировать. Холодильники, наоборот, переводят молекулы на наиболее низкие уровни энергии, где они успокаиваются – и тем самым сохраняются от распада.

Из распределения Больцмана вытекает химический закон, относящийся к скоростям протекания реакций. Шведский химик Сванте Аррениус (1859–1927), удостоенный в 1903 году одной из первых Нобелевских премий, – он же, кстати, и помогал их учредить, – предположил, что скорость химической реакции растет с температурой некоторым особым образом, зависящим от параметра, называемого «энергией активации», причем этот параметр меняется от реакции к реакции [29]. Теперь этот закон называется законом Аррениуса. Если не вдаваться в детали (эта оговорка означает, что здесь есть много исключений), скорость химической реакции, как правило, удваивается на каждые 10 градусов роста температуры. Объяснение этому тоже дает распределение Больцмана: энергия активации есть просто минимальная энергия, необходимая, чтобы молекулы могли начать реагировать, и количество молекул, которые на это способны, растет с температурой, когда в соответствии с распределением Больцмана увеличивается населенность уровней с высокой энергией. Охлаждение (замораживание) дает противоположный эффект: по мере того как распределение Больцмана уводит молекулы на низкие уровни, все меньше молекул имеют достаточную энергию для вступления в реакцию, и реакция замедляется.

Закон Аррениуса имеет много следствий, заметных в повседневной жизни. Мы готовим пищу, поднимая энергию молекул до уровней, превышающих их энергию активации. Для этого мы поднимаем их температуру на много десятков градусов и таким образом ускоряем реакции, ведущие к разрушению структуры продуктов питания. Мы сохраняем пищу, сжимая профиль распределения Больцмана настолько, чтобы у молекул не оставалось энергии для реакций. Тело борется с болезнью с помощью жара – температура тела поднимается, нарушая хрупкое равновесие скоростей химических реакций, которые поддерживают жизнь и в нас, и в атакующих наш организм бактериях (вот уж где действительно нужно поддерживать равновесие!). Светлячки быстрее летают в теплые ночи, чем в холодные. В промышленности закон Аррениуса используется, чтобы запустить реакции, необходимые для извлечения полезного вещества из сырья. Весь мир вокруг нас представляет собой стройный хор химических реакций, разворачивающихся в тон закону Аррениуса, меняющих свои скорости и снова и снова воспроизводящих в разных модификациях одно и то же распределение Больцмана, основанное на анархии непрерывных температурных изменений.

* * *

Но в вашем мозгу уже, вероятно, возникает вопрос – что происходит, когда в контакт друг с другом входят два объекта не с одинаковой, а с разной температурой? Здесь мы покидаем область нулевого начала, расстаемся с очарованием состояния, в котором «происходит ничто», и входим в мир законов, где это «ничто» НЕ происходит. Но прежде, чем отправиться туда в любом формальном смысле, вспомните, что из повседневного опыта вы уже знаете, что происходит: энергия течет от более горячего тела к более холодному (раскаленное железо остывает, а холодная вода нагревается), постепенно оба тела достигают некоторой промежуточной температуры и возвращаются в состояние «теплового равновесия», в котором на вид не происходит ничего. Сейчас я разовью описание этой известной черты Природы и воспользуюсь ею, чтобы представить вам еще один закон, который имеет далеко идущие последствия и тоже, ясное дело, порожден анархией.

Здесь надо познакомить вас с понятием «теплоты». В каком-то смысле сделать это несложно, потому что ее не существует. Несмотря на то что мы широко пользуемся этим словом в обычном разговорном языке, никакой «теплоты» горячее тело не содержит; оно не теряет ее и при остывании, потому что терять ему просто нечего. Многие говорят, – и вы, возможно, уже об этом подумали, – что теплота является формой энергии, но это не так. В науке теплота – это не «что-то», не предмет; это процесс. Теплота есть передача энергии вследствие разности температур. Нагревание не есть процесс увеличения теплоты объекта; это процесс, который может использоваться для увеличения его температуры (производство работы – например, усиленное перемешивание жидкости – тоже может поднять ее температуру). Если не для повара, то для ученого уж точно нагревание есть процесс передачи энергии объекту с использованием для этого разности температур; ничего такого, что можно назвать «теплотой», при этом не передается. Да, замечая, что поток теплоты имеет многие атрибуты жидкости, ее когда-то действительно считали жидкостью, называя ее caloric или теплородом (от латинского calor, что значит «тепло», что в свою очередь, если проследить этимологию этого слова вглубь времен, происходит от санскритского carad, «сбор урожая», «страда», «горячее время»). Но это было еще в начале XIX века, и такая интерпретация давно опровергнута. Все эти придирчивые замечания противоречат привычному бытовому значению слова «тепло», но в науке так обычно и бывает – она начинает с того, что берет на вооружение какое-нибудь повседневное понятие и затем придает ему новое, очищенное от бытовой окраски значение. В данном случае повседневное, «неочищенное» существительное «тепло», предполагающее возможность обладания им как некоторым свойством («эта печка дает много тепла»), претерпевает перегонку в чистый спирит, в дух процесса, в ходе которого происходит обмен энергией в результате разности температур. Педантизм может вести либо к прочистке мозгов, либо к их засорению; надеюсь, в этом случае происходит первое. Нигде не бывает так важно добиваться полной ясности в значении слов, как в науке, ведь здесь истина зависит от точности. В главе 9, где пойдет речь о роли математики в выражении законов природы, это стремление к точности будет доведено до крайней точки, и тогда мы увидим, что именно на нем основывается огромная роль математики в науке. Итак, двинемся дальше, имея в виду то значение понятия «теплота», к которому мы пришли.

Прежде всего, нам необходимо рассмотреть интерпретацию передачи энергии как тепла в терминах распределения Больцмана. Допустим, что A (железо) и B (вода) теперь имеют разную температуру: A горячее (то есть имеет более высокую температуру), чем B. Вы знаете, что это означает в наглядной форме: когда каждое из этих тел будет приведено в соприкосновение с различными телами T (различными термометрами), не произойдет ничего, при условии, что столбики ртути в каждом T имеют различную длину, соответствующую температуре A или B. Заглянем теперь под поверхность тел в потаенный мир атомов, из которых состоят A и B. Так как для каждого из них параметр, который мы называем температурой, различен, атомы A имеют иное распределение Больцмана по энергетическим уровням, чем атомы B: в горячем теле A атомы населяют более высокие энергетические уровни, чем в более холодном B.

Когда эти два тела входят в контакт, все энергетические уровни A и B доступны всем их атомам (как и прежде, представьте себе в роли двух наборов энергетических уровней ваши переплетенные пальцы или книжный стеллаж, составленный из двух других). Как только равновесие состояний двух тел восстановится, образуется единое распределение Больцмана для всех атомов по объединенному набору энергетических уровней. Чтобы достичь этого распределения, некоторые атомы должны будут спуститься с высоких энергетических уровней тела A пониже, на уровни, которые ранее принадлежали либо A, либо B, до тех пор, пока населенности не образуют новое наиболее вероятное распределение Больцмана. В результате всех этих кульбитов уровни некогда холодного тела B станут более густонаселенными за счет населенностей некогда горячего A, – в том числе и некоторые из более высоких уровней B, которые изначально были малонаселенными. Таким образом, объединенная система будет характеризоваться единой температурой промежуточного между двумя начальными температурами значения. Железо остыло, а вода нагрелась.

Здесь есть один немного педантический момент (ничего не могу с собой поделать). Если вы оставляете на столе чашку горячего кофе, она охлаждается до температуры окружающей ее среды, а не до некоторого промежуточного значения. Как это увидеть глазами Больцмана? Даже кусок раскаленного железа, который мы себе до сих пор представляли, просто охладился бы, не оказав никакого заметного влияния на окружающую среду. Ключевое слово здесь «заметного». Объяснение этого несоответствия заключается в огромности окружающей среды (стола, комнаты, Земли, Вселенной…). Для того, чтобы отреагировать на поступившую энергию, населенности мириад энергетических уровней среды должны перераспределиться настолько незначительно, что этим изменением распределения вполне можно пренебречь. Другими словами, хотя энергия среды немного изменилась и произошло микроскопически малое перераспределение населенностей, оно проходит незамеченным и, следовательно, температуру окружающей среды для всех практических целей можно считать неизменной. Все равно, что гигантский лист промокашки, который остается белым, даже если на него попадает микроскопически маленькая капелька чернил.

О чем я не сказал – это о времени, а точнее, о том времени, которое требуется, чтобы объект остыл до температуры своего окружения. Смещение фокуса с температуры на время и приведет нас к закону, о котором я собираюсь вам рассказать, и к его важным следствиям. В начале всего по-прежнему оказывается анархия. Чтобы продемонстрировать ее роль, мне сперва потребуется обрисовать регулярность этого явления – я имею в виду закон охлаждения, – а затем перейти к описанию лежащей в его основе анархии; ведь атомы занимаются своими делами, не ведая ни о каких законах.

Скорость, с которой тело охлаждается до температуры своего окружения, задается ньютоновским законом охлаждения. Опять этот Ньютон! Опубликовал он свой закон, по-видимому, анонимно, в 1701 году. Закон суммирует его собственные и последовавшие затем другие бесчисленные наблюдения за охлаждением, констатируя, что скорость изменения температуры горячего объекта пропорциональна разности температур объекта и его окружения [30]. Очень горячий (по сравнению с окружающей средой) объект охлаждается сначала быстро, затем, по мере того, как его температура падает, скорость ее уменьшения тоже снижается, и наконец, когда объект достигает температуры своего окружения, уменьшение температуры прекращается совершенно. Такой тип поведения – когда значение какой-либо величины падает со скоростью, пропорциональной текущему значению этой величины (в данном случае ею является разность температур), – называется экспоненциальным затуханием. В обычной речи термин «экспоненциальный» очень часто употребляется неправильно, как синоним чего-то поразительно или даже пугающе большого, как, например, в выражении «экспоненциальный рост населения». Но я буду употреблять это выражение в его точном смысле, который я здесь описал: когда текущее изменение пропорционально текущему значению. Вы должны при этом понимать, что экспоненциальное изменение может быть и очень медленным: экспоненциальным является и почти неощутимое охлаждение, которое происходит, когда температура объекта почти сравнялась с температурой его окружения. Чтобы вам не показалось, что я уделяю охлаждению слишком много внимания, замечу, что экспоненциальная зависимость, проявляющаяся в этом законе Ньютона, имеет в науке множество аналогий в вопросах, часто очень далеких от охлаждения. И скоро, «стоя на плечах Ньютона», я вам такой пример продемонстрирую.

Первая важная особенность, которую мне надо отметить и о которой я до сих пор умалчивал, заключается в том, что молекулы в распределении Больцмана не просто лежат на своих энергетических «полках»: они непрестанно перемещаются между доступными уровнями. Как будто, скажем, том Диккенса вдруг свалился на самую нижнюю полку, потеснив с нее Троллопа, и тот перескочил на место Диккенса наверху. При этом распределение в целом осталось больцмановским, – просто молекулы непрерывно мигрируют с уровня на уровень. В потаенном мире атомов все пребывает в постоянном движении, миграции и перераспределении. Получается – и это очень важный момент, – что распределение Больцмана образует подвижный живой организм, пульсирующий внутренними изменениями. Это наиболее вероятная форма распределения в непрестанно изменяющемся, текучем тайном мире. За спокойствием и постоянством, которые видит внешний наблюдатель, скрываются бури, бушующие внутри.

Вторая особенность – это скорость, с которой каждая отдельная молекула прыгает между уровнями в результате всей этой толкотни. Эта скорость может изменяться в широких пределах: некоторые молекулы целую вечность прохлаждаются на одном и том же уровне, а потом вдруг начинают быстро метаться, перескакивая с одного уровня на другой. Надо представлять себе это так: каждая молекула занимает тот или иной энергетический уровень в течение различных интервалов времени – в среднем это малая доля секунды, – а затем продолжает движение между уровнями. Принципиальный момент заключается в том, что поведение каждой индивидуальной молекулы (а конкретно, ее время жизни в данном состоянии) полностью независимо от того, что делают остальные молекулы: каждая молекула – остров.

Представим себе теперь, что мы соединили вместе два объекта (железо A и воду B). Перераспределение молекул происходит так, как я описал; но теперь нам необходимо внести в обсуждение такую особенность: индивидуальные молекулы мигрируют с одной и той же средней скоростью. Среднее количество молекул, которые совершают прыжок на другой уровень за данный промежуток времени, зависит как от их средней продолжительности жизни на данном уровне (чем она короче, тем больше молекул перепрыгнет на другой уровень в конце временного промежутка), так и от количества молекул, готовых к прыжку (чем оно больше, тем больше их перепрыгнет на другой уровень на протяжении временного промежутка). Следовательно, скорость, с которой население какого-либо уровня перепрыгнет на другие уровни, зависит от средней продолжительности жизни на данном уровне (чем она короче, тем быстрее произойдет перепрыгивание) и от населенности уровня (чем быстрее она изменяется, тем больше молекул готово к прыжку). Здесь мы подходим к критическому моменту нашего изложения. Когда A гораздо горячее, чем B, на высоких энергетических уровнях множество молекул выстраиваются в очередь на перераспределение, и поэтому оно произойдет быстро. Когда температуры почти одинаковы, перераспределение необходимо пройти лишь небольшому числу молекул, поэтому оно пойдет медленно. Короче говоря, скорость перераспределения пропорциональна разности распределений. И если мы вспомним, что распределения зависят от температур, то получим, что скорость изменения температуры пропорциональна разности температур между двумя объектами. Эта пропорциональность означает, что охлаждение происходит экспоненциально, что и составляет содержание ньютоновского закона охлаждения.

Критический момент заключается в том, что если молекулам разрешается прыгать между уровнями без ограничений, то в результате мы получаем закон экспоненциального затухания. Анархия в очередной раз породила закон. Экспоненциальное затухание (а в некоторых случаях и экспоненциальный рост) – явление, обычное в физике и химии. Все варианты его проявления основываются на анархическом поведении индивидуальных элементов, которые претерпевают изменения случайно и независимо от того, что происходит с другими элементами.

Одним из важных примеров является закон радиоактивного распада, согласно которому активность радиоактивного изотопа экспоненциально затухает с течением времени [31]. Радиоактивность объясняется фрагментацией атомных ядер (например, когда ядро испускает альфа- или бета-частицу), внутренним коллапсом ядра с испусканием гамма-фотона или комбинацией этих процессов. При этом каждое ядро имеет постоянную вероятность фрагментации за данный промежуток времени, независимо от того, что в этот момент происходит с соседним ядром. Поэтому в результате мы получаем экспоненциальное затухание.

Например, ядро углерода-14 (ядро углерода с шестью протонами и восемью нейтронами вместо обычных шести нейтронов) в каждую секунду имеет некоторую вероятность излучить бета-частицу – быстрый электрон (эта вероятность, как известно, равна одному шансу на 250 миллиардов – вам придется довольно долго ждать, прежде чем вы убедитесь, что данное ядро испустило бета-частицу). Эта индивидуальная вероятность распада одинакова для всех ядер углерода-14 в данном образце и независима от внешних условий, а также и от того, что происходит с соседним ядром. Она определяется только деталями связи компонентов ядра посредством сил, действующих между этими компонентами. Как только бета-частица испущена, ядро (в случае углерода-14 оно превращается в ядро азота-14 с семью протонами и семью нейтронами) теряет свою активность и прекращает испускать излучение. Получается, что общая скорость, с которой все ядра в образце излучают бета-частицы, уменьшается со временем, причем число ядер, распадающихся за любой данный период времени, пропорционально числу ядер, способных распасться. Изначально общая скорость распада высока, но по мере того, как распадается все больше ядер, скорость распада снижается, в точности как это происходит с разностью температур в ньютоновском случае, и скорость радиоактивного распада экспоненциально затухает.

Из закона радиоактивного распада вытекают важные следствия. Положительное следствие заключается в возможности использовать этот закон для определения возраста органических артефактов методом радиоуглеродного датирования, основанного на том, что относительное обилие углерода-14 и углерода-12 (обычного, устойчивого изотопа) изменяется со временем экспоненциально. Менее благоприятным является медленный распад многих радиоактивных изотопов, в особенности образовавшихся в качестве отходов процесса ядерного распада в атомных электростанциях и при ядерных взрывах. Можно вывести математическое следствие экспоненциального распада: для того, чтобы распалась половина имеющегося количества радиоактивного изотопа, всегда будет требоваться одно и то же время, каково бы ни было начальное количество вещества. Сначала распадется половина имеющегося количества, потом за то же время – половина оставшегося и т. д. Это время называется периодом полураспада данного изотопа (для углерода-14 это время составляет археологически удобную величину в 5730 лет). Хотя интенсивно распадающиеся радиоактивные изотопы могут иметь период полураспада в доли секунды, некоторые периоды полураспада измеряются годами и даже тысячелетиями. С этим мы сделать ничего не можем, разве что с помощью еще одного ядерного процесса превратить один изотоп в другой, более короткоживущий.

* * *

Эта глава заняла много места, и нам опять не помешает краткое резюме. Я доказал, что в огромном большинстве ситуаций наиболее вероятным исходом случайного распределения молекул по доступным им энергетическим уровням (с учетом ограничений, налагаемых законом сохранения энергии) является распределение Больцмана, динамическое распределение населенностей, зависящее от одного универсального параметра: температуры. Такое описание согласуется с обычным пониманием температуры и помогает объяснить, почему вещество устойчиво при нормальных условиях, но когда температура повышается, оно начинает трансформироваться в различные субстанции. Я также показал, что если на индивидуальные, независимые молекулы не наложено никаких ограничений и они, каждая в отдельности, ведут себя случайным образом, мы в результате получаем широко распространенный в Природе тип поведения – экспоненциальное затухание. Это обсуждение привело нас к объяснению двух законов природы: ньютоновского закона охлаждения и закона радиоактивного распада.

Бездействие и анархия во время нашего обсуждения то и дело высовывались то из одного, то из другого угла. Ведь именно они (через механизмы квантовой механики) ответственны за существование энергетических уровней. Подробности вывода распределения Больцмана определяются основанным на принципе бездействия законом сохранения энергии и анархически случайным распределением молекул по их энергетическим уровням. Скорость, с которой происходит выравнивание температуры и множество других процессов подобного типа, также определяется анархией поведения ансамбля индивидуальных частиц, бессознательно объединяющихся с целью создания закона, – или, скорее, случайным образом его порождая.

5

За пределами анархии

Почему все происходит

Я уже говорил в главе 4, что «термодинамисты» – люди, которые изучают и применяют термодинамику, – приходят в восторг, когда ничего не происходит. Если же, к их глубокому огорчению, что-то все же происходит, они утешаются, отмечая, что в результате все неизбежно становится только хуже. Именно это наблюдение, – что все может идти только хуже, – и составляет второe начало термодинамики, один из моих любимых законов природы. Конечно, в науке эта популистская формулировка наряжена в формальные одежды и усилена посредством выражения тех же наблюдений в более точной и математизированной форме, но суть остается той же: все ухудшается. В качестве еще одного предварительного замечания я также упоминал, что каждый закон термодинамики вводит какую-то новую величину, связанную с энергией и различными аспектами ее превращений: так, появившееся с опозданием нулевое начало принесло понятие температуры, а первый закон ввел саму энергию. Второй закон, или второе начало, вводит третью основную величину – энтропию. Здесь я ставлю себе целью показать, что второе начало термодинамики – еще одно проявление бездействия и анархии и что свойства энтропии объясняют возникновение в нашем мире иногда очень тонких и изысканных структур, событий и мнений.

Итак, все ухудшается. Я должен основательно разобрать сейчас это утверждение и развить его настолько, чтобы вы увидели, как именно оно позволяет, а в действительности и обуславливает возникновение изысканности. Замечание насчет всеобщего ухудшения – это, конечно, немного шутливая интерпретация строгой формулировки второго начала, которая на деле звучит так: в любом спонтанном процессе энтропия изолированной системы стремится к возрастанию. В этой более лаконичной и четкой формуле есть несколько терминов, которые я еще должен вам объяснить, но вы не должны допустить, чтобы они затуманили общее впечатление от содержания этого закона – а оно состоит в том, что Вселенная неуклонно и безостановочно движется в сторону ухудшения.

Объяснить же мне придется – надеюсь, я это сделаю без чрезмерного занудства – такие выражения, как «спонтанный процесс», «изолированная система» и, конечно, само слово «энтропия». «Спонтанный процесс» – это событие, которое может происходить без внешнего вмешательства, без подталкивания и приведения в действие извне; это естественное изменение, как вода, бегущая вниз по склону, или газ, расширяющийся в вакууме. «Спонтанный» не значит «быстрый»: некоторые процессы могут быть спонтанными, но разворачиваться годами или даже миллиардами лет, как медленно стекающая вниз смола или движение ледников. А другие спонтанные процессы могут заканчиваться в мгновение ока, как расширение газа в вакууме. В этом контексте спонтанность сводится к тенденции, к направлению развития процесса, а не к скорости реализации этой тенденции.

Слово «энтропия» происходит от греческого «уворачиваться», «поворачивать». Этот термин ввел в обиход в 1856 году немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822–1888), о котором мы ниже еще поговорим. Энтропия есть мера – причем точно определяемая – беспорядка: грубо говоря, чем больше беспорядок, тем больше энтропия. Несколько ученых предложили фактическое количественное определение энтропии; в их числе был и Больцман, герой главы 4. Его формула для выражения энтропии как меры беспорядка – только не путайте ее с формулой распределения Больцмана – выгравирована на могильном камне Больцмана в Вене[32]. Нам она сейчас не понадобится: здесь меня интересуют интерпретации, а не уравнения. «Возросший беспорядок» обычно легко идентифицировать, но подчас он рядится в одежды, которые незаметно вводят нас в заблуждение. Примеры этого я приведу позже.

Наконец, «изолированная система» – это часть мира, которая может нас интересовать («система»), но такая часть, которая отрезана от всех взаимодействий со своим окружением. Ни энергия, ни вещество не могут ни покидать изолированную систему, ни поступать в нее. Внутреннее наполнение такой системы должно быть непрозрачным (чтобы излучение не могло ни войти в нее, ни выйти наружу), жестким (чтобы энергия не могла быть использована для производства работы расширения), герметизированным (чтобы не позволить веществу поступать в систему или покидать ее) и заключенным в вакуумную колбу (чтобы не позволить энергии поступать в систему или уходить из нее в виде теплоты). В применении второго начала термодинамики концепция изолированной системы играет критическую роль. В самом широком смысле вся Вселенная представляет собой изолированную систему (или мы принимаем ее за такую). Но вы должны знать, что термодинамисты могут проявлять скромность и мыслить не столь масштабно – для них вся Вселенная может заключаться во фляжке, закупоренной пробкой и погруженной в водяную баню.

Продолжая мой рассказ о втором начале и показывая вам, как потеря формы может породить форму, служить основой для торжественного шествия эволюции и обуславливать возникновение и отвратительного, и изысканного, я должен прежде всего добиться, чтобы вы приняли как данность: у вещества и энергии есть естественная склонность к беспорядку. Здесь существуют глубокие вопросы, к которым мне надо будет еще вернуться, но пока что, надеюсь, вы можете принять как очевидное: если атомы и молекулы способны бродить по своей воле, – а это значит, что ничто не направляет их движения в какую-то определенную сторону и ничто не заставляет их объединяться каким-то определенным образом, – тогда гораздо более вероятно, что любая структура разрушится и перейдет в состояние беспорядка, чем что беспорядок сам собой соберется в структуру. Таким образом, гораздо вероятнее, что молекулы газа, выпущенные в угол контейнера, распространятся по всему объему контейнера, чем что молекулы газа, равномерно заполняющие контейнер, без всякого внешнего вмешательства набьются в один его угол. Конечно, вы могли бы затолкать их в этот угол с помощью какого-нибудь устройства с поршнем, но это и было бы внешним вмешательством, запрещенным в изолированной системе. Подобным же образом гораздо более вероятно, что энергия бурно вибрирующих атомов в горячем железном бруске передастся соседним атомам окружaющей брусок среды и рассеется в ней, чем что случайные столкновения внешних молекул среды приведут к накоплению энергии в бруске, и он нагреется за счет своего более холодного окружения. Опять-таки, вы могли бы, конечно, изловчиться и придумать способ нагреть брусок, используя энергию его окружения, но все такие уловки являются внешним вторжением, а это в изолированной системе запрещено.

* * *

Итак, для вещества и энергии направлением естественного изменения является беспорядочное рассеяние, не связанное никакими законами, кроме всемогущего, порожденного бездействием, закона сохранения энергии. Эту мысль можно выразить и иначе: хотя количество энергии во Вселенной остается неизменным, ее качество имеет тенденцию к ухудшению. Энергия, сконцентрированная в одном месте, обладает высоким качеством в том смысле, что она может быть использована для производства множества вещей (представьте себе, к примеру, литр бензина); освобожденная и рассеянная (например в результате сгорания), эта энергия по-прежнему где-то существует, но теперь она уже гораздо менее полезна. Газ, находящийся в цилиндре под высоким давлением, несет запас локализованной высококачественной энергии, ведь его молекулы с большой скоростью носятся в замкнутом объеме пространства. Но это качество упадет, если выпустить газ из цилиндра и дать энергии его молекул рассеяться. В этом вся суть термодинамики: количество энергии сохраняется, но ее качество ухудшается.

Энтропия просто-напросто есть мера этого качества – причем высокая энтропия соответствует низкому качеству. Энтропия горючего низка, тогда как энтропия продуктов его сгорания высока. Энтропия сжатого газа низка, но после того, как он разлетелся в разные стороны, его энтропия повысилась. Поэтому формула «количество сохраняется, качество падает» превращается в «энергия сохраняется, энтропия растет». Подобным же образом шуточное определение «дела идут все хуже» превращается в более формальное «энтропия стремится к увеличению».

Когда в 1850-х понятие энтропии вошло в научный обиход, все были изрядно озадачены его происхождением. Ученых Викторианской эпохи вполне устраивало постоянство энергии: ведь (как им казалось) ей и не надо было откуда-то появляться с тех пор, как Создатель обеспечил Вселенную таким ее количеством, которого, по Его мнению и согласно Его бесконечной мудрости, как раз достаточно для вечного удовлетворения всех наших потребностей. А вот энтропия, казалось, появилась ниоткуда. Неужели акт Творения все еще продолжается? Неужели существует таинственный, глубокий и неистощимый колодец с энтропией, которая понемногу заливает все сущее, становясь доступной нашему восприятию со скоростью, отмеренной все тем же бесконечно мудрым Создателем? На выручку этому приемлемому в рамках культуры, но упрощенному представлению о природе вещей, как и во множестве других случаев, пришла наука в форме молекулярного понимания энтропии.

* * *

Когда и где ни происходили бы изменения, беспорядок во Вселенной увеличивается, качество ее энергии деградирует, ее энтропия растет. Забавно, что взаимосвязь событий в мире настолько велика, что эта деградация не выливается в космически однородное и равномерное сползание в хаос, в общий распад всех структур, в глобальное рассеяние энергии, в расплывание всей материи в вязкую слизь. Кое-где могут возникать местные очаги уменьшения хаоса – взять хоть нас самих. Единственное, чего требует второе начало, – это чтобы полная энтропия изолированной системы (всей Вселенной или любой ее изолированной части, такой, например, как наша маленькая фляжка на водяной бане) возрастала при спонтанных изменениях. Но при общем возрастании хаоса на отдельных участках энтропия может и уменьшаться, а структуры – появляться.

Разберем немного подробнее, что это значит. Рассмотрим двигатель внутреннего сгорания. Горючее – это компактный запас концентрированной энергии. Когда оно горит, его молекулы дробятся на части (если это углеводород, мы получаем множество молекул двуокиси углерода и воды) и разлетаются в разные стороны. Энергия, высвобожденная в процессе горения, распространяется в окружающем пространстве. Механизмы двигателя, состоящие из поршней и шестеренок, предназначены для того, чтобы отвечать на это рассеивание и распространение, по сути, чтобы ловить разлетающиеся молекулы и отбирать у них энергию. Двигатель может оказаться частью подъемного крана, используемого при строительстве собора и поднимающего бетонные блоки для их установки на высоте. Таким образом, процессы рассеяния энергии, происходящие в двигателе, помогают возникновению структур. Вселенная в целом становится более хаотической, но здесь, в месте строительства собора, возникает упорядоченная структура. В целом беспорядок возрастает, но локально это требование может быть смягчено.

Образование порядка, вызванное увеличением беспорядка, мы видим на каждом шагу. Часто выстраиваются цепочки таких связей: рост беспорядка приводит в каком-то месте к возникновению порядка, который затем разрушается, порождая порядок в другом месте. Но в этих цепочках событий главным остается одно: беспорядка, создавшегося в каком-либо месте, всегда оказывается больше, чем беспорядка, в результате уничтоженного где бы то ни было. Разрушение беспорядка есть рождение порядка.

Солнце – великий рассеиватель энергии. Посредством цепочек таких рассеиваний на Земле происходят разнообразные процессы и события, в том числе и эволюция всего живого. Термоядерный синтез, происходящий внутри Солнца, высвобождает энергию, рассеивающуюся в пространстве. Крошечную часть этой энергии перехватывает зеленая растительность Земли и использует ее для строительства органических структур. В этом случае находящиеся в хаотическом беспорядке начальные материалы – это двуокись углерода и вода, а высокоорганизованные структуры, порожденные в результате, – это углеводороды, которые покрывают суровую литосферу благожелательной ко всему живому биосферой. Органические структуры: травка, деревья и все такое прочее, и все это цветет и пахнет, – но стоит Солнцу погаснуть, и никакая травка не спасет Солнечную систему от хаоса.

Растения – пища животных. Пища – это горючее двигателей внутреннего сгорания в наших телах и в телах других животных. «Сгорание» пищи – процесс гораздо более сложный и тонкий, чем горение топлива в двигателях, ведь внутри нас физически ничего не горит. Но аналогия все же очень близкая. В процессе пищеварения сложные органические молекулы разлагаются на простые составляющие, в том числе на двуокись углерода и воду, и при этом выделяется энергия. В организмах нет приводов и зубчатых шестеренок, но метаболические процессы внутри них (внутри нас!) представляют собой близкие органические аналогии шестеренок – они передают организующую силу исходного пищеварительного процесса в места, аналогичные кранам. Там из аминокислот, молекулярных строительных кирпичиков Природы, составляются структуры, которые мы называем белками, – крошечные молекулярные соборы. Так происходит рост организмов. В целом при расщеплении пищи беспорядок усиливается, но биохимические процессы в организме реагируют на это рассредоточение так же, как двигатели реагируют на сгорание топлива, – и в результате появляются структуры, в том числе и мы. Как я уже отмечал, мы просто локальные случаи отклонений от беспорядка; мы – дети хаоса.

Но не только вы и я обязаны своим существованием росту всеобщего беспорядка. Вся экосистема в целом является производной беспорядка и следствием хаоса. Ни один организм не может быть островом. Естественный отбор – это чрезвычайно сложный и вызывающий восхищение способ приспособления ко второму закону термодинамики. Биосфера – это невероятное переплетение взаимосвязанных сущностей, подпитывающих друг друга, чтобы наиболее эффективно «прожить» те средства, которые дает процесс пищеварения. Горючее – съеденная пища – достается трудно, но при этом необходимо для выживания и дальнейшего распространения: ведь жизнь есть структура, которую надо поддерживать путем увеличения беспорядка во Вселенной. Живые существа просто не могут избежать того, чтобы жить за счет друг друга. Следствием этого является и естественный отбор, и его результат – эволюция.

В мире все еще остается немало тех, кто не может в своем представлении примирить всеобщее стремление к беспорядку, которое согласно второму началу термодинамики является движущей силой всех перемен, с возникновением сложнейшим образом организованных структур – организмов. Эти люди не понимают, как структуры могут порождаться рассеянием. Разрешение этой трудности заключается в пункте, который я уже несколько раз подчеркивал: единственная необходимость состоит в том, чтобы общий беспорядок увеличивался. Связанные друг с другом, как одно событие может быть связано с другим, локальные участки растущего беспорядка (сжигание топлива, поедание антилопы, мириады других возможностей, включая такой утонченно цивилизованный способ производства беспорядка, как званый обед) могут заставить другие участки Вселенной перейти от беспорядка к порядку. Все, что для этого необходимо, кроме, конечно, самого механизма связи двух участков, – это чтобы общий рост беспорядка перевешивал бы уменьшение беспорядка – ведь в общем итоге беспорядок обязательно должен расти. Бесчисленное количество различных процессов служит примерами этой взаимосвязи, встроенной во второе начало; эволюция путем естественного отбора из них, быть может, просто процесс наиболее головокружительный.

* * *

Я в основном сосредоточился на организмах, так как именно в них второе начало проявляется наиболее ярко и, возможно, неожиданно. Но существует множество других, чисто неорганических и вполне технических проявлений этого закона. Большинство приложений второго начала в технике исходит не из надгробной формулы Больцмана для энтропии, а из альтернативного выражения, предложенного в 1850 году Клаузиусом. Незнакомый с молекулярной интерпретацией энтропии, он предложил на первый взгляд относящееся совершенно к другой области выражение для изменения энтропии, сопровождающего некоторый процесс, в терминах наблюдаемых величин (в отличие от беспорядочного рассеяния энергии и молекул). Он предложил вычислять изменение энтропии, отслеживая, сколько энергии перешло в виде теплоты в систему или из нее, и деля результат на температуру, при которой этот перенос энергии произошел[33].

Клаузиус не связывал результаты своих вычислений с беспорядком, но мы можем это сделать. Перенос энергии в виде тепла связан со случайной толкотней соседних молекул – например, с мечущимися молекулами в горящем факеле или интенсивно вибрирующими атомами в электронагревательной спирали. Эта толкотня приводит молекулы в рассматриваемой системе в состояние беспорядочного движения и тем самым увеличивает ее энтропию. Пока все хорошо – перенос энергии в виде тепла ведет к росту энтропии. Но какую роль здесь играет температура? Мне нравится аналогия с чиханием на шумной улице и в зале библиотеки. Людная улица – аналог горячего объекта, здесь повсюду тепловая сутолока. Тихая библиотечная комната – аналог холодного объекта, атомы которого толкаются не очень активно. Чихание – аналог впрыскивания энергии в виде тепла. Когда вы чихаете на шумной улице, рост беспорядка относительно невелик. Когда вы делаете это в тихой библиотеке, рост беспорядка значителен. Так обстоит дело и с определением Клаузиуса: энергия, переданная в виде теплоты горячему объекту, незначительно увеличивает беспорядок, поэтому изменение энтропии довольно мало. Когда то же количество энергии передается в виде теплоты объекту холодному, изменение энтропии велико. Температура в формуле Клаузиуса – аналог различия между улицей и библиотекой.

Подход Клаузиуса также позволяет включить в рассмотрение очень важный результат, полученный на заре развития термодинамики французским инженером Сади Карно (1796–1832). Работа Карно пролежала незамеченной несколько десятилетий – сделанные в ней выводы выглядели слишком необычно и не вязались со здравым смыслом инженеров того времени. Карно доказывал (применяя при этом концепции, сегодня признанные неверными, например, рассматривая теплоту как «теплород», неощутимую и невесомую жидкость, которая, «протекая» сквозь двигатель, генерировала работу, будто вертела гребные колеса парохода), что эффективность идеальной паровой машины зависит только от температуры горячего источника пара, от которого поступает энергия в виде тепла, и от температуры холодного теплоприемника, в который энергия выпускается [34]. Он показал – и это, возможно, было еще более замечательно, – что эффективность (коэффициент полезного действия) не зависит от типа рабочего вещества (обычно пара) и его давления.

Результат Карно не является новым законом природы, но он иллюстрирует, как один из таких законов – в данном случае второй закон термодинамики – может расширить сферу своего действия и распространиться на все виды поведения вещества. Вот доказательство. Представим себе двигатель в виде машины, которая состоит из горячего источника энергии, холодного теплоприемника, куда энергия может поступать, и находящегося между ними устройства, где энергия используется для выполнения работы (можно представить такой двигатель как разновидность турбины). Теперь представим, что некоторое количество энергии в виде тепла подается из горячего источника. Энтропия источника падает, но, так как температура высока, по формуле Клаузиуса это падение оказывается не слишком большим (горячий источник похож на шумную улицу). Извлеченная энергия превращается в работу с помощью некоторого механического устройства. Здесь вы должны заметить, что не вся энергия может быть превращена в работу, – иначе никаких дальнейших изменений энтропии не произошло бы, и общая энтропия уменьшилась бы. А в этом случае двигатель не смог бы работать, так как, чтобы произошло естественное изменение, энтропия должна увеличиться.

Чтобы двигатель заработал, некоторое количество энергии, выкачанной из горячего источника, должно быть сброшено в холодный теплоприемник (им может быть атмосфера или река). Впрыскивание энергии в виде тепла в холодный теплоприемник увеличит его энтропию. Даже малое количество впрыснутой энергии будет иметь большое влияние на энтропию теплоприемника, так как температура последнего низка (он похож на тихую библиотеку). Но сколько энергии вы должны сбросить таким образом, лишившись тем самым возможности использовать ее для производства работы?

Двигатель может выполнить максимальное количество работы, если вы сбросите наименьшее возможное количество энергии. Этого наименьшего количества должно быть достаточно, чтобы увеличить энтропию холодного теплоприемника ровно настолько, чтобы перекрыть ее уменьшение из-за выкачивания энергии из горячего источника. Поскольку холодный теплоприемник имеет низкую температуру, большой рост энтропии будет получен даже в случае сброса в него малого количества энергии в виде тепла. Точное количество зависит от температур этих двух компонент, и ни от чего больше. Следствием этого является тот факт, что эффективность машины, зависящая от отношения количества сброшенной энергии к количеству энергии извлеченной, зависит только от двух значений температуры и не зависит ни от каких других деталей конструкции и функционирования двигателя. Для достижения максимальной эффективности (коэффициента полезного действия) вам нужен как можно более горячий источник тепла (чтобы уменьшение энтропии горячего источника было минимальным) и как можно более холодный теплоприемник (чтобы даже крошечная «потеря» энергии породила много энтропии). Вот к каким выводам пришел Карно в самом начале XIX столетия, встретив скептическую реакцию современников. Но он оказался прав.

Существует несколько альтернативных эквивалентных формулировок второго начала термодинамики, в которых энтропия не упоминается, но которые мы теперь можем понять в свете, проливаемом на них понятием энтропии и работой Карно. Я сейчас приведу две таких формулировки – обе они иллюстрируют один из моих любимых афоризмов, который принадлежит венгерскому биохимику Альберту Сент-Дьердьи (1893–1966). Он как-то обронил, что быть ученым значит видеть то, что видели все, но думать так, как не думал никто. Уильям Томсон (лорд Кельвин Ларгский, 1824–1907; этот титул, происходящий от названия реки Кельвин, которая течет недалеко от его лаборатории в Глазго, он принял в 1892 году) видел, как видели многие до него, что паровая машина не будет работать, если у нее нет холодного теплоприемника. Но он задумался об этом и в результате предложил для второго начала термодинамики «формулировку Кельвина», из которой сумел вывести всю остальную термодинамику[35]. Мы теперь знаем, в чем здесь дело: если у вас нет холодного теплоприемника, не будет и роста энтропии, а значит, ваша машина не заработает. Еще одним ученым, который думал о том, что он видит, был Рудольф Клаузиус, – как он заметил (я здесь фантазирую, это явный анахронизм), для того, чтобы машина заработала, в нее надо встроить холодильник. Точнее, он отметил то, что все знали, но над чем никто не задумался: тепло не потечет от холодного тела к более горячему, если для этого не произвести работу. Это наблюдение он развил в то, что мы теперь называем «формулировкой Клаузиуса» второго начала. Клаузиус, как и Кельвин, тоже построил на этой формулировке свою версию термодинамики[36]. И мы теперь знаем, в чем здесь дело: если энергия в виде тепла покидает холодный объект, происходит сильное уменьшение энтропии, а когда тепло поступает в горячий объект, рост энтропии мал. В целом энтропия уменьшается, и этот процесс не является спонтанным. Для того, чтобы это произошло, необходимо произвести работу: в машину должен быть встроен холодильник. Поток энергии от холодного объекта должен быть усилен посредством совершения работы, чтобы, когда эта энергия поступает в горячий объект, рост энтропии был бы достаточен для компенсации ее снижения в холодном объекте. Здесь стоит обратить внимание, как принадлежащие Кельвину и Клаузиусу две с виду различные формулировки закона природы сливаются в одну путем введения того, что изначально считалось чисто абстрактным утверждением, заявленным в терминах энтропии. Абстракция – необыкновенно мощный инструмент объединения, казалось бы, несопоставимого, средство достижения прогресса и извлечения смысла.

Вот еще один глубокий результат такого подхода, возможно, неожиданный, – еще один вызов здравому смыслу. Можно утверждать, что самой важной составной частью двигателя является вовсе не его хитроумная инженерная начинка, а естественное окружение: воздух или река. Как вы только что видели, изменения вызываются ростом энтропии, который в двигателе достигается переносом энергии в виде теплоты в холодный теплоприемник. Если такого роста не произойдет, машина работать не будет, поэтому ее важнейшей составной частью будет место, в котором происходит рост энтропии – естественная окружающая среда. Я исхожу из этого, чтобы прийти к выводу: рост энтропии должен произойти посредством получения энергии в виде тепла; эта энергия поступает от горячего источника, и после того, как турбина или поршень производят работу, отводится в теплоприемник. Однако это поступление энергии – процесс в некотором смысле вторичный: по сути, он работает против того, чего вы пытаетесь достичь. Ведь отъем энергии в виде тепла от горячего источника дает лишь малое снижение энтропии, что вовсе не помогает работе двигателя. Получается, что эффективность двигателя в действительности зависит от его окружающей среды, а горячий источник – это вторичное, хоть и необходимое зло.

Инженеры опираются на вывод, сделанный Карно, в попытках улучшить эффективность двигателей и расширить диапазон связанных с ними устройств, таких как холодильники и тепловые насосы. Все эти технические приложения основываются на описанном мной представлении о Природе, согласно которому Вселенная постепенно остывает и сползает в состояние хаоса, не имея никакого руководящего принципа, кроме лежащих глубоко в ее фундаменте и основанных на бездействии законов, – таких как закон сохранения энергии.

* * *

Вокруг тематики этой главы остается еще несколько невыясненных вопросов, и я сейчас разберу некоторые из них – те, что попадутся под руку. Например, вопрос о том, придет ли всему когда-нибудь конец. Когда до сознания создателей термодинамики дошла суть основанного на ней понимания естественных изменений, они были потрясены открывшейся перспективой конца мира и видением его «тепловой смерти». А это не просто изменение климата.

Тепловая смерть целой Вселенной наступает, когда беспорядок становится полным и всеобъемлющим. Можно предсказать, что в результате последних тепловых судорог Вселенной вся ее энергия деградирует до состояния хаотического теплового движения (на разговорном языке просто «перейдет в тепло»), и всякая возможность дальнейшего роста хаоса, а следовательно, и возможность дальнейшего естественного изменения, будет потеряна. Все наши структуры, процессы, достижения и стремления рассеются как дым, как будто их никогда и не было. И у второго начала термодинамики не будет никаких перспектив на получение второго шанса.

Таким вполне может оказаться наше далекое будущее – мир, лишенный каких бы то ни было признаков. Возможно, оно настанет не так скоро, как опасались те, кто его предсказал. Ведь теперь мы знаем, что Вселенная не просто конечная сфера – она расширяется, причем, по всей видимости, с ускорением. Каждый день в расширяющейся Вселенной остается все больше места для хаоса. Была высказана идея, что Вселенная в один прекрасный день может начать снова сжиматься к своему первоначальному «состоянию беременности», к бесконечно малому «первичному яйцу». Какой оказалась бы в этом случае траектория изменения энтропии, неясно, но сейчас такая перспектива больше не считается возможной (впрочем, мы можем и ошибаться, когда речь идет о временных масштабах в квадриллионы лет). Я уже говорил, что наши исследования Вселенной позволяют охватить промежуток всего в несколько миллиардов лет, а на значительно более длинных шкалах времени все может выглядеть совершенно иначе (вспомним хотя бы об упомянутой мною возможности циклического времени). Никто пока не знает даже как подступиться к этим вопросам.

А если зайти с противоположного конца – от начала времен? Можно ли что-нибудь сказать об энтропии, о мере беспорядка в тот момент? Если вы примете мою изначальную посылку – что при сотворении мира ничего особенного не произошло, – вы получите ответ на этот вопрос.

До начала времен (в этой Вселенной, или, возможно, в некой предшествовавшей ей начальной Протовселенной) не было абсолютно ничего. Это Ничто по необходимости было идеально однородным – ведь иначе оно уже не являлось бы Ничем. И если ничего особенного не произошло, когда Ничто обернулось чем-то, то эта идеальная однородность должна была бы сохраниться (как я и предположил). Моя мысль все время остается одной и той же: новорожденной Вселенной должна была достаться в наследство однородность первичного Ничего. Но в отсутствие какого-либо хаотического беспорядка начальная энтропия равнялась бы нулю.

Остальное – история. Буквально. С течением времени всю цепь явлений природы в глобальном, а не только в локальном, масштабе мы воспринимаем как развал и распад, как стремление к беспорядку. Возникли звезды и галактики. Появлялись и исчезали планеты и биосферы, сражались и гибли цивилизации. Возникло мышление, искусство и науки – уж здесь-то во всяком случае, и будем надеяться, что не только здесь; это была бы слишком большая роскошь. Мы находимся в эпицентре разворачивающегося на наших глазах акта Творения, посреди нарастающего мирового беспорядка, локальные ослабления которого мы называем признаками и продуктами цивилизации.

В это обсуждение вонзается, конечно, стрела времени. Неостановимо возрастающий прилив энтропии находится в скрытой связи с видимой необратимостью времени, которая обеспечивает нас будущим и не позволяет возвращаться в прошлое, чтобы его исправить. Все, что было вчера, относится к эре более низкой глобальной энтропии и недоступно для повторного посещения (чему во многих случаях можно только порадоваться). Поскольку существует время и поскольку все события неотвратимо сопровождаются ростом энтропии, нам доступно только будущее; прошлое остается недосягаемой историей, замершей навеки в своей непреложности. Да, рост энтропии и, в частности, локальное накопление экспериментальных данных о повторяющихся событиях с течением времени откладываются в нашей памяти и обогащают наш опыт, но в этом не следует видеть ничего особо таинственного, памятуя о том, что все происходит в рамках непрекращающегося, безостановочного погружения в хаос.

* * *

А может, и нет. За всем, что я здесь сказал о законах природы, скрывается тайна, о которой неправильно было бы умалчивать. Все фундаментальные законы природы оказываются симметричными по отношению к направлению хода времени. То есть в самой глубине своей Природа, по-видимому, ничего не знает о направлении хода времени, – хотя на поверхности, в рамках нашего опыта, она полностью о нем осведомлена. Законы природы либо вообще не содержат параметра времени, либо не включают в себя никаких указаний на его направление. Таким образом, либо результаты их действия полностью независимы от времени (как, например, у закона сохранения энергии), либо решения связанных с ними уравнений ведут себя одинаково при любом направлении времени. Примером может служить решение уравнений Ньютона для движения планеты: вы можете проследить ее орбиту в будущее, либо, просто изменив знак параметра времени, в прошлое. В самих уравнениях нет ничего, что требовало бы от вас двигаться во времени именно вперед. Так как же тот факт, что мы обречены двигаться только в будущее, согласуется с видимым безразличием Природы в отношении направления хода времени?

Больцман, суицидальный герой главы 4, имеет к этому вопросу некоторое отношение, но в несколько ином контексте, – хотя его вклад далеко не так неоспорим, как ему когда-то казалось. Больцман думал, что он доказал следующее: если имеется произвольная совокупность молекул, носящихся вокруг, подчиняясь законам, симметричным относительно времени, то, какие бы ни были их начальные положения и скорости, они в конце концов образуют наиболее случайное распределение. Он был уверен, таким образом, что показал: асимметрия времени вытекает из его симметрии просто как статистический результат действия законов, а не как следствие решения для индивидуальной молекулы. Он приписал направленность стрелы времени поведению толпы, а не индивида.

Чтобы понять смысл этого доказательства, представим себе шарик в одной из половин ящика. Шарик движется, отскакивая от стенок. Вероятность того, что движение приведет его назад в начальную точку, по крайней мере на долю секунды, очень велика. Рассмотрим теперь два таких шарика. Усложнение ситуации в том, что они могут столкнуться и отскочить друг от друга. Вполне правдоподобно, однако, что вы по-прежнему можете рассчитывать на мимолетное возвращение шариков в их исходное положение, хотя ждать этого, возможно, придется довольно долго и результат ожидания будет еще, к тому же, зависеть от точности, с которой вы определили «исходное положение». Вероятно и то, что вы сможете увидеть, как вернутся в исходное положение три шарика, даже четыре – правда, теперь пришлось бы ждать много лет, пока это произойдет. Но пусть теперь у вас сто шариков или даже тысяча – а может, триллионы? В принципе, и тогда могло бы случиться, что они все вернулись бы в исходное положение, но даже всего с сотней шариков вам, возможно, пришлось бы дожидаться этого в течение всего времени существования Вселенной. Таким образом, мы получаем практическую необратимость положений частиц, хотя она никак не присутствует в законах, определяющих траекторию каждой частицы.

Более фундаментальное решение может лежать еще глубже, в самой основе реальности. То, что мы воспринимаем как единую стрелу времени, может в действительности быть результатом сочетания двух стрел – статистической (больцмановской) и космологической. Космологическая стрела может оказаться несовместимой с идеей обратимости даже в принципе. Пока вы целую вечность слоняетесь вокруг вашей сотни шариков, вполглаза наблюдая за их перемещениями, Вселенная изменяется: она становится больше. Теперь не может быть и речи о возвращении в исходное состояние: в раздувающейся Вселенной пространство-время, в котором началось движение шариков и которое вы использовали для определения начального состояния системы, уже стало историей. Теперь даже в принципе вы не можете рассчитывать обнаружить шарики в их исходном состоянии, и чем дольше вы будете этого дожидаться, тем менее вероятным это будет становиться.

Итак, хотя законы природы, может быть, и обратимы во времени, их проявления в реальном мире сложных взаимодействий и выход на изменяющуюся космическую арену сделали их практически необратимыми. Пути назад нет.

* * *

Я рассмотрел три закона или начала термодинамики: нулевое (связанное с температурой), первое (с энергией) и второе (с энтропией). Есть и четвертый закон, который из-за поздно оформившегося нулевого известен как «третье начало термодинамики». Некоторые сомневаются, что оно действительно может считаться законом, – в отличие от остальных трех, оно не вводит в рассмотрение никаких новых физических свойств. Возможно, это показывает, что третье начало всего лишь дополняет и завершает остальные три, раз и навсегда подводя итог термодинамики.

Третий закон в форме, изначально предложенной немецким химиком Вальтером Нернстом (1864–1941) в 1905 году, – впрочем, при этом возникли небольшие споры о приоритете, – по существу утверждает, что абсолютного нуля невозможно достичь за конечное число шагов. Если бы вы находились в язвительно-мрачном расположении духа, вы могли бы перетолковать первое начало в виде признания, что ничего не происходит, второе – что если все-таки, может, что-то и происходит, то от этого только хуже, и третье – что, как ни крути, все равно ничего не выйдет. Формулировка Нернста напоминает формулировки второго начала, предложенные Кельвином и Клаузиусом, в том смысле, что она апеллирует к наблюдениям, а не к лежащему в их основе молекулярному объяснению. Более глубокое понимание было достигнуто в 1923 году, когда два американских химика, Джильберт Льюис (1875–1946) и Мерл Рэндалл (1888–1950), нашли способ выразить этот закон в молекулярных терминах. Их формулировка фактически утверждает, что все полностью кристаллизованные субстанции имеют одну и ту же энтропию при абсолютном нуле. На этих страницах я не смогу продемонстрировать, почему эти два утверждения, столь различные по формализму, практически идентичны, но, упрощенно говоря, это следует из того факта, что, так как все энтропии стремятся к одному и тому же значению, при приближении температуры к нулю требуется затратить все больше и больше работы, чтобы извлекать энергию в виде тепла, и бесконечное количество работы, чтобы извлечь всю энергию целиком и получить нулевую температуру [37].

Таким образом, все, что утверждает третье начало, – что все субстанции при абсолютном нуле имеют одинаковую энтропию. Какую именно, закон не сообщает. Однако больцмановская интерпретация энтропии как меры беспорядка дает ответ: нулевую. Поскольку субстанция представляет собой идеальный кристалл, все его молекулы или ионы образуют идеальные сомкнутые структуры, в которых невозможен никакой беспорядок, вызванный несовершенством кристаллической решетки или молекулой, оказавшейся не на своем месте. Так как температура нулевая, все молекулы находятся на самом низком возможном энергетическом уровне – следовательно, не может возникнуть никакого беспорядка из-за того, что одна молекула вибрирует сильнее, чем другая. Мы в царстве идеального порядка, а это подразумевает нулевую энтропию, что бы ни представляло собой само вещество. Неудивительно, что это состояние недостижимо!

Третье начало, очевидно, имеет значение для тех, кто стремится достичь очень низких температур и надеется получить при этих условиях удивительные физические результаты. Даже для обычных смертных, которые обитают в теплых лабораториях, этот закон очень важен: ведь тот факт, что энтропия равна нулю при определенных условиях, является отправной точкой для самых разнообразных термодинамических вычислений, в том числе численных предсказаний того, пойдет ли какая-либо химическая реакция или нет. В контексте этой книги такие вычисления вряд ли представляют большой интерес, но вам следует знать, что третье начало как бы довершает остальные три и делает их количественно более применимыми, чем они были бы сами по себе.

Я сказал «довершает остальные три» – но не может ли быть и пятого, шестого или еще какого-то начала термодинамики? Этого никто не знает, хотя некоторые упорно заявляли, что эти законы еще предстоит найти. Традиционная термодинамика, в частности второе начало, имеет дело и с тенденциями к изменениям, и с системами, находящимися в равновесии и не имеющими никакой тенденции к тому, чтобы испытать дальнейшие изменения. Представляют интерес формулировки версий термодинамики, построенных на скорости, с которой реализуется эта начальная тенденция, – такой как скорость производства энтропии в процессе, далеком от равновесия и стремящемся прочь от него. Таково живое человеческое тело, для которого равновесие – это смерть. Эти «динамические структуры» изучал родившийся в России бельгийский химик Илья Пригожин (1917–2003), что принесло ему в 1977 году Нобелевскую премию. Однако некоторые аспекты его работы, значение которой он видел в том, что детерминизм в природе мертв, остаются противоречивыми и для кого-то просто неприемлемыми – гораздо хуже анархии[38].

* * *

Я попытался показать, что Природа, предоставленная самой себе, постепенно ухудшается, но в ходе этого процесса порождает локальные отклонения от хаоса, которые могут быть очень изысканными. Второе начало термодинамики кратко формулирует эту тенденцию материи и энергии к рассеянию и дает нам глубокое понимание ненаправленной движущей силы, лежащей в основе всех природных явлений. Мне кажется совершенно необычайным, что такой простой повседневный принцип может объяснять все изменения. Я показал, что приложения этого принципа включают в себя эффективность двигателей, а посредством этого и всей экономики; однако в глубине его таится вопрос, почему симметричные относительно времени законы Природы в результате дают одностороннее направление стрелы времени. Второе начало – дитя анархии, но именно оно порождает смирение и удивление.

6

Творческая сила неведения

Как материя отвечает на изменения

Неведение – верный союзник бездействия и анархии. В этой главе я хочу показать, как можно творчески использовать незнание для достижения знания. Конкретный закон природы, который я хочу в этой связи осветить, изначально был одним из первых законов, нашедших количественное выражение, – это случилось, как только ученые начали осознавать, как важно описывать Природу с помощью чисел. Но понят этот закон был гораздо позже – только в конце XIX века. И родилось это понимание именно из неведения.

Закон, о котором мы говорим, касается структурно простейшей формы материи – газа. Его сформулировал Роберт Бойль (1627–1691), работавший в начале 1660-х в Оксфорде. Но француз сказал бы, что открыл этот закон Эдме Мариотт (1620–1684), и случилось это в 1679 году в Париже. А подробной разработке его подверг Жак Шарль (1746–1823), когда, как это часто случается, изучение Природы было стимулировано требованиями и возможностями технического прогресса – в данном случае растущим интересом к полетам на воздушных шарах. Сейчас формулировки этого закона представляют исторический интерес – как я уже сказал, они стали одними из первых попыток подытожить свойства вещества в виде количественных выражений, то есть способом, который позволял производить количественные подсчеты и делать предсказания. Кроме того, они легли в основу развития термодинамики и ее приложений к химическим и инженерным явлениям и процессам. В общем, они имеют большое фундаментальное и практическое значение.

Я уже привел краткую формулировку закона Бойля в главе 1 и теперь только в двух словах напомню его содержание. Бойль и независимо от него Мариотт – не забудем, что в те дни новости распространялись не спеша, – установили, что давление газа обратно пропорционально занимаемому им объему. Сократите объем, занимаемый газом, и его давление возрастет. Если вы с помощью поршня втиснете газ в половину его первоначального объема, его давление удвоится. В наши дни нам нетрудно дать качественное объяснение такому поведению газа в свете современного представления о нем как о рое молекул, непрестанно хаотически мечущихся в пустом пространстве. Когда газ сжимают, то же количество молекул размещается в меньшем объеме, но при этом они продолжают носиться с той же средней скоростью (ведь температура газа остается постоянной, а скорость молекул определяется именно температурой). Вследствие увеличения плотности молекул на протяжении того или иного интервала времени большее их число ударит в стенки контейнера. Сила, с которой молекулы воздействуют на стенки контейнера при соударении с ними, и ощущается как давление. Сила возрастает, а значит, растет давление. Проблема, однако, в том, чтобы найти количественное выражение этого закона, точное численное выражение отношения между давлением и объемом, при условии, что температура поддерживается на одном и том же уровне.

Шарль пошел несколько дальше – он выяснил, что происходит, если температуре тоже позволить изменяться. В те времена, в конце XIX века, первые воздушные полеты совершались на шарах, наполненных горячим воздухом. 19 сентября 1783 года в первый полет на построенном братьями Жозефом и Этьеном Монгольфье воздушном шаре, наполненном горячим воздухом, отправились перепуганные овца, утка и петух. Человек сделал свой первый, маленький и рискованный, но имевший огромное значение шаг в воздушный океан спустя несколько недель. Очень скоро небо завоевали шары, наполненные водородом, а вскоре после них и бытовым газом: последние были гораздо более доступны, но зато имели меньшую подъемную силу, и к тому же этот газ легко воспламенялся и был ядовит. Тем не менее они почти вытеснили шары с горячим воздухом, и только в 1950-х им на смену пришли современные баллоны, для наполнения которых использовался сжиженный пропан или бутан. Теперь исчезла необходимость иметь в корзине воздушного шара горелку для постоянного подогрева газа. Да и в полете воздушные шары с горячим воздухом могли оставаться только пока не будет израсходован весь тяжелый запас топлива для горелки. Но, независимо от типа воздушного шара, для его эксплуатации было очень важно знать, как температура влияет на свойства воздуха, а следовательно, и на грузоподъемность шара. У шаров с горячим воздухом подъемная тяга определялась пониженной плотностью их содержимого; подъемная сила газовых шаров зависела от температуры окружающего воздуха, которая меняется с высотой. Пионер-исследователь свойств газов Жозеф Гей-Люссак (1778–1850) со своим коллегой в 1804 году отважно поднялся на воздушном шаре на рекордную для того времени высоту 7016 метров, или 20 018 футов (точность этого измерения подозрительно высокая!), чтобы проанализировать изменения состава и свойств атмосферы с высотой.

Шарль, тоже один из первопроходцев воздушного океана, в результате ряда опытов установил закон, который мы сегодня называем законом Шарля: если поддерживать неизменный объем газа, то давление, создаваемое фиксированным его количеством, растет пропорционально его температуре. Удвойте температуру, и давление газа тоже удвоится. Однако здесь надо помнить, что в этом законе «температура» – это абсолютная температура, отсчитываемая по шкале Кельвина, о которой я рассказал в главе 4, а не по более искусственным шкалам Цельсия и Фаренгейта. Так что, если начальная температура газа 20 °C, надо перевести ее сначала в 293 K, а затем удвоить до 586 K (что соответствует 313 °C), – тогда удвоится и давление газа, но если удвоить 20 °C до скромных 40 °C, то не стоит ждать того же результата.

Законы Бойля и Шарля можно объединить в единый закон – закон совершенного газа. Сформулировать его можно так: давление газа обратно пропорционально его объему и прямо пропорционально его абсолютной температуре[39]. Этот закон называют еще законом идеального газа [40]. Он является универсальным в том смысле, что применим к любому газу, независимо от его химического состава, а также и к смесям газов, таким как воздух. Более того, математическая форма закона содержит всего одну фундаментальную постоянную, неизобретательно называемую газовой постоянной, и эта постоянная одна и та же для всех газов. По сути, газовая постоянная в скрытом виде уже встречалась нам в главе 4, поскольку на самом деле это замаскированная более фундаментальная постоянная Больцмана. Благодаря такой «маскировке» газовая постоянная может прокрадываться во многие другие выражения, не имеющие как будто никакого отношения к газам, – например в выражение для вычисления напряжения.

В главе 1 я ввел понятие «предельного закона» – закона, который становится все более и более надежным по мере того, как количество описываемой им субстанции уменьшается, и превращается в совершенно точный, когда она исчезает совсем. Закон идеального газа – как раз такой «предельный» закон, в том смысле, что он становится все более надежным по мере того, как давление газа понижается до нуля или, что эквивалентно, когда объем, занимаемый газом, стремится к бесконечности. Этот закон описывает «идеальную газовость», поведение, которое наблюдалось бы, если бы не существовало никаких усложняющих ситуацию обстоятельств. Например, молекулы газа на короткое время «слипаются» друг с другом вместо того, чтобы летать совершенно свободно. Или вдруг оказывается, что пространство, которое могла бы занять молекула во время своих хаотических метаний в объеме контейнера, уже занято другой молекулой. Если занимаемый газом объем очень велик, молекулы встречаются так редко (а если перейти к пределу, к бесконечному объему пространства между молекулами, то и вообще никогда), что они как бы перестают обращать внимание на присутствие друг друга. На практике это означает, что закон идеального газа идеально выполняется в пределе бесконечного объема или нулевого давления. Короче говоря, все газы точно следуют закону идеального газа, только когда их вообще нет.

Несмотря на последнее замечание, предельные законы далеко не бесполезны. Как и многие другие такие законы, закон идеального газа оказывается хорошей отправной точкой для исследования реальных систем, в данном случае всех газов в повседневных условиях, со всеми их индивидуальными особенностями и ограничениями, с необходимостью приспособления к более сложным вариантам их поведения. Это немного похоже на ситуацию, когда на карте прокладывают идеальный маршрут между двумя точками по прямой, – по такому маршруту, который дает хорошее начальное представление о путешествии, может лететь разве что ворона, а на практике вам придется добираться по окрестным дорогам, которые существуют в действительности. Прямая линия – это «предельный» маршрут в отсутствие различных помех ландшафта. Так и здесь – на практике оказывается, что закон идеального газа надежно работает при нормальных давлениях, встречающихся в реальной жизни, а отклонения от него придется принимать во внимание либо для очень точных работ, либо когда давление аномально высокое, либо когда температуры настолько низки, что газ вот-вот сконденсируется в жидкость. В действительности закон идеального газа имеет огромное значение потому, что на нем основан весь формализм термодинамики и ее приложений. Какое бы выражение вам ни понадобилось записать, начинать придется именно с него.

Все «предельные законы» в науке выражают некоторую «идеальную сущность» определенной физической величины, и все служат разумной и полезной точкой отсчета для описания более сложных случаев поведения. Те из них, о которых я часто думаю, но сейчас только кратко упомяну, касаются свойств смесей жидкостей и воздействия растворенных субстанций на свойства растворителей. Большинство этих законов было установлено еще на заре химической науки; они носят имена своих открывателей, в числе которых английский химик Уильям Генри (1774–1836), занимавшийся растворимостью газов в жидкостях – например, при производстве содовой воды и шампанского или в случаях кессонной болезни у ныряльщиков. Или французский химик Франсуа-Мари Рауль (1830–1901), который изучал воздействие растворенного вещества на свойства раствора, – например, влияние соли в растворе на точку замерзания воды. Или голландский химик Якоб Вант-Гофф (1852–1911), исследовавший столь важное для жизни свойство осмоса (это слово происходит от греческого «толчок»), способности раствора прокладывать себе путь сквозь мембрану. Это свойство, помимо всего прочего, поддерживает жизнь и питание биологических клеток, спасает растения от увядания и обеспечивает деревья питательными веществами [41]. Если не считать того, что эти законы иллюстрируют легкость, с которой ранняя академическая пташка может склевать червячка бессмертия, стоит только вовремя заметить простую систематичность в поведении материи, – да еще, быть может, свидетельствуют о вдохновляющей роли международного сотрудничества в научных исследованиях, ни один из них не имеет прямого отношения к нашему текущему обсуждению. Да и вообще, они имеют значение только для специалистов по физической химии, вроде меня. Происхождение всех этих трех законов можно проследить вплоть до анархического обрушения в хаос, выражаемого вторым началом термодинамики. Если совсем коротко, то растения бы завяли, посевы засохли на корню, и мы с вами умерли бы, не будь этих простых следствий из второго начала. И тогда, после исчезновения всего живого, они и стали бы истинно предельными.

* * *

Однако пора оставить эти рассуждения и перейти к первоначальной и основной цели этой главы – к прояснению вопроса о том, как неведение усиливает роль бездействия и анархии в происхождении закона идеального газа. Вы уже знаете, что газ состоит из молекул в состоянии беспрерывного хаотического движения – они носятся туда-сюда, сталкиваясь друг с другом и разлетаясь уже в других направлениях и с другими скоростями. Мы с вами даже при самой тихой погоде всегда находимся в сердце молекулярной бури, – поверхности наших тел непрерывно подвергаются яростной бомбардировке мириадами частиц, что в значительной степени и помогает этим поверхностям сохранять свою форму. Чтобы лучше представить себе масштабы этой беспорядочной толкотни молекул воздуха, вообразите, что они имеют размеры теннисного мяча, – тогда, прежде чем столкнуться с другим таким мячом, молекуле придется пролететь расстояние порядка размеров теннисного корта. И вся эта хаотическая активность происходит под управлением законов классической механики – царства бездействия и анархии.

Неведение, из которого должно возникнуть знание, – это полное отсутствие у нас каких-либо сведений о том, что в этом вихре беспрерывного движения мириад частиц происходит с отдельной молекулой. Хотя в давление вносит свой вклад каждое индивидуальное столкновение, нет никакой необходимости отслеживать траекторию каждой молекулы по отдельности. Подобно тому, как в социологии можно с разумной вероятностью предсказать поведение толпы, не отслеживая движений каждого человека в ней, описывая поведение состоящего из мириад молекул газа, мы можем уверенно пренебречь вкладом каждой индивидуальной молекулы – просто потому, что мы находимся относительно него в полном неведении. Как и социологи, мы постоим в сторонке и сфокусируемся не на каждом индивиде, а на толпе в целом.

Когда мы сделаем это и выполним все необходимые для описания роя частиц математические преобразования с использованием различных ньютоновских законов, мы и получим закон Бойля [42]. Вы можете подумать, что это очевидно и для такого вывода вовсе не требуется длинных математических выкладок. В некотором смысле это верно, но на деле математические результаты такого анализа идут гораздо дальше простого подтверждения закона Бойля: они показывают, как давление и объем газа совместно определяются различными его характеристиками, такими как масса его молекул и их средняя скорость. Эти зависимости нельзя было бы, по-видимому, вывести из наглядной интерпретации закона. Мы снова и снова убеждаемся в том, что применение математики проясняет смысл закона и что количественное описание качественной картины явления существенно обогащает его понимание.

* * *

А как насчет закона Шарля о пропорциональности давления газа его абсолютной температуре? Опять-таки, объяснить его нам поможет неведение в скрытом союзе с математикой.

Ключ к объяснению – связь между скоростью молекул и температурой. Роль скорости двояка. Если молекулы движутся быстро, больше их ударится об стенку за единицу времени, и ударяться они будут с большей силой. Следовательно, когда температура будет расти, давление газа будет увеличиваться по обеим причинам, – как из-за роста частоты соударений, так и из-за возрастания силы ударов. Известно (я скоро вернусь к этой теме), что средняя скорость молекул газа пропорциональна квадратному корню из температуры (абсолютной температуры!), а так как произведение двух квадратных корней из температуры дают саму температуру, мы получаем объяснение закона Шарля – давление газа пропорционально его температуре[43].

Нерешенным остается вопрос, почему средняя скорость молекул газа пропорциональна квадратному корню из температуры. Давайте сначала посмотрим, что это на практике означает для молекул воздуха. Их средняя скорость зависит от их массы – легкие молекулы (азот) при 20 °C несутся со скоростью 500 метров в секунду (1120 миль в час), а более тяжелые, такие как двуокись углерода, еле тащатся, делая всего 380 метров в секунду (850 миль в час). Эти цифры, вообще-то, дают представление и о другом физическом явлении: распространении звука. Скорость звука в воздухе на уровне моря около 340 метров в секунду (760 миль в час), что близко к этим молекулярным скоростям. Звук, по сути, является волной давления: молекулы воздуха коллективно изменяют свои положения, образуя пульсирующую волну. Скорость, с которой они способны это делать, зависит от скорости, с которой они способны двигаться. Поэтому неудивительно, что скорость звука сравнима со средней скоростью молекул. Нас, однако, интересует прежде всего зависимость скорости молекул от температуры, а так как их средняя скорость меняется как квадратный корень из температуры, легко подсчитать, что в прохладный день при 0 °C (273 K), по сравнению с теплым при 20 °C (298 K), она падает примерно на 4 процента.

Тот факт, что средняя скорость молекул пропорциональна квадратному корню из температуры, нуждается в объяснении, – дав его, мы сможем полностью понять и закон Шарля. Молекулы газа обладают только кинетической энергией, связанной с их движением, – бо`льшую часть времени они находятся так далеко друг от друга, что практически не взаимодействуют и поэтому не имеют потенциальной энергии, связанной с их относительными положениями. То, что скорость связана с кинетической энергией, энергией движения, дает нам способ вычисления средней скорости: оценим среднюю кинетическую энергию молекул и затем выразим через нее их среднюю скорость. В главе 4 вы видели, как Больцман вычислял средние значения физических величин: мы тогда воображали, как швыряем книги (молекулы) на полки (энергетические уровни), и определяли наиболее вероятный исход этого процесса без какого-либо прямого его отслеживания (разве что следя за тем, чтобы полная энергия имела фиксированное значение). Выполняя такую процедуру для газа, мы получаем выражение для средней кинетической энергии молекул, а из него и для их средней скорости. И действительно, эта скорость оказывается пропорциональной квадратному корню из температуры – именно так, как нужно, чтобы объяснить закон Шарля.

Но это, конечно, еще не все. Вы уже видели, что объединение законов Бойля и Шарля дает нам закон идеального газа, предельный закон, являющийся отправной точкой для многих приложений термодинамики. Теперь вы знаете, каково его происхождение: та его часть, которая связана с законом Бойля, вытекает из рассмотрения количества столкновений молекул газа, а та, что относится к закону Шарля, объясняется ролью скоростей молекул и их зависимости от температуры.

Надеюсь, вы оцените захватывающую глубину этого вывода. Из неведения – в данном случае из отсутствия каких-либо подробностей индивидуального поведения молекул – оказалось возможным извлечь закон природы: закон идеального газа. Попутно мы поняли смысл средней скорости молекул газа, а также и то, как она зависит от температуры и (хотя об этом я упоминаю только в разделе «Примечания») массы молекул, составляющих газ. Правильным образом организованное и примененное неведение может стать мощным орудием понимания.

* * *

Закон идеального газа – лишь один из малых законов природы, о которых я говорил в главе 1. Они, эти зависимые «внезаконы», напоминают плоды, свисающие с ветвей могучих деревьев – великих «внутренних законов». Может быть, есть и другие такие законы; после того, как мы вывели из бездействия и анархии основные материнские законы, законы малые появляются из неведения.

Вот еще один такой «внезакон» – закон Гука, который я тоже упоминал в главе 1. Роберт Гук (1635–1703) был одним из наделенных поистине творческим воображением мыслителей XVII века – времени, когда растерянность и запутанность человеческого мышления отступали перед поднимающимся приливом рационализма эпохи Просвещения. Идеи Гука питали гений Ньютона, но и его собственные достижения были велики. Закон Гука, как мы узнали еще в главе 1, состоит в том, что, когда вы растягиваете пружину, в ней возникает возвращающая упругая сила, пропорциональная величине растяжения. Растяните пружину на сантиметр от положения равновесия – она будет сопротивляться растяжению; теперь растяните ее вдвое дальше, и ее сопротивление возрастет вдвое[44]. Следствием этого закона, которое непосредственно вытекает из основанной на анархии ньютоновской механики, является то, что пружины, как и маятники, могут устойчиво колебаться, а следовательно, в этом мире, работающем как часы, можно с их помощью хранить время.

Закон Гука – еще один пример предельного закона, который точно выполняется только при условии, что никакого отклонения от положения равновесия нет. Он идеально точен для растянутых пружин, если только они не растянуты, и для качающихся маятников, если только они не качаются. Все пружины и все маятники отклоняются от этого закона при доступных измерению растяжениях и размахах, но неуклонно приближаются ко все более строгому соответствию ему по мере того, как растяжения и размахи стремятся к нулю. В большинстве случаев отклонения пренебрежимо малы: закон можно использовать для надежных предсказаний, а часы великолепно сохраняют точное время. Но растяните посильнее – и пружина, а с ней и закон, лопнет.

Где же в игру вступает неведение, чтобы объяснить собой закон Гука? Если бы вы ничего не знали о внешних факторах, то во всех ситуациях, в которых присутствует сила, противящаяся смещению, вы пришли бы к тому же выводу, что и Гук. Доказательство выглядит так. Подумайте о какой-либо величине, а затем о том, как она изменяется при изменении некоторого параметра. Под «параметром» я понимаю все, что вы можете подстраивать и регулировать, – растяжение пружины, угол отклонения маятника, длину межмолекулярной связи, давление, действующее на твердое тело, и т. д. В каждом из этих случаев может существовать какое-то свойство объекта, подвергающегося воздействию, которое зависит от величины этого воздействия и при нулевом воздействии достигает минимума или через него проходит. Например, этим свойством может быть энергия растягиваемой или сжимаемой пружины. Если бы вы представили себе график зависимости энергии пружины от величины воздействия, он выглядел бы как кривая, которая поднимается по обе стороны от положения нулевого воздействия. То есть энергия пружины растет, когда пружина либо растягивается, либо сжимается, и достигает минимума, когда она покоится. Если только в игру не вступает что-то очень странное, то, какими бы ни были свойство, на которое оказывается воздействие, и природа самого воздействия, все такие кривые одинаковым образом изменяются в обе стороны от своего значения при нулевом воздействии. В случае зависимости энергии пружины от ее смещения такое поведение в окрестности точки нулевого воздействия дает параболическую форму кривой, что и означает (согласно ньютоновской механике), что возвращающая сила пропорциональна смещению – в точности как утверждает закон Гука [45]. Таким образом, незнание того, как ведет себя сила, в результате дает нам знание того, как она скорее всего будет себя вести.

* * *

Я хотел бы вернуться к соображению, которое я высказал чуть выше, – о том, что закон Гука лежит в основе хранения мирового времени, или, по крайней мере, он выступал в роли основы, когда главной деталью больших часов был качающийся маятник, а маленьких наручных – осциллирующий балансир. Возможно ли установить связь между возвращающей силой, которая пропорциональна смещению, и регулярными осцилляциями, необходимыми для хранения времени, не решая для этого уравнений классической механики? Существует ли для явления регулярных осцилляций глубокое, возможно, непредвиденное, объяснение?

И в пространстве, и во времени регулярность предполагает лежащую в ее основе симметрию. Мы должны ее распознать. В данном случае в результате зависимости кинетической энергии от скорости (а следовательно, и от количества движения) качающегося грузика маятника и от его потенциальной энергии, когда грузик поднимается и падает под действием силы тяжести, имеет место регулярное перетекание энергии из одной ее формы в другую и обратно. Одна из этих форм, кинетическая энергия, зависит от квадрата количества движения; другая, потенциальная – от квадрата смещения [46]. Каждая из этих форм энергии подпитывает другую, и в результате мы получаем их регулярный обмен. Наблюдая качания маятника, мы замечаем, что он приостанавливается в поворотной точке полного размаха, где его кинетическая энергия обращается в нуль, но потенциальная энергия максимальна. В ходе ускорения груза маятника эта потенциальная энергия снова переходит в кинетическую. В краткий миг, когда нить маятника вертикальна, груз движется быстрее всего: всю свою потенциальную энергию он потерял, а кинетическая максимальна. Теперь уже кинетическая энергия начинает переходить в потенциальную, – груз замедляется, поднимаясь в свою высшую точку на другой стороне размаха. Симметрия этого перетекания энергии сохраняется независимо от амплитуды размаха, – маятник пульсирует, как сердце часов.

Чтобы поглубже проникнуть в суть этой симметрии, я хочу сделать одно замечание, но к нему понадобится небольшое вступление. Есть два способа смотреть на мир. Его можно описывать либо через положения предметов, либо через их количества движения (в главе 2 я ввел понятие количества движения как произведение массы на ускорение). До сих пор я описывал Ничто через положения: я говорил, что Ничто очевидным образом однородно – ведь невозможно представить себе холмы и впадины в абсолютной пустоте, это как минимум оксюморон. Однако представим себе, что мы сменили оптику и теперь смотрим на Ничто с точки зрения количества движения. Этот процесс вовсе не такой уж нелепый, каким может с первого взгляда показаться, – существуют методы исследования вещества, которые сводятся именно к этому. Таким путем, например, сделано множество великолепных открытий в биологии (таких, как определение структуры ДНК). Я имею в виду технику рентгеновской дифракции, когда пучок рентгеновских лучей проходит сквозь кристалл и рассеивается (а точнее, испытывает дифракцию) с образованием картины пятен, из которой можно извлечь информацию о пространственном распределении. Эти пятна по сути отражают структуру молекулы, рассматриваемую через призму количества движения[47].

Вероятно, вы согласитесь, что, когда вы рассматриваете Ничто через ваши новые очки, вы по-прежнему не увидите ничего. Это новое видение Ничего столь же однородно, как и прежнее, основанное на положениях. Раз это так, и если вы продолжаете соглашаться с тем, что при сотворении мира ничего особенного не произошло, тогда получается, что непосредственно после возникновения Вселенной она должна была оставаться однородной в смысле количества движения. Следствие этой однородности – независимость законов природы от скоростей чего бы то ни было. При условии, что наблюдатель и наблюдаемый объект движутся с одинаковой скоростью (так, что нам не надо беспокоиться об относительности), законы для них должны быть одинаковы. Например, качания маятника подчиняются одному и тому же закону, независимо от того, движутся ли часы, в которых установлен этот маятник, со скоростью 100 м/c или покоятся. (Отклонения появились бы, если бы часы находились в покое, а вы в движении, но это уже совсем другая история, здесь в игру вступает теория относительности: см. главу 9.)

Вселенная обладает глубокой симметрией, когда она описывается в терминах положений и количества движения. Эта симметрия проявляется в колебаниях маятника. Энергия качающегося маятника (а на самом деле любого осциллятора, например груза на конце пружины) состоит из двух эквивалентных частей, симметричных относительно пространства и количества движения. Когда маятник качается, энергия перетекает из его количества движения в смещение и обратно. Если вы снимете ваши повседневные очки и наденете другие, способные видеть количество движения, то поймете, что никакой разницы между этими способами видения не существует. Там, где раньше вы видели смещение, теперь вы увидите количество движения, и наоборот. Именно эта симметрия и лежит в основе ритмичных и непрестанных колебаний маятника, груза, подвешенного на пружине, или осцилляций часового маховика.

* * *

В этой главе неведение завело нас далеко, и вдруг оказалось, что, если оно направлено в верное русло, оно становится основой знания. Один из видов такого неведения – отсутствие знания о поведении индивидуальных сущностей. Оно вынуждает нас, подобно социологам, прибегать к оцениванию поведения толпы – в нашем случае молекул газа. В результате мы обнаруживаем, что газ подчиняется определенным законам, которые затем с большим успехом применяются к термодинамике. Затем мы столкнулись и с другим видом неведения, касающегося поведения сущностей, – я имею в виду не только маятники и пружины, но и многое другое. Будучи слегка смещенными из состояния покоя, все эти сущности, за исключением некоторых особых случаев, склонны вести себя одним и тем же характерным образом, и в этом проявляются законы, объясняющие такое их поведение. В качестве бонуса мы обнаруживаем, что в этом поведении проявляется еще одна глубокая симметрия Вселенной, которая порождена ее происхождением из однородного Ничего.

7

Атака легкой кавалерии

Законы электричества и магнетизма

Законы электричества и магнетизма играют в Природе особую роль – не только потому, что они лежат в основе нашего существования и строения, но и потому, что именно на них зиждется большая часть всех наших дел и развлечений. Живительная энергия Солнца приходит к нам в виде электромагнитного излучения. Там, куда попадают солнечные лучи, происходит фотосинтез [48], порождающий нашу биосферу, – благодаря ему неорганическая поверхность Земли покрывается лесами, лугами и прериями, а водные пространства наполняются водорослями. Та же жизненная сила населяет землю, воду и воздух подвижными организмами; в конечном счете именно она обеспечивает нас питанием, а питание пробуждает наши творческие силы и стремление к удовольствию. Если перейти на более фундаментальный уровень, то электромагнитные силы удерживают вместе атомы и молекулы. Они отвечают за существование всего многообразия форм осязаемой материи. Эти силы делают возможными перемещение и связь как на элементарных и повседневных, так и на самых изощренных уровнях – и в результате составляют неотъемлемую часть человеческой деятельности: развлечений, войн, торговли, борьбы за выживание, – одним словом, нашего существования.

Теперь я перейду к другому аспекту этих законов, связанному с объединением электричества и магнетизма в электромагнетизм. Унификация всех сил, описание их всех как проявлений единой материнской силы – сокровенная цель и мечта физики. Достижение этой цели, сейчас представляющееся нереально далеким, но тем более манящим, показало бы, что с виду разношерстное скопище действующих в мире сил обладает внутренним единством, что мир проще суммы своих видимых проявлений, которые не стоит, как мы это сейчас делаем, принимать за чистую монету. Разномастное множество законов, которые описывают действия этого скопища сил, слилось бы тогда в единый закон, происхождение которого было бы, возможно, легче обнаружить.

В поисках этого «священного Грааля» физики главная роль принадлежит симметрии. В предыдущих главах я уже коснулся ее роли в других контекстах. В главе 2 я рассказал об установленной Эмми Нётер глубокой связи между симметрией и законами сохранения. Однородное Ничто, на мой взгляд, донесло до нас свои свойства, сохранив их в процессе рождения Вселенной. И наконец, совсем недавно я рассказал, как часы представляются мне общедоступным проявлением скрытой симметрии, пронизывающей глубинные свойства материи.

Если вам хотелось бы получить конкретную аналогию роли симметрии в унификации электричества и магнетизма (а если расширить эту аналогию, то и всех других сил), то, может быть, подойдет вот эта. Вообразите себе, что электричество представлено в виде квадрата, а магнетизм – правильного шестиугольника. Эти две фигуры легко отличить друг от друга, и нельзя превратить одну из них в другую скручиваниями и поворотами. Квадратное электричество и шестиугольный магнетизм выглядят по-разному. Теперь представьте себе куб. Когда вы поворачиваете его к себе гранью, вы видите квадрат. Если же вы посмотрите на куб «с угла», направив на себя главную диагональ, соединяющую противоположные вершины, то увидите шестиугольник. Вот теперь, если мы перестанем думать о двух силах как о различных сущностях, расширим наше видение, развернем каждое измерение пространства в три и представим их себе в виде куба, то окажется, что в квадратном электричестве и шестиугольном магнетизме с очевидностью проявляется единая сущность – они связаны вращением в абстрактном пространстве определенного вида. Этот куб и есть электромагнетизм.

Я еще многое могу сказать в том же ключе. По мере того, как будет разворачиваться сюжет этой главы, вам еще может пригодиться аналогия с кубом и ее дальнейшее развитие. Как я уже говорил, главная движущая сила современной теоретической физики – стремление объединить все силы мира и, в частности, продемонстрировать, что электромагнитная сила есть лишь одно из обличий этой единой силы. Такая унификация уже частично достигнута введением силы слабого взаимодействия, которая действует внутри атомных ядер, расталкивая их составляющие и приводя к радиоактивности: излучению, истекающему из ядра в виде либо гамма-лучей (очень коротковолновых и высокоэнергетических фотонов электромагнитного излучения), либо заряженных частиц (альфа- и бета-лучей).

Сейчас в центре внимания физиков находятся некоторые аспекты сильного взаимодействия, действующей на очень малых расстояниях силы, которая связывает компоненты ядра, несмотря на то что электромагнитная сила стремится оттолкнуть плотно упакованные электрически заряженные частицы друг от друга. Нам надо быть благодарными за то, что сильное взаимодействие не работает на столь же больших расстояниях, как электромагнетизм, – иначе мы и все остальное в мире слиплось бы в единый колоссальный атом. Возможно, когда-нибудь к унификации сил присоединится и гравитация, хотя, по всей видимости, она обладает некоторыми загадочными свойствами, связанными со структурой самого пространства-времени. Объединение всех сил будет достигнуто, когда будет выполнено тщательное описание упоминавшегося куба, его вращений и других манипуляций с ним в сложно устроенном абстрактном пространстве некоторого вида. Унификация сил подобна поискам «священного Грааля», но этот Грааль – не кубок, а непредставимо сложный и пока недоступный описанию куб в абстрактном многомерном пространстве.

В этой главе я сосредоточусь на законах электромагнетизма в основном потому, что они будут для нас наиболее привычны, или по крайней мере наименее непривычны. (Я, впрочем, все равно сделаю небольшой их обзор, чтобы прояснить их сущность.) Подобные соображения будут применимы также к силам слабого (наверняка) и сильного (надеюсь) взаимодействий, – поэтому моей целью будет установить происхождение этих привычных законов, а затем предоставить вашему воображению принять тот факт, что аналогичные рассуждения применимы и к остальным силам. Надо признать, что это в значительной степени остается вопросом веры, – физики все еще не решили до конца вопрос о том, как уложить все силы в единую схему.

Если вдруг вы потеряли из виду, к чему я в конечном счете веду, позвольте напомнить, что я хочу доказать: законы электромагнетизма суть лишь еще одно следствие бездействия и анархии, вытекающие из того факта, что при рождении Вселенной, когда из Ничего предположительно самопроизвольно возникло нечто сущностное, ничего особенного не произошло. Здесь есть некоторые аспекты, которые нам следует обдумать.

* * *

Одним из первых законов электромагнетизма был закон Кулона. Французский физик Шарль-Огюстен де Кулон (1736–1806) сформулировал закон, носящий его имя, в 1784 году. Он постулировал, что сила, действующая между двумя электрическими зарядами, ослабевает пропорционально квадрату расстояния между ними. Это так называемый закон обратных квадратов. К тому же самому выводу ранее приходили и другие ученые (в том числе англичане Джозеф Пристли и Генри Кавендиш), но Кулон, по общему мнению, первым систематически исследовал и сформулировал этот закон. Обратная квадратичная зависимость и раньше считалась вероятной еще и потому, что такой же зависимости следует и гравитация [49].

Мне смутно кажется, что если бы я был богом и, несмотря на мои с виду капризные и необоснованные решения по другим вопросам, хотел бы дать человечеству самый прекрасный закон взаимодействия электрических зарядов, какой я только мог бы придумать, а люди могли бы с благодарностью оценить, то я бы дал им закон Кулона. Это закон редкой красоты. Но в отличие от многих других видов красоты, это красота глубокая и непреходящая, незаметная глазу случайного зрителя.

Прежде всего, хоть это и довольно тривиально, описываемая законом Кулона сила сферически симметрична, – область ее действия образует шар, идеал симметрии, самое симметричное из всех трехмерных тел. Я сейчас поясню свою мысль. Можно ли как-то количественно оценить в этой характеристике шара слово «самое»? Да: у сферы (любого диаметра) бесконечное число осей симметрии и бесконечное число возможностей повернуть сферу вокруг любой из этих осей на любой угол так, что при этом она останется неизменной. Теперь представим себе зеркало, проходящее сквозь сферу через ее центр и отражающее одно из ее полушарий в другое: это зеркало может иметь бесконечное число различных ориентаций. В трехмерном мире не существует объекта, который обладал бы более высокой степенью симметрии: со всем этим множеством бесконечностей сфера – наиболее симметричный трехмерный объект. Если вы склонны отождествлять симметрию с красотой, то вы признаете, что сфера – олицетворение красоты, или по крайней мере одного из видов первичной красоты.

Закон Кулона является сферическим в следующем смысле. Направление от одного заряда к другому не имеет значения. В любом направлении сила взаимодействия падает с расстоянием одинаковым образом и в одной и той же степени. Может, этот факт не кажется таким уж потрясающим, но он имеет решающие последствия для структуры атомов и вытекающих из нее свойств вещества. Здесь мы находим еще один намек на Ничто и его огромную важность. Упрощенное (и тем не менее, возможно, верное) представление состоит в том, что сферическая симметрия кулоновской силы объясняется однородностью и, в частности, сферической симметрией абсолютного Ничего. Когда эта сила возникла (в данной главе мы еще поговорим об этом на более сложном языке), Ничто превратилось в среду распространения этой силы, причем ее возникновение из абсолютного Ничего не наложило на нее никаких дополнительных ограничений. Бездействие – сердце закона Кулона.

Во-вторых, несмотря на то что я сказал о бесконечной симметрии сферы, закон Кулона более, чем сферически, симметричен. Он обладает внутренней симметрией, которую нельзя заметить из его формулировки, где расстояние упоминается без связи с направлением.

Если мы позволим взгляду случайного наблюдателя стать более внимательным и усложненным и, вместо того чтобы рассматривать взаимодействие в наших банальных трех измерениях, ступим в пределы четвертого, то сферическая симметрия здесь тоже сохранится и станет тем, что мы назовем симметрией гиперсферической [50].

Я понимаю, что, вероятно, требую от вашего визуального воображения (как и от своего) слишком многого – выйти за свои пределы. Но сила математики такова, что она этот шаг может сделать – и может продемонстрировать верность моих слов символически. Я могу дать вам наглядное представление о том, как происходит переход в четыре измерения, через описание перехода от двух измерений к трем, а затем попросить вас принять, что нечто подобное имеет место, когда переходишь от трех измерений к четырем. Вы уже убедились, что квадрат и шестиугольник можно связать друг с другом посредством перемещения от двумерной плоскости к трехмерному кубу. Сейчас я прошу вас порассуждать подобным же образом, хотя вопрос теперь стоит немного иначе.

Итак, вот картинка, которую я прошу вас вообразить. Представьте себе квадратный лист бумаги с большим красным кружком в центре. Теперь представьте тот же лист бумаги, половина которого закрашена красным, а другая половина оставлена нетронутой. Ясно, что между этими двумя картинками никакой связи нет. Или есть? Квадрат и шестиугольник оказались связаны, когда я попросил вас выйти в следующее измерение и представить себе куб. Может, и здесь, когда мы сделаем то же самое с кружком и прямоугольниками, связь обнаружится?

Я должен попросить вас перейти от двух измерений к трем, представив себе сферу, покоящуюся на центральной точке листа белой бумаги. Пусть южное полушарие этой сферы закрашено красным, а северное осталось белым. Представьте, что мы провели линию из северного полюса к южному через всю сферу и спроецировали ее на бумагу. Если линия проходит через красное, бумага под ней будет закрашена красным. Как вы, вероятно, себе представили, этот процесс приводит к появлению красного кружка с центром в той точке, в которой на бумаге находится южный полюс. Теперь повернем сферу на 90° вокруг оси, проходящей через ее экватор, так что теперь красная половина является западным полушарием. Повторим упражнение с проекцией из нового северного полюса вверху сферы. На этот раз, как вы, вероятно, себе представляете, половина бумаги стала красной, а другая остается белой. Теперь видно, что, хотя в двух измерениях наши две картины не связаны, они становятся связанными, если перейти к трем: здесь имеется единая сфера, а наше восприятие в двух измерениях неспособно идентифицировать лежащую в ее основе симметрию. Так же и с законом Кулона: только если мы перейдем к четырем измерениям, мы сможем оценить его полную симметрию, одинаковость всех направлений в четырехмерном пространстве.

Насколько мне известно, не существует никаких непосредственных интересных повседневных следствий из этой скрытой симметрии высших измерений. Впрочем, об одном таком следствии я все же слышал – это один тайный аспект структуры водородного атома, углубляться в который мне не хочется, несмотря на то, что эти атомы составляют (если не считать темной материи) самый распространенный вид вещества во Вселенной [51]. Я мог бы развить эту тему и сказать, что устранение гиперсферической симметрии взаимодействия электрона с ядром, в случаях, когда в атоме больше одного электрона (что верно для всех элементов, кроме водорода), объясняет структуру Периодической таблицы элементов, а с ней и всего мира химии (в который входит биология, а после экстраполяции и социология). Но такое высказывание, пожалуй, уже было бы похоже на пускание пыли в глаза, хотя иметь его в виду, тем не менее, стоит. В этой связи, вообще-то, надо воспользоваться возможностью упомянуть еще один довольно туманный закон природы – периодический закон, согласно которому свойства элементов, если расположить их в порядке возрастания атомных номеров (количества протонов в ядре), через различное число интервалов до известной степени повторяются. Так, кремний (атомный номер 14) напоминает углерод (атомный номер 6), расположенный на шесть элементов раньше, а хлор (атомный номер 17) похож на фтор (атомный номер 9), который находится раньше на восемь номеров. Периодический закон, Периодическая таблица элементов и вся совокупность знаний, накопленных химией, биологией и социологией, – прямое следствие симметрии кулоновского взаимодействия в союзе с правилами, определяющими способ образования скоплений отрицательно заряженных электронов вокруг положительно заряженных ядер атомов.

* * *

Я должен теперь углубиться в кулоновские и другие взаимодействия, которые в каких-то случаях ответственны за поддержание целостности вещества, за скрепление его частиц друг с другом, а в других – за их разъединение. Происхождение этих взаимодействий тоже глубоко коренится в бездействии и анархии.

Моей отправной точкой будет уравнение Шредингера для распространения волн, о котором я рассказывал в главе 3. Я говорил тогда, что центральное положение квантовой механики – дуализм материи: частицы становятся волнами и наоборот. В этой связи я должен отметить интерпретацию волны, данную немецким физиком Максом Борном (1882–1970), – его разносторонний вклад в формулировку квантовой механики в 1954 году был запоздало отмечен Нобелевской премией. Борновская квантовомеханическая интерпретация волны заключается в том, что квадрат амплитуды волны в некоторой области дает вероятность нахождения частицы в этой области. С точки зрения этой интерпретации подумаем о волне с одинаковой амплитудой (высотой волновых пиков) и постоянной длиной (расстоянием между пиками), волне, растянувшейся отсюда до горизонта и уходящей за его пределы. Представим теперь, что произошел небольшой продольный сдвиг всей волны так, что все ее пики и впадины слегка сместились. Никаких наблюдаемых изменений при этом не произошло, в том смысле, что, если бы вам потребовалось оценить вероятность отыскания частицы в любой точке, до сдвига и после вы получили бы один и тот же результат[52]. Мы говорим, что такое наблюдение инвариантно (то есть неизменно) относительно глобального (то есть повсюду одинакового) «калибровочного преобразования». Последний термин нуждается в небольшом пояснении. Эти слова означают, что если бы вы поместили вдоль волны измерительный прибор, например линейку, и отметили положение первого пика волны, то после небольшого ее продольного сдвига вам пришлось бы немного сдвинуть и линейку, чтобы получить тот же отсчет.

До сих пор все выглядит, пожалуй, слишком просто, даже тривиально, – возможно, как и все элементарные истины. Но мы находимся на пороге мира калибровочных теорий взаимодействия частиц – одного из форпостов современной физики. Поэтому займемся демонстрацией нетривиальности сказанного выше. Мы убедимся, что из этих самоочевидных утверждений вытекают ошеломляющие следствия.

В главе 3 я уже объяснял, или, по крайней мере, отмечал, что уравнения движения частиц могут быть получены, если сперва вывести выражение для действия, связанного с определенной траекторией, а затем найти траекторию, на которой действие принимает наименьшее значение. Эта траектория наименьшего действия и есть та, которую «выбирает» частица – единственная возможная траектория, остающаяся после учета воздействия соседних частиц. Далее я говорил, что дифференциальные уравнения Ньютона можно рассматривать как способ «инструктирования» частицы, следуя которому она нащупывает свою траекторию, совершая один бесконечно малый шаг за другим. Это обсуждение велось на примере реальных знакомых частиц, таких как электроны, но оно применимо и к менее осязаемым частицам электромагнитного излучения, фотонам, – ведь в квантовой механике все оказывается имеющим двойную природу частиц и волн. Следовательно, принцип, в соответствии с которым частица выбирает траекторию наименьшего действия, может быть приложен к электромагнетизму и его частицам – фотонам.

Выражение для действия в случае электромагнетизма формулируется математически, затем минимизируется, и из этой минимизации вытекает эквивалент уравнений Ньютона, но теперь эти уравнения описывают поведение электромагнитного поля. Они известны под названием уравнений Максвелла – их вывел Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) в 1861 году. Звезда Максвелла светила на научном небосводе ослепительно ярко, но недолго. Его уравнения были математическим выражением пионерских экспериментальных исследований электричества и магнетизма, выполненных Майклом Фарадеем (1791–1867) в Королевском институте в Лондоне. Уравнения Максвелла демонстрировали взаимосвязь между «квадратным» электричеством и «шестиугольным» магнетизмом, объединив их в «кубический» электромагнетизм. Мысленно представить себе это объединение можно с помощью следующей подсказки: надо, как я объясняю это более подробно в главе 8, осознать, что согласно специальной теории относительности движение – это «вкручивание» того, что вы представляете себе как пространство, внутрь времени, и наоборот. Чем быстрее вы движетесь, тем сильнее это «вкручивание», – то, что вначале выглядело «электрической» квадратной гранью куба, все больше и больше становится похоже на шестиугольный «магнит», и наоборот.

Уравнения Максвелла в сущности подводят итог унификации законов электричества и магнетизма. Поэтому, коль скоро мы знаем, откуда взялись эти уравнения, нам следует знать и то, откуда взялись сами эти законы.

* * *

В конце 1700-х итальянский математик Жозеф-Луи Лагранж (1736–1813; мы знаем его под этим именем, приобретенным за долгую жизнь в Париже, хотя от рождения он звался Джузеппе Лодовико Лагранжиа) сформулировал особо элегантную версию ньютоновской механики, которая и сегодня остается идеально приспособленной к тому преобразованию уравнений движения, которое мы ищем. Разработанная им процедура содержит некоторые вынужденные предположения. Из-за различных технических соображений, в которых сейчас нет необходимости разбираться, нужно ввести некоторую математическую функцию, называемую лагранжианом. Существуют различные правила записи лагранжиана: одно из них заключается в том, что когда функция используется для оценки величины действия, и затем это действие минимизируется на пути между двумя точками, то результирующим выражением являются экспериментально подтвержденные уравнения движения – в данном случае вдохновленные опытами Фарадея уравнения Максвелла. Если же минимизированное действие не соответствует известным законам движения, значит, ваша догадка о форме лагранжиана была неверной, – вам придется вернуться к началу пути и пройти его снова, и так до тех пор, пока вы не получите уравнений Максвелла.

Оказывается, что эта цепочка шагов: лагранжиан → действие → минимизация → уравнения Максвелла → опыты Фарадея – проходится до конца, если лагранжиан выражается в терминах волны и если эта волна имеет некоторое специальное отношение к электромагнитному полю, которое лагранжиан описывает. В этом суть дела. Мы можем неограниченно перемещать волну вперед и назад вдоль направления ее распространения (то есть менять ее калибровку), но так как эти изменения не могут вести ни к каким физическим эффектам, не может измениться и лагранжиан – иначе уравнения движения, уравнения Максвелла, больше не соответствовали бы наблюдениям. Лагранжиан, таким образом, должен обладать глобальной калибровочной инвариантностью.

Теперь пришло время поженить Нётер с Лагранжем. Вспомним главу 2: Эмми Нётер выявила связь между симметрией и законами сохранения. Глобальная калибровочная инвариантность – это симметрия. Значит, с ней должен быть связан какой-то закон сохранения. Он оказался законом сохранения электрического заряда. Таким образом, электрический заряд нельзя ни создать, ни уничтожить.

Могу попробовать объяснить, как этот закон сохранения вытекает из глобальной калибровочной инвариантности. Представьте себе маленький прозрачный куб, помещенный в область распространения волны. Когда волна немного смещается (ее глобальная калибровка изменяется при этом везде на одну и ту же величину), часть ее проходит в куб сквозь одну из его граней, а другая часть выходит сквозь противоположную. Чтобы лагранжиан по всей области был инвариантен (независимо от расположения области, а также и в целом), любое расхождение между входящим и выходящим потоками должно быть скомпенсировано созданием или уничтожением амплитуды внутри куба. Это стандартная интерпретация уравнения непрерывности, которое представляет собой математическую формулировку следующего утверждения: результирующий поток сквозь стенки области должен равняться скорости создания или разрушения заряда внутри области. Другими словами, заряд сохраняется [53].

В этом обсуждении я бы хотел сделать еще два шага. Первое: мне кажется вероятным, что, когда Вселенная вдруг начала существовать и ничего особенного при этом не произошло, не было никакого предварительного выбора фаз волн (относительного расположения их пиков), которые через какое-то время должны были оказаться основой электромагнетизма. То есть, когда люди наткнулись на уравнения, описывающие электромагнетизм, перед этими людьми не стояло требования определить и принять какую-то конкретную калибровку: годилась любая. Другими словами, в результате бездействия в начале Вселенной уравнения электромагнетизма глобально калибровочно инвариантны, вследствие чего электрический заряд и сохраняется.

И второе. Если в результате бездействия в миг Творения электрический заряд сохраняется, и Вселенная должна довольствоваться тем, что в ней есть, – и так всегда было и всегда будет, – то возникает два естественных вопроса: каково же полное количество электрического заряда во Вселенной и как этот заряд возник абсолютно из ничего.

Мы можем быть полностью уверены, что знаем ответ на один из этих вопросов. Полный заряд Вселенной равен нулю: в ней множество положительных зарядов (во всех атомных ядрах, сколько их есть) и множество отрицательных (во всех электронах, сколько их есть), но они взаимно уничтожают друг друга: общий заряд равен нулю. О том, что заряды взаимно компенсируют друг друга, мы знаем из того, что сила взаимодействия между электрическими зарядами многократно превышает силу гравитационного притяжения между массами. Даже малое нарушение равновесия зарядов привело бы к тому, что Вселенную разорвало бы на части в момент ее образования, и гравитация была бы бессильна этому помешать. Поэтому приходится заключить, что, хотя вокруг нас множество равных по величине и противоположных по знаку зарядов, количество тех и других одинаково. Сопутствующий вывод: заряд не возник из Ничего – Ничто изначально не обладало никаким зарядом. Но затем случилось что-то, из-за чего Ничто разделилось на свои электрические противоположности.

У меня нет ни малейшего представления о том, как это произошло, но мне кажется, что объяснить разделение на противоположности теоретически (и, возможно, практически) гораздо легче, чем объяснить само возникновение заряда. В конце концов, всегда проще понять присутствие кучи земли рядом с ямой, чем просто кучи земли. Объяснение тому, как именно Ничто разделилось на электрически противоположные заряды, когда-нибудь найдется, но дать его, вероятно, будет гораздо легче, чем найти механизм создания двух видов заряда.

* * *

И еще один действительно интересный, может быть, даже ошеломляющий, момент. Допустим, что вместо глобального калибровочного преобразования, когда вся волна в целом смещается одновременно, мы совершаем локальное калибровочное преобразование, при котором смещение волны различно в каждой точке ее длины. В какой-то точке пик волны немного сдвигается вперед, в другой – сдвигается вперед чуть больше, еще в одной – немного смещается назад. Представьте себе волну, которая искажается, комкается, причем локально, а не в целом и не однородно.

Если эта волна по-прежнему описывает ту же физическую реальность, то уравнение Шредингера должно выглядеть так же, как и прежде. Но, если только вы не проявите осторожности, оно так выглядеть не будет – смещение пиков волны приведет к появлению дополнительных членов. Их, однако, можно устранить, если модифицировать уравнение Шредингера добавкой члена, который представляет вклад в энергию. Происходит вот что: сдвиг пиков волны изменяет энергию ее исходного состояния, но новый член компенсирует, вычитает это изменение энергии (заодно он связан еще с кое-какими техническими моментами, которые обеспечивают представление волной действительного энергетического состояния)[54].

Поразительный вывод, который следует из рассмотрения формы нового уравнения, заключается в том, что новый член представляет влияние электромагнитного поля. То есть требование локальной калибровочной инвариантности уравнения Шредингера (иными словами, условие, чтобы описание природы оставалось тем же при местных изменениях волны) подразумевает существование электромагнетизма, а вместе с ним и уравнений типа максвелловских. Электромагнетизм и его законы порождены симметрией – в данном случае симметрией локальной калибровки.

Вы, вероятно, уже видите, к чему все это ведет в связи с возникновением законов природы в момент сотворения мира. Поскольку, когда Вселенная вдруг начала существовать, не произошло ничего особенного (как обычно, я хотел бы сказать «не произошло вообще ничего», но пока это не в моих силах), абсолютное Ничто сохраняло свою однородность. Однако теперь, в состоянии существования, эта однородность поддерживалась гораздо более тонким способом, чем просто однородностью пространства-времени. Теперь она поддерживалась способом, соответствующим внутреннему устройству пространства и времени: локальной калибровочной инвариантностью.

Получается, что электромагнетизм – результат бездействия. Под электромагнетизмом я понимаю все открытия, сделанные Майклом Фарадеем в его лаборатории в подвале Королевского института, их математические выражения, полученные Джеймсом Клерком Максвеллом, и законы оптики, которые были выведены из установления тождества света электромагнитной волне.

Нечасто полное бездействие может похвастаться столь впечатляющими результатами, – особенно если вспомнить, что с ними связано столько атрибутов современной цивилизации: связь, вычислительная техника, транспорт, промышленность, торговля, развлечения и общие жизненные удобства.

* * *

А зачем останавливаться на электромагнетизме? Известно ведь, что в природе существует несколько видов сил. Электрические заряды взаимодействуют посредством электрических сил, а движущиеся электрические заряды взаимодействуют посредством сил магнитных. Работы Максвелла показали, что эти две силы – проявление единой «электромагнитной» силы; мы уже видели, что она порождается определенным типом локальной калибровочной инвариантности. Так называемое слабое взаимодействие в нынешних условиях Вселенной действительно намного слабее, чем электромагнитная сила, и ответственно за некоторые виды ядерного распада: оно отталкивает элементарные частицы друг от друга, и они в результате покидают ядра атомов в виде излучения.

Кроме того, есть еще «сильное взаимодействие», оно связывает компоненты некоторых элементарных частиц настолько прочно (потому-то оно так бесхитростно и называется), что преодолевается отталкивание электромагнитных сил, которое стремится расшвырять одноименные заряды. Ядра сохраняют свою целостность, несмотря на ужасающую мощь электромагнитных сил, постоянно угрожающих разорвать их на части, – сильное взаимодействие побеждает до тех пор, пока на его фоне не начинают проявляться силы слабого взаимодействия, и они-то в конечном счете и могут возобладать над всеми. Именно вследствие сильного взаимодействия существует все многообразие различных ядер. Эти ядра в результате своего положительного электрического заряда и притяжения между противоположными зарядами захватывают отрицательно заряженные электроны, образуя электрически нейтральные атомы. Захваченные электроны не очень прочно привязаны к материнским ядрам и могут быть отторгнуты от них сравнительно мягкими воздействиями, – это основа всей химии, через химию и всей биологии, через общую биологию и зоологии, через зоологию и социологии, а через социологию и всей цивилизации.

И наконец, есть еще всемирное тяготение, возможно, самая слабая из всех существующих сил, – оно связывает все. Очень слабое, но универсальное и повсеместное, оно порождает галактики, звезды, планетные системы, планеты, жизнь и все достижения и утраты человечества.

Совокупность всех этих сил (а может быть, и других, пока не открытых) составляет многообразие существования, структуру реальности, всю сложность мира. И все они могут быть выведены из локальной калибровочной инвариантности, а следовательно, являются результатом бездействия. Но надо признать, что такой взгляд связан с серьезными проблемами.

Одна из них уже преодолена. Локальная калибровочная инвариантность, которая породила электромагнетизм, имела очень простую и легко визуализируемую природу: волна скручивалась в обычном трехмерном пространстве. Технически этот вид скручивания может быть представлен как пример абелевого калибровочного преобразования. Нильс Абель (1802–1829), рано погибший от туберкулеза норвежский математик, кроме других весьма важных вещей, изучал симметричные преобразования, дававшие один и тот же результат безотносительно к последовательности, в которой они проводились (например, левый циклический сдвиг, отражение, затем правый циклический сдвиг).

Скручивание, необходимое для того, чтобы возвести силы слабого и сильного взаимодействий к многообразию типов локальной калибровочной инвариантности, неабелево. То есть преобразования, которые необходимо рассмотреть при таком скручивании, зависят от порядка, в котором происходят описываемые этими преобразованиями процессы. Это делает их описание гораздо более сложным. Однако преодолевая сложности, мы вознаграждаем себя ростом богатства и глубины понимания.

Для того, чтобы показать, как бездействие порождает слабое взаимодействие, и одновременно продемонстрировать, что слабое взаимодействие имеет то же происхождение, что и электромагнитная сила (этот симбиоз приводит нас к понятию электрослабого взаимодействия), потребовались соответствующие неабелевы локальные калибровочные преобразования; они были получены Стивеном Вайнбергом (1933–2021) и Абдусом Саламом (1926–1996), которые в 1979 году заслуженно удостоились за это Нобелевской премии.

Калибровочная инвариантность, лежащая в основе гравитации, так и остается ненайденной, и вполне возможно, что моим воззрениям – или, по крайней мере, надеждам, разделяемым многими физиками-теоретиками, – суждено остаться неподтвержденными и несбывшимися.

* * *

Давайте теперь еще раз подытожим, чего мы достигли. В этой главе я рассказал о возможном происхождении сил, первоначально классифицированных как электрические или магнитные, но при взгляде на них из следующего измерения оказавшихся проявлениями единой силы электромагнетизма. При более пристальном пространственном рассмотрении электричества и магнетизма проявились их различные аспекты; мы использовали свойства симметрии, чтобы показать, что эти аспекты могут рассматриваться как результат безразличия Природы к изменению волн путем скручивания, – в технических терминах, как результат калибровочной инвариантности. Таким образом, пустое пространство оказывается более замысловатым и тонким, чем представляется на первый взгляд. Однородность, которую оставило ему в наследство материнское Ничто, остается вне нашего поля зрения, – но она, будучи невидимой, ответственна за силы связывания и разрушения, к которым в свою очередь сводится все удивительное закулисье нашего мира.

8

Мера за меру

Происхождение фундаментальных постоянных

Фундаментальные постоянные – такие, как скорость света (c = 2,998 × 10^8 м/с), постоянная Планка (h = 6,626 × 10–34 Дж∙с), постоянная Больцмана (k = 1,381 × 10–23 Дж/К) и фундаментальный электрический заряд (e = 1,602 × 10–19 кулона), – играют необыкновенно важную роль в проявлениях законов природы. Эти законы, по сути, диктуют правила поведения материальных объектов, для которых заданы различные параметры, такие как масса и заряд, а фундаментальные константы определяют величину происходящих при этом изменений состояния объектов. Например, законы природы, которые мы относим к сфере частной теории относительности, подразумевают, что пространство и время по мере увеличения скорости движения смешиваются в одно целое; степень этого смешения определяется отношением данной скорости движения к скорости света. Законы электромагнетизма означают, что движение заряженной частицы отклоняется электрическим полем, а фундаментальный заряд определяет степень этого отклонения при заданной напряженности поля. Согласно законам квантовой механики, энергия осциллятора, как масса пружины или маятника, может подниматься по лестнице квантованных значений, а постоянная Планка определяет расстояния между ступеньками этой лестницы. Если бы эта постоянная была равна нулю, между ступеньками не было бы никаких промежутков, и энергию осциллятора можно было бы увеличивать непрерывно; то, что на деле постоянная Планка так мала (порядка 10–34), означает, что ступеньки лестницы и в самом деле очень близки, настолько, что в наших повседневных маятниках и колеблющихся пружинах мы никаких разделений между значениями энергии не ощущаем. Но они есть.

Идут жаркие споры о том, насколько случайны те значения постоянных, которыми мы сейчас располагаем, – ведь даже малые отклонения от этих значений, как утверждается, имели бы катастрофические последствия для возникновения жизни, сознания и способности раздумывать над тем, почему же постоянные имеют столь благоприятные значения. При чуть-чуть отличающихся постоянных звезды не могли бы образовываться, а если бы они все же формировались, то сжигали бы свое горючее так быстро, что не оставалось бы времени для эволюции жизни.

По моему мнению, есть два класса фундаментальных постоянных: те, которых не существует, и существующие. Как и можно было подозревать, значения тех постоянных, которых не существует, объяснить гораздо проще, чем существующих. Первые – следствие человеческой деятельности. Они возникли в ходе интеллектуальной истории человечества как разумные, но лишенные фундаментальной корректности средства измерения и описания объектов (например, длины в метрах и времени в секундах). Второй же вид постоянных, те, что реально существуют в фундаментальном смысле, а следовательно, и являются истинно фундаментальными постоянными, – это сопряженные постоянные, которые суммируют силы взаимодействия между сущностями, такие, как сила, действующая между электрическими зарядами, сила взаимодействия электрического заряда с электромагнитным полем, ядерные силы, связывающие друг с другом элементарные частицы и действующие внутри структур, которые мы называем ядрами атомов. К ним относится также и гравитационная постоянная (G = 6,673 × 10–11Дж∙м/кг 2), устанавливающая напряженность гравитационного поля, созданного массивным телом, и следовательно, объясняющая орбиты планет, обращающихся вокруг звезд, механизм формирования галактик и ускорение падающего яблока.

Хотя в таблицах фундаментальных постоянных они выражены в определенных единицах, как, например, скорость света, равная громадному количеству метров в секунду, на деле они вообще-то не должны выражаться в каких-либо единицах. Иначе говоря, фундаментальные постоянные, которых не существует, все должны иметь значение 1 (например, c = 1, а не c = 2,998 × 10^8 м/с), а те фундаментальные постоянные, которые существуют, лучше всего выражать таким образом, чтобы для этого тоже не нужны были никакие единицы. Как я сейчас объясню, вместо того, чтобы говорить, что фундаментальный заряд равен e = 1,602 × 10–19 Кл, его лучше всего выражать величиной 1/137. Похожим образом и другие реальные фундаментальные постоянные лучше выражать различными безразмерными числами. Вскоре станет понятно, почему я могу объяснить, откуда берется значение 1, но не могу сделать того же для 1/137. Сейчас мы и правда не представляем себе, откуда взялись числа вроде 1/137, и я не собираюсь притворяться, что знаю это хоть немного лучше, чем кто-либо еще. Жаль, что это так: ведь именно эти числа управляют нашим существованием и самим рождением способности мыслить: окажись на месте 1/137, к примеру, 1/136 или 1/138, догадываться о смысле этих чисел было бы, возможно, некому.

Эти замечания надо развить, чтобы объяснить вам, что я имею в виду и почему считаю, что есть два класса постоянных. Не буду разбирать все фундаментальные постоянные (одних только важных есть около дюжины, да еще множество их комбинаций, с которыми часто обращаются так, будто и они того же высшего ранга). Для обсуждения их происхождения я отберу горсточку тех, которые считаю истинно фундаментальными.

* * *

Начну я с самой, может быть, важной фундаментальной постоянной из всех – скорости света c (от celeritas). Я отношу ее к столь высокому рангу потому, что, хоть ее и не существует, она управляет структурой пространства-времени – ареной всех действий.

Пространство – не только то, что предстает нашему взору. Исаак Ньютон (1642–1726 по старому стилю), не говоря уж о Рене Декарте (1596–1650) и великом античном мудреце Аристотеле (384–322 до н. э.), который одновременно и вдохновлял, и душил научное мышление, да и мы сами, – все смотрят на пространственный мир и видят, что он трехмерен. Альберт Эйнштейн (1879–1955), стоявший на плечах гигантов, все это изменил. Его частная теория относительности (появившаяся в 1905 году, ставшем для Эйнштейна годом чудес, annus mirabilis, хотя еще большая слава пришла к нему позже, когда «частная» теория развилась в еще более необыкновенную «общую») требует от вас признать, что пространство сплетено со временем и то, что вы считали пространством и временем, не существует по отдельности, но только в виде составляющих единого целого, в виде мировой арены пространства-времени. Эта теория вносит в наши представления дискомфорт и переворачивает вверх дном то, что считалось устойчивым и надежным, – ведь теперь вы должны учитывать, что то, что вы принимаете за пространство и время, оказывается не тем пространством и временем, которыми пользуется ваш сосед. Если этот сосед движется (а это относится к большинству соседей, даже если они всего лишь прогуливаются, едут в машине или проносятся мимо в ракете), то он имеет отличные от ваших представления о том, какой именно составляющей пространства-времени является пространство, и какой – время.

Все зависит от того, насколько быстро вы двигаетесь. Если мы с вами не движемся вообще, то вы и я считаем пространством и временем именно их: пространство и время. Но представьте, что вы двигаетесь: идете, едете, летите в ракете. Тогда ваше восприятие преобразуется необыкновенным образом: время обращается в пространство, а пространство – во время. Вы абсолютно вправе считать, что нечто стационарное, неподвижное, находится в фиксированном положении с координатой, которую вы называете «пространственной». Но я, ваш проходящий мимо сосед, воспринимаю пространство и время по-другому, и я больше не согласен с вашей оценкой пространственно-временных координат события. Чем быстрее я несусь относительно наблюдателя – вас, – тем в большей степени мое восприятие времени обращается в восприятие пространства, и наоборот. Каждый из нас, занимаясь своими повседневными делами, воспринимает пространство и время по-разному: ваше пространство не мое, и ваше время тоже (если только мы не движемся с ровно одной и той же скоростью или оба покоимся). Эти различия проявляются, только если наша относительная скорость очень велика, если она приближается к скорости света. И это милосердно – ведь иначе ни наука, ни общество не могли бы, вероятно, существовать. Тем не менее дело обстоит именно так – структура реальности такова, что пространство-время для каждого из нас оказывается различным и зависит от нашего относительного состояния движения (откуда и слово «относительность»).

Теперь мы можем вернуться к роли скорости света. То, что существует предельная скорость распространения информации и что согласно частной теории относительности она не может превосходить c, иногда кажется совершенно непонятным. Почему такое ограничение вообще существует? Не может ли оно быть связано с некоей вязкостью, с сопротивлением, похожим на то, которое испытывает мяч, летящий сквозь вязкую среду? Может быть, пространство обладает вязкостью, и поэтому скорость распространения информации в нем ограничена скоростью света? Нет! Объяснение оказывается гораздо более глубоким и потому более простым. Скорость света – это просто скорость, с которой вы должны двигаться, чтобы ваше восприятие времени целиком обращалось в то, что представляется пространством. Большая степень обращения просто невозможна. Пространство не оказывает информации никакого вязкого сопротивления: предельная скорость есть просто особенность нашего восприятия самих пространства и времени.

Но почему скорость света имеет именно такое значение (ровно 299 792 458 м/с, около 670 миллионов миль в час)? Объяснение лежит в сфере человеческой бюрократии и сводится к тому факту, что мы договорились измерять длину в метрах, а не в секундах. Когда впервые зашла речь об определении метра, делались различные предложения (это было в 1790 году, когда французские революционеры рьяно стремились рационализировать примерно все, в том числе и аристократию). Одной из первых идей было считать его одной десятимиллионной долей расстояния от Северного полюса до экватора, если следовать вдоль меридиана, выбранного – из дипломатических, а не разумных соображений – более или менее посередине между Парижем и Вашингтоном, столицами молодых республик, к которым принадлежали авторы этого предложения. К несчастью, при таком выборе эталонного расстояния оказалось, что оно начинается и заканчивается в море. Компромиссы пришлось отбросить – эталонный меридиан прошел через Париж. Для удобства распространения нового стандарта и оповещения о нем был изготовлен первичный эталон длины в виде металлического стержня.

С тех пор стало известно, что Земля «дышит» – ее очертания меняются и, следовательно, опорное расстояние не постоянно. Значит, непостоянной оказалось и выбранное значение метра, и было принято более точное и неизменное его определение. Сейчас метр определен как 1/299 792 458 расстояния, которое свет проходит (в вакууме) за одну секунду. Получается, что все меры длины на деле являются мерами времени. Например, если ваш рост составляет 1,7 метра, значит, его можно записать как 1,7/299 792 458 секунды, или 5,7 наносекунды. Хоть свет и проходит 299 792 458 метров за одну секунду, это расстояние можно выразить как 299 792 458/299 792 458 секунды, то есть 1 секунду. Так какова же скорость света? Если он проходит расстояние в 1 секунду за 1 секунду, то его скорость (расстояние, деленное на время) равна 1. И никаких единиц – просто 1. Если ваша машина едет со скоростью 100 километров в час (около 28 м/с), вы можете сообразить, что в действительности ваша скорость составляет всего 0,000 000 093. При таких низких скоростях вы, очевидно, можете пренебречь релятивистскими эффектами и быть совершенно уверены, что ваше пространство не обратилось в похожее на него время (как это, по моей оценке, происходило, когда вы проносились мимо со скоростью света). В этой ситуации у нас не должно возникнуть разногласий – по крайней мере, при разумной точности измерений, – насчет того, одновременны ли два события.

Надеюсь, теперь вы можете согласиться: c = 1. Прежнее выражение этой скорости большим количеством метров в секунду, выглядевшее привычным, оказывается просто исторической случайностью: по вполне понятным и разумным причинам общество измеряло расстояние и время в разных единицах. Стоит начать измерять их в одних и тех же единицах, и фундаментальная постоянная первостепенной важности бесследно исчезает. С этих пор, когда бы мне ни понадобилось говорить о длине L, до сих пор по общему согласию измерявшейся в метрах, я буду обозначать ее L† – этот крестик или кинжал будет напоминать о том, что с метрами покончено и что теперь расстояния следует выражать в секундах. Отныне все скорости будут просто безразмерными числами.

* * *

Подозреваю, что вы подумываете – нельзя ли затолкать обратно в шляпу еще каких-нибудь таких же кроликов? Как насчет второй по важности фундаментальной постоянной – постоянной Планка h? Так же, как скорость света, по сути, принесла в науку понятие относительности, с постоянной Планка пришла квантовая механика – в культурном отношении эти две константы сходны по своему воздействию. Исчезнувшая постоянная c пронизывает все формулировки частной теории относительности, – так не может ли оказаться, что h, присутствующая во всех формулах квантовой теории, тоже должна с легкостью исчезнуть, потому что какое-то свойство материи исторически выражалось в удобных, но неприемлемых с фундаментальной точки зрения единицах?

То, что немецкий физик Макс Планк (1858–1947) дал первый толчок к созданию квантовой механики, было, по его признанию, актом отчаяния. Это отчаяние вызвал крах классической физики, которой Планк был беззаветно предан, – она оказалась неспособна объяснить казавшуюся элементарной проблему цвета световых лучей, испускаемых раскаленным телом. В сущности, почему при повышении температуры красный цвет этого тела переходит в белый? Классическая физика приводила к ошибочному выводу, что все объекты должны выглядеть белыми, даже если они чуть теплые. Согласно классической физике, тьмы вообще быть не должно. Более того и хуже того – любой объект, даже чуть теплый, должен залить окрестности убийственным гамма-излучением. В 1900 году или немного раньше это отчаяние заставило Планка предположить, что, если что-то осциллирует с определенной частотой, этот осциллятор может обмениваться энергией с остальным миром только порциями, или квантами, энергии, причем размер этой порции пропорционален частоте: низкочастотные осцилляторы могут обмениваться только малыми порциями, а высокочастотные – только большими. Классическая физика до этого полагала, что осциллятор любой частоты может испускать и поглощать энергию в любых количествах; согласно гипотезе Планка, энергия была «квантована», упакована в порционные пакеты. Это простое, но революционное предположение, с которым Планк, по всей видимости, сам не мог примириться, так как оно противоречило всему его классическому образованию (подобные же трудности в отношении квантовой механики испытывал и Эйнштейн), объясняло цвет горячих объектов, да и всех объектов при любой температуре. Теперь мы знаем, что оно объясняет и цвет Солнца, – области его поверхности, излучающие свет, нагреты примерно до 5772 K, – и цвет всей Вселенной, которая охлаждена до невообразимо низкой температуры в 2,7 K и все-таки светится в лучах, характерных именно для такой температуры.

В общепринятой физике энергия выражается в джоулях (J). Джоуль – единица довольно маленькая, но очень хорошо подходящая для повседневного использования. Например, на каждый удар человеческого сердца затрачивается около 1 джоуля энергии. В батарее типичного современного смартфона ее накоплено около 50 килоджоулей. Джоуль введен в обиход довольно-таки недавно – он заменил кучу более ранних единиц, среди которых были калории, эрги и британские тепловые единицы. В XIX веке, когда возникали термодинамика и наука об энергии, теплота обычно измерялась в калориях, а работа в эргах.

Для перехода к следующему важному пункту мне понадобится провести аналогию. Когда-то всех очень интересовал вопрос об эффективности паровых машин, а значит, и о связи между калориями затраченной теплоты и эргами произведенной работы. Проводились изощренные опыты для установления механического эквивалента теплоты, коэффициента перевода измерений одной формы энергии в другую, который тогда воспринимался как довольно скромного ранга фундаментальная постоянная. Однако, хотя эти эксперименты и оказались важной составляющей нашего интеллектуального прогресса, в каком-то смысле они были просто бессмысленной тратой времени. Если бы ранние исследователи измеряли теплоту и работу в одних и тех же единицах, в калориях или в эргах, тогда переводной коэффициент, эта фундаментальная постоянная, оказалась бы равной единице. Так сейчас дела и обстоят (кроме нескольких изолированных архаических островков деятельности, например науки о пищевых продуктах). Для измерения всех видов энергии используется джоуль. А механический эквивалент теплоты теперь не более чем история, другими словами, равен единице.

Я уверен, что вы видите здесь параллели с аргументами, которые я приводил по поводу настоящих фундаментальных постоянных, по крайней мере тех, которых не существует или которые не должны существовать: выберите одинаковые единицы измерения для связанных величин, и коэффициенты перехода обратятся в единицу. Постоянная Планка – кандидат для проведения этой процедуры. Эта константа была введена, чтобы связать частоту осцилляций с размером соответствующих порций энергии, минимальным размером квантов, которыми можно обменяться [55].

Путь ясен: избавимся от джоулей и станем выражать энергию как частоту, в колебаниях в секунду (герцах). Везде, где я захочу выразить энергию в виде частоты, я буду обозначать ее E† и выражать в количестве колебаний в секунду. Теперь больше нет никакой нужды в коэффициенте перехода между ними – точно так же, как нет нужды в механическом эквиваленте теплоты или в измерении скорости света в километрах в секунду. Постоянная Планка стала равной единице. Джоули, как раньше калории и эрги, ушли в историю. Сначала может показаться, что для квантовой механики имеет огромное значение переход к h = 1 от привычного микроскопически малого значения этой постоянной. Но это вовсе не так. Мы убедимся в этом, расчистив еще несколько подобных «авгиевых конюшен», стоки которых все еще забиты общепринятыми единицами измерения.

Здесь мы получаем важный промежуточный результат: благодаря всем нашим ухищрениям знаменитая эйнштейновская формула E = mc 2 приобретает вид E† = m† – при этом обе величины измеряются в единицах частоты. Вы, конечно, вполне можете продолжать записывать ее в форме E† = m†c 2, но для этого вам придется принять, что, как я уже показал, c = 1. Окончательный же итог состоит в том, что, как вы теперь видите, коль скоро E† = m†, энергия и масса суть одно и то же.

* * *

В наши дни почти все (кроме США, да еще, может, Бирмы и Либерии) выражают массу в килограммах, ее доли в граммах, а кратные величины в тоннах (1000 килограммов). Изначально (еще в 1790-х) килограмм был определен как масса литра воды при конкретной температуре. Как и в случае метра, это определение было затем усовершенствовано; появился стандартный килограмм, международный прототип килограмма (МПК) – цилиндр из платино-иридиевого сплава, который хранился в Международном бюро мер и весов в Севре, пригороде Парижа. Множество его копий распространилось по всему миру. К несчастью, даже МПК не остается идеально постоянным – он содержит испаряющиеся вкрапления, нарушающие чистоту его состава, с ним соединяются молекулы окружающего воздуха, от прикосновений на нем остаются микроскопические царапины, – в общем, наш «эталонный килограмм» медленно изменяется. Поэтому сейчас предлагается определить килограмм через постоянную Планка, вечную (насколько нам известно) постоянную – тогда значение килограмма будет зафиксировано на все времена, и любой человек, имеющий представление о фундаментальных постоянных, будет точно знать, чему оно равняется. Что это означает в аспекте нашего обсуждения?

Нам придется признать, что человечество, как всегда бестолковое, сделало коллективную, хоть и вполне объяснимую ошибку, когда приняло килограмм в качестве меры массы. Представьте, что было бы, если бы вместо килограммов массу измеряли бы в секундах, а точнее, в «колебаниях в секунду», как частоту. Проявив необычайную прозорливость, кто-то мог бы сделать это, пользуясь вместо величины m параметром m† = mc 2/h и измеряя его в колебаниях в секунду (герцах). Масса в 1 килограмм, например, оказалась бы равной 1,4 × 10^50 герц. И если вы – отлично сложенное 70-килограммовое человеческое существо, отныне вы должны помнить, что ваша масса составляет головокружительную величину в 9,5 × 10^51 колебаний в секунду! Вы можете убедиться в этом, переведя массу, выраженную в килограммах, в энергию в джоулях – для этого надо умножить ее на квадрат скорости света (то есть воспользоваться формулой mc 2 = E), а затем взять постоянную Планка и выразить эту энергию как частоту в колебаниях в секунду. Постоянно писать и говорить о колебаниях в секунду немного утомительно, и вместо этого лучше использовать единицу, называемую герц (Гц) в честь рано скончавшегося пионера радиосвязи Генриха Герца (1857–1894). 1 колебание в секунду равно одному герцу. Итак, выполнив процедуру умножения массы на c 2 с последующим делением на h, вы и получаете значение вашей массы примерно в 9,5 × 10^51 Гц. Такой способ выражения массы может показаться дурацким, но дело-то не в этом. Да, в повседневной практике пользоваться килограммами разумно и удобно. Но я здесь пытаюсь добраться до самых корней и найти наиболее убедительный способ представления физических величин, в ходе этого приставляя мой кинжальный индекс к горлу то одной, то другой общепринятой физической единицы.

* * *

Теперь нам понятно, почему переход к значению h = 1 не имеет никаких последствий для физического мира, в том смысле, что он не касается основ квантовой механики. Один из способов убедиться в этом – показать, что уравнение Шредингера (которое я представил в главе 3 в качестве одной из главных составляющих квантовой механики) остается неизменным, если не считать изменений в интерпретации его символики. Но уравнения такой степени сложности обречены на то, чтобы таиться в теневой части этой книги – в разделе «Примечания»[56]. Есть и другой способ – подвести вас к основаниям этого уравнения. Это оказывается возможным – основания, даже в науке, неизменно проще, чем сооружения, которые они поддерживают.

Если вам случалось покупать проездной билет в оба конца, вы уже на полпути к пониманию квантовой механики. Билет «туда и обратно» обычно стоит меньше, чем сумма двух отдельных билетов в одну сторону. Это можно представить и немного иначе: цена обратного билета отличается от цены билета «туда» (при условии, что за проезд «туда» вы уже заплатили). Квантовая механика отличается от классической именно этим. Аналогия следующая: цена билета «туда» равна произведению количества движения на положение, а обратный билет – произведение положения на количество движения (порядок умножения изменился на обратный!). Эти две «цены» не равны друг другу, и разность между ними называется коммутатором положения и количества движения.

Цены на билеты быстро и легко меняются, а для тех, кто путешествует часто, существуют скидки. Как выясняется, природа тоже установила стандартную скидку на «поездки туда и обратно»: коммутатор оказывается равным малой (но весьма многозначительной) модификации постоянной Планка[57]. Разность поездки «туда» (произведения количества движения на положение) и поездки «обратно» (произведения положения на количество движения) пропорциональна h. Все отклонения предсказаний квантовой механики от классической берут начало в этом различии в «стоимости проезда туда и обратно», которое количественно выражается в том, что «совет директоров транспортной компании» – Природы – сделал «скидку на проезд в оба конца» пропорциональной константе Планка.

В общепринятых единицах постоянная Планка столь мала (хоть и много значит!), что «совет директоров» классической механики решил не связываться с административными расходами и суетой из-за столь ничтожной скидки. Что ж, это можно понять. Это все равно что давать скидку в 1 пенни на билет стоимостью в триллионы фунтов стерлингов. Из этого идеально разумного решения и растет вся классическая механика.

И все же, может, это и разумно, но неправильно. Главный «совет директоров» Природы настаивает на сохранении скидки. Квантовая механика, самое успешное на сегодняшний день математическое описание вещества и излучения, отличается от классической именно этим предложением «скидки на проезд в оба конца». И такое решение ведет к глубочайшим последствиям. Как я уже отмечал, Ньютон, так же, как его современники и прямые продолжатели его дела, не обратил никакого внимания на отсутствие коммутативности между положением и количеством движения. И этот недосмотр таится в основании созданной ими теоретической структуры, грандиозного сооружения, которое мы называем классической механикой. Она дает нам понимание движения небесных светил – и кто заметит отсутствие ничтожной «скидки», когда мы рассматриваем движение гигантских планет вокруг Солнца? Но когда ученые переключают внимание на электроны в атомах, где «плата за проезд» сама по себе микроскопически мала, тогда коммутационная скидка приобретает огромное значение. На билет ценою один фунт скидка может достигать целых 50 пенсов, – а это уже не шутки.

Но как же тогда может быть, чтобы постоянная h сделалась равной единице вместо микроскопически малого значения в 10–34, а классическая механика при этом продолжала бы выполняться для обычных объектов? Разве это не значило бы, что любые обычные положения и количества движения «повседневных» объектов теперь тоже подлежат значительной коммутационной скидке? Хитрость здесь в том, что вместе с постоянной Планка в столько же раз (10^34) возрастают и все остальные единицы. Положения и количества движения классических объектов, которые в прежних единицах (длина в метрах, масса в килограммах, скорость в метрах в секунду) имели привычный масштаб значений, становятся огромными, когда выражаются в новых единицах (длина в секундах, масса как частота в герцах, а скорость вообще безразмерна). В результате произведение положения на количество движения для классического объекта тоже приобретает в новых единицах гигантский масштаб – гораздо, гораздо больше единицы [58]. При прежнем способе смотреть на вещи значения положений и количеств движения имели «повседневный» масштаб, а константа h была исчезающе малой. При новом взгляде именно h имеет «повседневное» значение (1), а положения и количества движения непомерно огромны. В итоге для классических объектов скидка остается пренебрежимо малой и при новых единицах измерения. Вы по-прежнему не нуждаетесь в квантовой механике для их описания.

Здесь я должен вспомнить о великом инструменте для прояснения человеческого мышления – принципе неопределенности Гейзенберга, сформулированном в 1927 году. Ведь он как раз и проистекает из недостатка коммутации между количеством движения и положением. Принцип неопределенности состоит в том, что положение и количество движения частицы невозможно знать одновременно с произвольной точностью. Таким образом, квантовая механика, к вящему неудовольствию тех, кто воспитан в классической традиции (в том числе Бора и Эйнштейна), обнаруживает, что, пытаясь определить состояние системы, мы оказываемся перед выбором – от нас требуется выбрать между описанием через положения и описанием через количества движения. В каждом из этих случаев мы можем описать систему с любой выбранной точностью. Если вы, исходя из ваших классических принципов, будете настаивать на том, чтобы произвести описание в терминах обоих параметров, – ведь только в этом случае, как вы уверены, ваше описание мира может быть полным, – то на пути у вас встанет принцип неопределенности, согласно которому эти два описания внутренне несовместимы. И если вы неспособны отказаться от ваших принципов классического физика, вы должны прийти к мнению, что квантовая механика не дает целостного и полного описания Природы. Есть, однако, гораздо более адекватная и позитивная точка зрения: то, что последователи классической механики принимают за полное описание, на деле является недостижимо сверхполным. Квантовая механика говорит нам, что одновременное использование обоих описаний невозможно в силу их несовместимости. Это немного похоже на предложение, которое начинается на одном языке, а заканчивается на другом. Вы должны выбрать, на каком языке хотите разговаривать, – иначе ваше высказывание будет недоступно для понимания, и ваш собеседник – в данном случае Вселенная – уставится на вас в растерянности. Квантовая механика отбрасывает это основанное на «здравом смысле» заблуждение и принимает как данность, что полнота существует только в рамках описания на одном из этих языков – на языке положений или количеств движения, – но не на обоих сразу. Принятие этого принципа упрощает описание Вселенной (хотя и не делает его простым). Вот почему я называю принцип неопределенности великим прояснителем мышления.

* * *

Итак, я покончил с константами c и h, основаниями, на которых построены теория относительности и квантовая механика. Найдется ли на моем кладбище место и для других фундаментальных постоянных? Если бы я должен был определить единую и самую важную фундаментальную константу, на которой построена термодинамика, то, конечно, я бы выбрал постоянную Больцмана k. Она появляется в имеющем универсальное значение распределении Больцмана, которое я превозносил в главе 5, она высечена на могиле Больцмана в формуле энтропии, она в разных обманчивых обличьях (в том числе и в качестве газовой постоянной) то и дело возникает в термодинамике. Однако в ней тоже нет никакой необходимости! Она может быть устранена и похоронена на основании доводов, очень похожих на те, с помощью которых я расправился с константами c и h.

Цельсий и Фаренгейт, которых я представлял в главе 4 как изобретателей первых температурных шкал, а вслед за ними и Кельвин, установивший очевидно более естественную абсолютную шкалу, сделали одну ошибку – опять-таки из вполне разумных, понятных и даже похвальных соображений. Прежде всего, мы должны понять, что все три автора температурных шкал, – Цельсий, возможно, в наименьшей степени, – были сбиты с толку одной традиционной условностью. В нашем современном мире чем горячее объект, тем выше его температура – и это верно для всех трех шкал. Но Цельсий, как я уже упоминал, вначале устроил свою шкалу противоположным способом – чем горячее, тем отсчет был ниже. Думаю, что он, сам того не зная, был на верном пути – с моей точки зрения, на уровне фундаментальной термодинамики принцип «чем горячее, тем ниже» во многих смыслах более естественный, и я скоро объясню почему. И все же, мне кажется, все трое ошиблись в том, что ввели для измерения температуры новую единицу – градус, который позже превратился в кельвин (K). Вышло то же самое, что и с введением метра для измерения длины, вместо того чтобы пользоваться для этого секундами – ненужная путаница, которая стала очевидной по мере развития науки. Мы уже видели, что, если бы длину с самого начала измеряли в секундах, не было бы нужды вводить фундаментальную постоянную c, скорость света. Подобным же образом я сейчас покажу, что если бы температура измерялась в тех же единицах, что и энергия, то не было бы никакой необходимости вводить постоянную Больцмана.

Конечно, здесь я многое должен объяснить. Постоянную Больцмана, равную огромному количеству джоулей на кельвин, можно рассматривать как способ переводить кельвины в джоули. Если вы согласились выражать температуру в джоулях, в таком переводе нет нужды. Более того, если бы существовало стандартное соотношение между температурой в кельвинах и джоулях, не было бы никакой неясности в замене одних единиц другими. Вы можете получить в результате такой замены какие-то незнакомые забавные числа, но в науке забавный вид чисел не является критерием приемлемости (хотя вполне может оказаться таким критерием в прагматическом повседневном мире). К примеру, с принятым сейчас значением постоянной Больцмана привычные 20 °C (293 K) оказались бы какими-то дикими 4,0 зептоджоулями («зепто» – возможно, вам не знакомая, но очень полезная приставка, обозначающая 10–21), а вода бы кипела при 5,2 зептоджоуля.

Если мы соглашаемся выражать температуры в джоулях (или их долях, таких как зептоджоули), то шкалы наших термометров придется разделить на джоули или их доли, и каждый градус нынешней шкалы Цельсия станет равен 0,0138 зептоджоуля. И как только мы это сделаем, тут же исчезнет надобность включать постоянную Больцмана во все выражения термодинамики. Если вы хотите пользоваться уравнениями из нынешних учебников, то везде, где вам встретится k, вам придется приравнять ее значение к единице. Итак, постоянная k разделила судьбу c и h. Это избыточная, ненужная фундаментальная постоянная, которая появилась только потому, что физики прошлого были сбиты с толку повседневной практикой и ввели новую, хоть и бесполезную единицу измерения температуры [59].

Вы спросите, что же я имел в виду, говоря, что Цельсий первоначально ошибался меньше, чем Фаренгейт и Кельвин, и что лучше считать, что температура должна понижаться, когда тела становятся горячее? Я здесь подразумеваю тот факт, что многие выражения термодинамики, в том числе и ее составной части, статистической термодинамики, науки, которая устанавливает связь между одной молекулой и их коллективом, между индивидуальным и общим, поразительно упрощаются, если их выражать в обратной температуре – то есть в 1/T, а не в T, а не просто поменять местами 0 и 100 на шкале температур. И эта математика настойчиво подсказывает нам, что естественная шкала температур не просто должна быть выражена в обратных единицах, но и перевернута вверх ногами. Если температура уже выражается у нас в зептоджоулях, теперь ее единицей будет «обратный зептоджоуль». Таким образом (вы можете немного поупражняться в арифметике), точка кипения воды была бы равна 0,19 на зептоджоуль, а точка замерзания несколько выше: 0,27 на зептоджоуль.

В дальнейшем я всегда буду выражать температуру в единицах перевернутой шкалы и в обратных величинах – обратных зептоджоулях, а обозначать такую температуру буду буквой ₮ (Т с черточками). Так как я запретил себе приводить в тексте какие-либо формулы, помещая их в раздел «Примечания», к которому я вас и отсылаю [60], то вам придется поверить мне на слово, что любая формула статистической термодинамики будет выглядеть – и не только выглядеть, но и быть – проще, если заменить в ней T на ₮. Но дело тут далеко не в одном только внешнем виде.

Все (ладно, почти все) знают, что абсолютного нуля температуры достичь невозможно. Третье начало термодинамики выражает эту недосягаемость в более сложных и научно обоснованных терминах, добавляя оговорку «за конечное число шагов» и кое-что еще, но общий смысл именно таков. То, что начального значения шкалы Кельвина, T = 0, нельзя достичь за конечное число шагов, может показаться странным. Но T = 0 соответствует ₮ = ∞, а то, что нельзя достичь бесконечного значения ₮ за конечное число шагов, наверно, психологически ясно каждому.

Более глубокое упрощение связано с исследованием различных уравнений статистической термодинамики. Хотя в обычной термодинамике отрицательные абсолютные температуры (вроде –100 K) не имеют никакого смысла (это как отрицательная длина: ведь ничто не может иметь длину –1 метр), ничего плохого нет в том, чтобы поиграть с уравнениями статистической термодинамики и посмотреть, что происходит с различными физическими величинами (например, энтропией), если температуре позволить пройти через нуль и стать отрицательной и даже бесконечно отрицательной. Возьмите, например, любую из формул приложения 6 и посмотрите, что произойдет, если вы введете в нее отрицательное значение температуры. Обычно при прохождении температуры через нуль случаются всякие скверные вещи – физические характеристики испытывают резкие скачки или взлетают в бесконечность. Однако, если построить зависимости таких характеристик от ₮, все эти скачки и взлеты исчезают и все параметры меняются гладко. Такое «приручение» физических характеристик является сильным аргументом (хоть и не более, чем аргументом) в пользу того, что ₮ – более фундаментальная мера температуры, чем T. Но сейчас я докажу, что она все-таки недостаточно фундаментальна: предельного уровня фундаментальности она еще не достигла.

Я уверен, что вы видите, какая картина вырисовывается из этих глав – все упрощается, если выражается либо в секундах (время и расстояние), либо в частотах, в «обратных секундах» (энергия). Вы видели и то, что обратная температура ₮ есть обратная энергия в «обратных зептоджоулях». Заметим теперь, что мы можем перевести эту обратную энергию в обратные «обратные секунды», то есть попросту в секунды [61]. Тогда 20 °C превращаются в 0,16 пикосекунд («пико» – это приставка, обозначающая 10–12), вода замерзает при 0,18 пикосекунд, а кипит при 0,13 пикосекунд.

Итак, все три фундаментальные постоянные: теории относительности, квантовой механики и термодинамики, c, h и k, оказались ненужными. Другими словами, если вы настаиваете на том, чтобы пользоваться уравнениями, в которых они появляются (например, E = mc 2), и предпочитаете при этом выражать физические характеристики (например, E и m) в связанных друг с другом единицах (например, в секундах или их видоизменениях), то вам придется положить каждую из этих фундаментальных постоянных равной 1. Разгадывать тайну их происхождения больше не нужно [62].

* * *

Теперь я могу оставить в покое эти несуществующие фундаментальные постоянные, так как они получили свое объяснение, и обратиться к тем, которые существуют на деле и которых я объяснить не могу. Я упомяну только две из них, но в ящике Пандоры, где хранится пока не объясненное, таятся и другие. Обе являются константами связи, определяющими силу двух разновидностей взаимодействия.

Я уже говорил о фундаментальном заряде e, через который выражается сила электромагнитного взаимодействия: например, сила притяжения между двумя зарядами или сила взаимодействия электрона (заряд которого равен —e) с электрическим полем – например, радиоволной. Размер этой фундаментальной постоянной определяет силу взаимодействия между электронами и ядрами атомов, а следовательно, размеры и свойства атомов; силу связей между атомами, а значит, и образование химических соединений; силу взаимодействия электронов в атомах и молекулах с электромагнитным полем, влияя таким образом и на цвета веществ, и на интенсивность этих цветов. Он играет важную роль и внутри атомных ядер, – ведь положительно заряженные протоны в ядрах подвержены интенсивному взаимному отталкиванию.

И снова лучшим вариантом представляется избавить величину фундаментального заряда от единиц, придуманных человеком, и выразить ее чистым числом. Всякий раз, когда вы видите, как постоянная выражается в каких-то единицах, вы не можете с уверенностью сказать, велика она или мала. Велика или мала – по сравнению с чем? В данном случае фундаментальный заряд, как правило, сочетают с другими фундаментальными постоянными, получая в результате безразмерное число – «постоянную тонкой структуры» α (альфа). Ее название связано с тем, что введена она была для объяснения некоторых особенностей структуры атомов водорода. Я уже говорил, что равна она 1/137[63]. То, что α так мала, отражает слабость электромагнитного взаимодействия (по сравнению с сильным взаимодействием, действующим внутри ядра). Именно этим и объясняется, что молекулы, удерживаемые вместе электромагнитным взаимодействием, оказываются значительно более податливыми, чем ядра, в том смысле, что в ходе химических реакций они могут делиться на части и вновь соединяться. Будь α ближе к 1, никакой химии бы не было, – молекулы, если бы они вообще существовали, имели бы тот же размер, что и атомные ядра, а жизнь (продукт многоступенчатых химических реакций) не могла бы возникнуть. В биологическом смысле Вселенная была бы безмолвна.

Никто пока не знает, почему α равняется 1/137. По одному из сценариев, когда-то все виды взаимодействий по силе были одинаковы, но когда Вселенная расширилась и остыла, между ними появились различия. Мерой такого различия и является 1/137. Я думаю, что эта величина получит свое объяснение, как только будет сформулирована более исчерпывающая теория возникновения, структуры и эволюции Вселенной. Но пока это тайна. Нельзя, конечно, сказать, что никто не пытался найти это значение, составляя коктейль из чисел вроде π и √2, – в некоторых случаях даже получалась впечатляюще близкая к экспериментально установленной величина[64]. Но все эти попытки делаются без надежного теоретического обоснования, и ни одна из них не была принята научным сообществом за что-то большее, чем простая нумерологическая эквилибристика. Вопрос этот, однако, имеет колоссальную важность для понимания Вселенной и нашего места в ней. Подобные же константы связи существуют для сильного и слабого взаимодействий, определяющих внутриядерные структуры. Будущая теория фундаментальных сил (и фундаментальных частиц, на которые эти силы действуют) должна объяснить их значения.

Единственная постоянная взаимодействия, о которой я еще должен упомянуть, – это константа, управляющая силой гравитации. Это гравитационная постоянная G, она появляется в законе обратных квадратов – законе гравитационного притяжения между двумя массами [65]. По аналогии с постоянной тонкой структуры гравитационную постоянную можно превратить в безразмерную величину αG, заменив квадрат заряда электрона (который появляется в α) квадратом его массы. Значение этой константы оказывается фантастически малым: 1,752×10–45 [66]. Из этого можно заключить, что сила гравитации гораздо, гораздо слабее сил электромагнетизма. Это благоприятное обстоятельство для возникновения мыслящих существ – по крайней мере, для нас. Ведь благодаря ему у Вселенной оказывается достаточно времени для образования звезд и галактик, для формирования устойчивых орбит планет, обращающихся вокруг звезд, и для возникновения и эволюции живых существ. Будь гравитация заметно сильнее, мы – и все, что нас окружает, – вместе оказались бы в одной огромной черной дыре, и никто ничего бы не знал об этом.

Ключа к загадке происхождения значения G нет ни у кого. Современные домыслы на эту тему затрагивают возможность того, что когда-то гравитация была более сильной, но сошла на нет, когда Вселенная остыла (что очень похоже на рассуждения о постоянной тонкой структуры, только в случае тяготения ослабление зашло гораздо дальше). Некоторые допускают, что гравитация на деле по-прежнему сильна, но большая часть ее просочилась в шесть или семь измерений, которые еще предстоит научиться раскрывать и регистрировать. В общем, никто не знает, почему тяготение столь слабо. Тем более никто не знает, почему современное значение αG именно таково. Никто даже не притворяется, что догадывается об этом.

* * *

Подведем итоги? Законы природы управляют поведением всего сущего в общем смысле, но количественные следствия из них определяются значениями различных фундаментальных постоянных. К последним относятся скорость света, величина, занимающая центральное место в теории относительности, постоянная Планка, лежащая в основе квантовой механики, и постоянная Больцмана, принципиально важная для термодинамики. Однако я попытался показать, что если все физически наблюдаемые величины выразить в одних и тех же – или связанных с ними – основных единицах, а не попадаться в ловушку прагматически оправданных, но пестрых и разномастных искусственных единиц, придуманных человеком, то эти три фундаментальные постоянные могут быть исключены из рассмотрения. Другими словами, если вы продолжаете настаивать, чтобы они появлялись в уравнениях, вы можете положить их все равными единице – при условии, что вы выразили все наблюдаемые величины в связанных единицах (я выбрал для этого секунду и ее видоизменения). Есть и другой класс фундаментальных постоянных – константы взаимодействия, которые определяют масштаб различных сил, например электромагнитной и гравитационной. Никто пока не знает, почему эти постоянные имеют те кажущиеся случайными значения, которые сейчас для них экспериментально установлены.

9

Взывая к глубинам

Почему математика работает

Многие законы природы выражаются математически; все они, даже те, которые внутренне математическими не являются (вроде тех, что можно сформулировать для описания эволюции путем естественного отбора), приобретают большую силу, когда предстают в математической форме. Одним из первых ученых, исследовавших эту тему, был влиятельный венгерский математик Юджин Вигнер (Ене Пал Вигнер, 1902–1995); он поднял этот вопрос на прочитанной им в 1959 году лекции «Необъяснимая эффективность математики в естественных науках»[67]. Его вывод, сформулированный с мудрой осторожностью, заключался в том, что эта непостижимая эффективность – тайна слишком глубокая, чтобы ее можно было разгадать в процессе простого человеческого размышления. К общему чувству отчаяния по этому поводу некоторые добавляли, что из всех современных тайн эта имеет все шансы остаться неразгаданной еще очень долго.

Альтернативный, более положительный взгляд, резко контрастирующий с осторожным пессимизмом Вигнера, заключается в том, что действенность математики вполне понятна. Вместо того чтобы вселять растерянность и ошеломление, математика должна рассматриваться как окно, открытое в глубину структуры Вселенной, как многообещающий и важный канал информации. Может быть, посредством математики Вселенная пытается говорить с нами на нашем языке? В этой главе я попытаюсь устранить оттенок мистицизма, который – боже упаси – кто-то может усмотреть в этих словах [68]. Возможно, существование математических формулировок законов природы указывает на очень серьезный вопрос. Будем надеяться, что мы получим на него удовлетворительный ответ, возможно, касающийся глубочайшей структуры реальности. А возможно, этот вопрос указывает на другой, самый глубокий из всех вопросов, который миллионы и миллиарды лет остается самым волнующим и насущным вопросом в мире: как появилось все то, что существует?

* * *

Невозможно отрицать: математика – исключительно мощный и успешно работающий язык общения со Вселенной. На самом прагматическом уровне уравнение, которое выражает физический закон, можно использовать для предсказания его количественных следствий, – как это происходит, когда мы предсказываем период колебаний маятника, зная его длину. Вспомните удивительную способность астрономов предсказывать орбиты планет, включая объяснение их эллиптичности и наступления «суперлуний», когда полнолуния совпадают с максимальными сближениями Луны и Земли (одно из них происходит, когда я пишу эти строки). А возьмите удивительные случаи, когда из математических формулировок законов вытекают неожиданные следствия, которые потом подтверждаются наблюдениями. Среди самых известных случаев таких подтверждений – история с черными дырами, предсказанными эйнштейновской общей теорией относительности, теорией тяготения. Кто-то заметил – иронически, конечно, – что никаким экспериментальным результатам нельзя доверять, пока они не будут подкреплены математически сформулированной теорией. Мировые экономики цветут, а иногда и рушатся, под влиянием поисков математических описаний законов природы. Огромный процент промышленной продукции государств приписывается внедрению квантовой механики и ее математических формул.

Есть, конечно, такие аспекты нашего понимания Вселенной и его физикализации, которые не выражаются математически. И в самом начале этой книги, и несколькими абзацами выше я упоминал одну из самых плодотворных и далеко идущих теорий Вселенной, теорию объяснения эволюции естественным отбором. Эта теория не является внутренне математической – она не выражается формулами. Тем не менее она обладает огромным могуществом и, возможно, применима повсюду во Вселенной, где есть что-то, что можно определить как жизнь. Ее даже пытаются применить к возникновению не просто новых видов живых существ, но целых новых вселенных. Грубое, но попадающее в точку выражение Герберта Спенсера «выживает наиболее приспособленный» можно считать вербальной аппроксимацией закона природы. Но когда эта теория получает математическое развитие, например, в моделях популяционной динамики, – я еще вернусь к этому вопросу чуть ниже, – качественная ее версия неизмеримо обогащается тем, что теперь из нее можно делать количественные предсказания.

Биология в целом, возможно, представляет собой область, с первого взгляда не слишком удобную для математического описания. Эта сфера человеческого знания оставалась в основном уделом «прогулок по экологическим тропам» до 1953 года, когда Уотсон и Крик установили структуру ДНК. Это почти мгновенно превратило биологию в часть химии, введя ее, таким образом, в круг физических наук и наделив ее всей связанной с этим мощью. Тем не менее трудно указать какие-либо специфически математические биологические законы, кроме (если вернуться к ДНК) тех, что связаны с кодированием наследственности. Но есть и множество разнообразных примеров, иллюстрирующих возможности прямого применения математики в биологии: например, анализ популяций хищников в зависимости от условий доступа к добыче и в определенном смысле построенные на этом методы разработки сельскохозяйственных и рыболовецких стратегий. Для организмов типичны всевозможные периодические явления, – вспомним хоть о себе, о нашем дыхании и бьющихся сердцах, о более медленных циркадных (суточных) ритмах. Такие осцилляции – благодарная почва для математического описания. Другая подобная сфера – волны: волны разности количества зараженных и незараженных людей во время эпидемий, или волны разностей электрического потенциала при распространении сигналов вдоль нервных окончаний, когда мы думаем или действуем, или волны мышечной активности в теле рыбы, бьющейся в наших руках (даже обезглавленной) или изгибающейся при плавании во встречных струях воды. Все это – аспекты биологии, которые могут быть математически формализованы.

Блестящий, но павший трагической жертвой гомофобии Алан Тьюринг (1912–1954) был, возможно, первым, кто опроверг Эзопа (примерно 629–565 до н. э., если он вообще существовал, – по слухам, он был невероятно безобразным) и показал, что математический анализ волн распространения химикатов сквозь стенки контейнеров различной формы – например, в форме леопарда – объясняет и узоры на звериных шкурах – пятна у леопарда, полосы у зебры, крапчатый узор на шкуре жирафа, – и затейливую красоту крылышек бабочки. И даже слоновий хобот, – как показывают математические законы, выраженные уравнениями и их решениями, – возник благодаря тому, что сквозь слоновий эмбрион на ранней стадии его развития прошла волна химических соединений [69].

Социология, этот усложненный вариант биологии в применении к человеческой популяции (хотя для моделирования последней иногда использовались крысы), появилась в конце XVIII столетия; слово это в 1780 году пустил в оборот Эммануэль-Жозеф Сийес (1748–1836), но сама дисциплина созрела только к концу XIX века, а свою математическую структуру приобрела в XX веке, когда сложные статистические модели стали численно исследовать на компьютерах. Хотя начальным толчком для нее было желание выяснить законы человеческого поведения, главными достижениями этой науки стало развитие статистических методов анализа, а иногда и предсказания наиболее вероятного или среднего поведения популяций индивидов. Такое статистическое моделирование имеет большое значение для успешного управления и руководства обществами, но никаких фундаментальных законов, отличающихся от тех, что были присущи самой статистике (таких, как колоколообразное распределение случайных переменных), оно не породило, несмотря на то, что все с нетерпением ждали их открытия.

Теология, исследование по природе своей неуловимого и непостижимого божества, научная версия поисков улыбки Чеширского Кота, в математике не нуждается. Не нужна она, конечно, и другим, гораздо более позитивным созданиям человеческого разума, таким как поэзия, искусство и литература, которые так расширяют границы обыденного захватывающими, а подчас и отталкивающими фантазиями. Статистика составляет исключение, – хоть она и помогает, например, отличить Марло от Шекспира. Музыка находится на границе раздела – она, возможно, является введением в научную эстетику, в которой математические прозрения могут оказаться бесценными для анализа гармоний и нотных последовательностей и их связей с возможными резонансными контурами в мозге.

Но здесь мне пора немного сбавить тон. При всем разнообразии приложений математики сами по себе они не порождают законов. Не считая численного анализа данных, которым занимается статистика, в каждом отдельном случае, как мне представляется, математическая составляющая сводится к анализу модели. Это вовсе не то, чем являются фундаментальные законы природы, – это формулирование сложного взаиморасположения фундаментальных физических законов. В результате получаются даже не «внезаконы», а вылазки организованных банд «внезаконов».

* * *

На простейшем и наиболее очевидном уровне польза математики заключается в том, что она обеспечивает объективный и в высшей степени рациональный способ представления следствий уравнения, которое выражает какой-либо закон в символической форме. Следовательно, невозможно сделать надежные предсказания из не-математического утверждения, такого как «выживает наиболее приспособленный», или предсказать, например, что примитивные сочетания элементов в свое время разовьются в слонов. И наоборот, надежные предсказания могут быть сделаны из математического утверждения; например, из закона Гука, в соответствии с которым возвращающая сила пропорциональна смещению (вербализация уравнения F = —kfx), следует, что период колебаний маятника можно точно предсказать, зная его длину.

«Это хаос», – вскричите вы. Верно, конечно, что развитие определенных систем оказывается непредсказуемым, но эту непредсказуемость следует интерпретировать с осторожностью. Возьмем простой случай системы, демонстрирующей хаотическое поведение, – «двойной маятник», в котором один маятник подвешен на конце другого, и оба качаются в соответствии с законом Гука. В этом случае мы как будто можем решить уравнения движения маятников и, при условии, что точно известны исходные углы их отклонений, точно предсказать углы их отклонения в любой момент будущего. Ключевая фраза здесь «при условии, что точно известны исходные углы их отклонений» – ведь даже бесконечно малая неточность в начальных значениях углов приводит к совершенно различному последующему поведению. Хаотическая система – не то же самое, что система с беспорядочным поведением; это система с очень высокой чувствительностью к начальным условиям, настолько высокой, что для всех практических целей ее последующее поведение непредсказуемо. Только идеально точное знание начального положения (в отсутствие внешних возмущений, таких как трение и сопротивление воздуха) приводит к идеально предсказуемому поведению.

Одним из следствий этой внутренней практической невозможности достичь совпадения предсказания и наблюдения является сдвиг значения экспериментальной проверяемости в науке. В течение долгого времени считалось, что краеугольный камень научного метода – процесс сравнения предсказания с наблюдением и пересмотр теории в свете их несовпадения. Теперь, однако, мы видим, что надежное предсказание возможно не всегда. Так, значит, наш краеугольный камень зашатался? Ничего подобного. «Глобальное» предсказание того, что данная модель проявит хаотическое поведение, может быть проверено тестированием системы при различных начальных условиях, – а хаос, конечно, тоже имеет определенные предсказуемые характеристики, которые можно проверить. Чтобы мы могли заявить, что система нам понятна и ее поведение проверяемо, вовсе не обязательно предсказать и проверить точную траекторию двойного маятника. Законы природы – в данном случае «банда внезаконов» – подверглись бы проверке даже в этом случае количественной непредсказуемости.

Человеческий мозг – вместилище процессов, гораздо более сложных, чем механически тривиальный двойной маятник. А следовательно, нет ничего удивительного в том, что результат его деятельности – действие, мнение, даже произведение искусства – не может быть и, по всей видимости, никогда не будет предсказан на основании «входных данных», таких как взгляд или случайная фраза. Теологи называют эту непредсказуемость «свободной волей». Как и в случае двойного маятника, но на гораздо более сложном уровне, мы могли бы утверждать, что понимаем внутренний механизм работы мозга, искусственного или естественного, как совокупность процессов, происходящих внутри него, хоть нам и не удалось предсказать мнение, которое он выразил, поэму, которую он создал, или расправу, которую он учинил. Следовательно, проявление «свободной воли» будет в некотором смысле подтверждением того, что мы понимаем механизм работы мозга, так же как проявление хаоса, – подтверждением нашего понимания механизма работы двойного маятника. Вероятно, будет слишком смелым надеяться, что так же, как для простых систем можно предсказать закономерности хаоса, в один прекрасный день будут открыты и закономерности проявлений свободной воли. Возможно, психиатрия уже открыла их, но еще не сформулировала в достаточно точной форме.

* * *

Бесстрастная рациональность математики, быть может, и обеспечивает ее непостижимую эффективность. Возможно, эта эффективность вовсе не непостижима: может быть, она восходит к логическим основаниям, этому апофеозу рациональности. Причиной действенности математики может оказаться просто ее упор на систематические процедуры: начни с предложения модели, выпиши несколько уравнений, описывающих свойства последней, а затем выведи следствия, используя испытанные инструменты математической дедукции. Может, это и все. Но возможно ли еще что-нибудь?

Есть некоторые указания на то, что мир может быть математическим в более глубоком смысле. Здесь я отталкиваюсь от замечания, сделанного немецким математиком Леопольдом Кронекером (1823–1891): Die ganzen Zahlen hat der liebe Gott gemacht, alles andere ist Menschenwerk («Бог создал целые числа; все прочее – дело рук человека»). Выходит, что все великолепные достижения математики – это манипуляции с начальными сущностями: целыми числами, служащими для простого порядкового счета, создание из них структур, для которых они не были изначально предназначены. Но – если считать щедрость господа бога слишком простым ответом – откуда взялись сами целые числа?

Целые могут появляться абсолютно из ничего. Эта процедура относится к самой бледной и бесцветной области математики, известной как теория множеств – в ней рассматриваются совокупности объектов безотносительно к тому, что эти объекты собой представляют. Если у вас нет ничего, то у вас есть так называемое пустое множество, обозначаемое {Ø}. Я буду называть его 0. Допустим, у вас есть множество, обозначаемое {{Ø}}, в котором содержится пустое множество. Теперь у вас есть что-то, что я буду называть 1. Вероятно, вы уже понимаете, к чему я клоню. У вас может быть еще и множество, в котором содержится не только пустое множество, но и множество, которое содержит пустое множество. Это множество обозначается {{Ø},{{Ø}}}, и, так как в нем два элемента, я буду его называть 2. Теперь вы, вероятно, видите, что 3 – это {{Ø},{{Ø}},{{Ø},{{Ø}}}}, и содержит пустое множество, множество, которое содержит пустое множество, и множество, которое содержит и пустое множество, и множество, которое содержит пустое множество. Я не буду забивать вам голову рассказом о том, что такое 4, не говоря уж о следующих числах, – процедура уже понятна. Таким образом, абсолютно из ничего (из пустого множества) мы сгенерировали семейство целых чисел. А как только вы получили целые числа и, как выразился тот же Кронекер, заставили их прыгать через обручи, вы получили математику.

Аналогия с возникновением Вселенной абсолютно из ничего бросается в глаза, причем Ничто каким-то образом отождествляется с пустым множеством {Ø}. Возможно, это всего лишь заманчивая аналогия, которая не имеет ничего общего с рождением Вселенной из Ничего, в математическом или другом смысле. А может быть, это глубокое прозрение того, как могло появиться все сущее и почему математика оказалась таким удачным языком его описания и объяснения.

Я вижу, что эта аналогия сталкивается с некоторыми проблемами. В их числе – отсутствие правил связи целых чисел со структурами, которые мы называем математическими. Список целых чисел вряд ли имеет право называться Вселенной. Ответ на этот вопрос может лежать в области аксиом, которые предложены в качестве оснований арифметики. Среди них – знаменитые аксиомы, сформулированные итальянским математиком Джузеппе Пеано (1858–1932)[70]. А как только у вас появилась арифметика, вместе с ней появилось и множество других вещей – благодаря теореме, тоже знаменитой, которую доказали немец Леопольд Левенхайм (1878–1957) и норвежец Туральф Скулем (1887–1963) и из которой вытекает, что любая аксиоматическая система эквивалентна арифметике[71]. Так, например, если у вас есть теория, охватывающая все законы природы и основанная на некотором множестве утверждений (аксиом), то она логически эквивалентна арифметике, и любые утверждения об арифметике будут применимы и к ней. Значит, можно пофантазировать, что логические связи, подобные тем, что предложены в числе аксиом Пеано, встали на пути у сущности, возникшей из ничего и называемой Вселенной, и дали ей стабильность. Я, здесь, конечно, блуждаю в темноте и только пытаюсь нащупать какой-то смысл. Любая реальная интерпретация этого взгляда, если она вообще когда-либо появится, потребует глубокого продвижения в понимании и объяснении наших космических корней, – а пока все это не более, чем игра воображения.

* * *

Большой вопрос, конечно, вот в чем: что мы подразумеваем, говоря, что Вселенная – это математика? К чему я прикасаюсь, если это только арифметика? Что я вижу в окно, если это просто алгебра? Неужели мое сознание – это всего лишь работа целых чисел, пляшущих под музыку аксиом? И правда ли, что причинность подобна разворачиванию доказательства теоремы, – а может, и является им?

Возьмем осязание. Можно ли сказать, что мы в некотором смысле прикасаемся к корню из двух или числу пи? Возможно, я могу помочь вам увидеть, что так оно и есть. Если мы оставим в стороне нейрофизиологические аспекты осязания, процессы, которые идут внутри нас, когда мы контактируем с внешним объектом (да, я знаю, вы можете сказать: «Но в этом же и заключается весь смысл осязания – в нашем ментальном ответе на него!» – но потерпите минутку!), то осязание сводится к непроницаемости того, к чему прикасаются, для того, кто прикасается. Непроницаемость есть некоторая форма исключения из области пространства, и в этом смысле мы можем понять происхождение сигнала, несущего информацию о прикосновении в мозг или в нейронную рефлекторную дугу, которая вызывает реакцию бегства от возможной опасности или повреждения как дальнейшего развития прикосновения.

Исключение одного объекта из другого происходит из важнейшего принципа, выдвинутого в 1925-м и обобщенного в 1940 году родившимся в Австрии физиком-теоретиком Вольфгангом Паули (1900–1958; еще одна короткая вспышка). Эта идея принесла ему в 1945 году Нобелевскую премию по физике. Принцип Паули, один из основных в квантовой механике, касается математического описания электронов (наряду с некоторыми другими фундаментальными частицами) и определяет, как это описание должно изменяться, когда названия, приписываемые двум электронам, взаимозаменяются [72]. Следствие этого принципа состоит в том, что электронные облака двух атомов не могут перемешиваться: одно из них исключается из области, занятой другим. Осязание связано с фундаментальным принципом природы. Хотя я признаю, что этот взгляд на осязание пока что не очень тесно связан с вопросом о том, что значит «прикосновение» в математическом смысле, надеюсь все же, что вы согласитесь, – это шаг в нужном направлении.

Слух – форма осязания. В этом случае чувствительный рецептор находится в ухе, и касаются его молекулы воздуха, посредством которых волна давления воздействует на мембрану барабанной перепонки. Мы считаем слух и осязание различными чувствами только потому, что приемник звука передает зарегистрированные им ощущения прикосновений в другую часть мозга; но в фундаментальном смысле эти два чувства не отличаются друг от друга. Зрение также есть осязание, но более тонкого, скрытого вида. В этом случае происходит касание между молекулами оптических рецепторов в палочках и колбочках сетчатки. Они остаются погруженными в чашеобразные белковые структуры, пока фотон не возбудит их и они не приобретут новую форму. Тогда белок уже больше не может приспосабливать к ним свой объем – снова касание, – и они выходят наружу, позволяя тем самым белку слегка изменять форму и отправить импульс в еще одну область мозга, где эти импульсы интерпретируются как составная часть зрения. Аспектами осязания являются также обоняние и вкус – на этот раз (такова современная точка зрения, хотя в описаниях механизма этого процесса еще остаются противоречия) молекулы, втянутые в нос или попавшие на язык, касаются соответствующих рецепторов и посылают сигналы в выделенные для их приема особые части мозга. Выходит, что все чувства в конечном счете сводятся к осязанию, а во всех видах осязания проявляется принцип Паули, отражающий математическую природу мира.

Я должен признать – и я уже наполовину это сделал, – что мое описание работы органов чувств как проявления части математики не выглядит очень убедительным. И я не посмею идти еще дальше – вторгнуться в непроглядные тайны мозга и говорить о механизме, посредством которого он преобразует ощущения в сознание. Как эти разговоры могут быть убедительными, пока мы не смогли глубоко постичь природу материи? И все же надеюсь, что они по крайней мере указывают на существование глубокой связи нашего мира с целыми числами, на их сложно организованную встроенность в реальность.

* * *

И, наконец, последний важный вопрос, может быть, вопрос жизни и смерти, – вопрос о теореме Геделя. Эта теорема, доказанная в 1931 году с помощью великолепно найденного остроумного приема уроженцем Австрии Куртом Геделем (1908–1978; будучи профессором в Принстоне, он прославился тем, что уморил себя голодом из страха быть отравленным), по сути утверждает, что логическая непротиворечивость системы аксиом не может быть доказана в рамках этой же системы [73]. Но если законы природы математические, может ли быть, чтобы они не были логически непротиворечивы? И мое объяснение их изначально обречено на неудачу? И если Вселенная – единый гигантский математический объект, то, возможно, и она логически противоречива? Может ли она обрушиться под давлением собственной противоречивости?

Но есть запасные выходы, позволяющие убежать от этого сценария. Доказательство Геделя основано на некоей частной формулировке арифметики; одну из версий этой формулировки я отметил в Примечании 4. Допустим, вы отбрасываете одно из ее утверждений, например описание того, что вы понимаете под умножением. Тогда это выбивает опору из-под доказательства Геделя, и оно теряет силу. Арифметика без значка × может показаться немного странной, но это относится также и к версии арифметики, которую я упоминал в главе 8, где результат умножения 2 × 3 отличался от результата умножения 3 × 2 – и, тем не менее, это оказывалось ключевым моментом для понимания физического мира. Итак, уберите из арифметики умножение, и потерявшая силу теорема Геделя останется валяться на обочине, а арифметика окажется полной [74]. Кто знает, какой была бы эта картина, если бы следующим шагом оказалось признание того, что 2 + 3 не одно и то же, что 3 + 2? Окончательный итог, однако же, в том, что совершенно неясно, применимы ли условия, на которых Гедель построил свое доказательство, к физическому миру – единственному миру! Поэтому пессимизм ни на чем не основан, законы природы вполне могут быть логически непротиворечивы – это доказуемо. Во Вселенной нет никакого внутренне присущего ей логического раскола, который мог бы в одно мгновение катастрофически распространить свое действие повсеместно – начисто стереть нас и все сущее из реальности, ввергнуть обратно в небытие, в полное Ничто, из которого мир некогда возник. Больше того, может оказаться, что жизнеспособны только глобально непротиворечивые законы природы и что логически Вселенная представляет собой очень жесткую структуру, несовместимую ни с какой противоречивостью или рассогласованностью, как и с соответствующим этим состояниям типом арифметики.

Есть еще некоторые связанные между собой вопросы. Кое-кто настроен пессимистически в отношении последствий отыскания в один прекрасный день в будущем «теории всего» – чего-то вроде космического всеобъемлющего материнского начала, основы не только всех «внутренних законов», но и вообще всех законов. Эти пессимисты предполагают, что тогда для человечества придет время отключить свои компьютеры и признать, что дело сделано – достигнуто полное понимание всех тайн природы, освещены все ее уголки и закоулки. Так вот, я думаю, что всегда останется что-то, чем можно будет заняться. Например, может обнаружиться, что есть два или более одинаково успешных описаний всего мира и сделать выбор между ними невозможно. Намек на реализацию этой возможности нам уже встретился – как я объяснял в главе 8, можно сформулировать описание мира либо только через положения, либо только через количества движения. Ни одно из этих описаний не «лучше» другого. Может быть, есть мириады внешне несовместимых, но равносильных описаний мира, которые еще ждут своего открытия, мириады наборов взаимно непротиворечивых, но с виду несопоставимых законов природы.

Должны ли мы по какому-то признаку узнать, что мы уже открыли все законы природы? Есть ли способ убедиться, что та или иная теория верна, даже если ее экспериментальная проверка лежит за пределами наших технических или принципиальных возможностей?

И если предположить, что все законы открыты, – может, надо тогда потихоньку ослабить хватку и больше не связываться со сложностями их экспериментальной проверки? Надо ли выставить на переднем крае наших познаний стражу и дать ей неблагодарную задачу опознавать нарушителей законов Природы, – хоть мы и уверены, что такие нарушители вряд ли могут когда-нибудь появиться? На этих передовых рубежах знания в качестве инспекторов нам понадобятся неусыпные и неутомимые вечно бдящие роботы. А должны ли мы согласиться с тем (как намекают некоторые современные фундаментальные теории, среди которых я прежде всего имею в виду теорию струн), что, опираясь на нашу уверенность в созданных нами теориях, мы все равно будем принимать их за истину, даже если их невозможно протестировать? Не станут ли наши постепенные продвижения в поисках законов природы роковыми шагами в сторону чрезмерной самоуверенности?

Но, каким бы ни оказалось будущее, мне радостно сознавать, что, насколько мы можем судить, Вселенная – это рациональное, познаваемое место, и даже происхождение законов, которым она подчиняется, лежит в пределах человеческого понимания. С огромным нетерпением я жду, когда откроется захватывающая дух перспектива и в моем рассказе о сотворении мира можно будет заменить слова «не произошло ничего особенного» на «не произошло абсолютно ничего».

Примечания

1

Бэкон Ф. Сочинения. В 2 т. Т. I / Перевод Н. А. Федорова. М.: Мысль (Философское наследие), 1971. 590 с. С. 87–546. (Прим. пер.)

2

Я всегда был в восторге от книги Макса Джеммера The conceptual development of quantum mechanics (McGraw-Hill, 1966; русский перевод: Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М.: Наука, 1985, 379 с.), в которой подробно и тщательно описывается возникновение этой теории.

3

Согласно закону Гука, F = —kfx, где F – возвращающая сила, x – смещение от точки равновесия («пружина в состоянии покоя») и kf – характеристика пружины: постоянная взаимодействия, или жесткость. У жесткой пружины эта постоянная велика. Больше об этом в главе 6.

4

В переводе с латинского – «каково растяжение, такова и сила», т. е. «растяжение пружины пропорционально приложенной силе». (Прим. перев.)

5

Одна из форм закона Бойля – закон Бойля при постоянной температуре, V ∝1/p, где V – объем, занимаемый газом при давлении p. Из него следует, что произведение pV постоянно для данного количества газа при постоянной температуре. Больше об этом в главе 6.

6

Доступное объяснение теоремы Нётер см. Dwight Neuenschwander, Emmy Noether’s wonderful theorem (Johns Hopkins University Press, 2010). Более основательное изложение см. Yvette Kosmann-Schwarzbach, The Noether theorems: invariance and conservation laws in the twentieth century. Transl. Bertram Schwarzbach (Springer, 2011).

7

Кинетическая энергия тела с массой m, движущегося со скоростью v, равна ½mv^2. Потенциальная энергия тела с массой m на высоте h над поверхностью Земли равна mgh, где g – постоянная, обозначающая ускорение свободного падения (ее значение близко к 9,8 м/с^2). Энергия электромагнитного поля пропорциональна квадратам напряженностей электрического и магнитного полей.

8

Экспериментальная регистрация нейтрино была выполнена Ф. Б. Харрисоном, Х. У. Крузом и А. Д. Мак-Гуайром, которые были удостоены Нобелевской премии по физике, но только в 1995 году, спустя сорок лет. Представьте, каково это – сорок лет каждый октябрь сидеть как на иголках!

9

Стоит только открыть этот ящик Пандоры, и оттуда еще многое полезет. Различие между энергией и количеством движения (о котором далее будет идти речь в этой главе) зависит от состояния движения наблюдателя и объекта наблюдения. По ходу этого обсуждения мы должны будем интересоваться однородностью пространства-времени, а не каждой его составляющей по отдельности. Прошу прощения, что не отметил этого обстоятельства во вступлении к объяснению (хоть про себя я, разумеется, его отметил).

10

Если время между поколениями уменьшается вдвое при каждом отступлении на поколение назад, то общая временная протяженность будет конечной даже при бесконечном количестве поколений (1 + 1/2 + 1/4 +… = 2), но время, необходимое для того, чтобы Протовселенная породила свою «дочь», было бы бесконечно малым. Я-то был бы очень расстроен, если бы оказалось, что Протовселенная возникла бесконечно давно – это лишило бы смысла все, что я говорю, – но, без сомнения, понравилось бы людям с определенным складом ума.

11

Планковская длина определяется как , где G – гравитационная постоянная; можно показать, что ее значение около 1,6 × 10–35 метра, что примерно равно одной триллионной от одной триллионной части диаметра атомного ядра. Планковское время определяется как время, за которое свет преодолевает это расстояние: , что равняется 5,4 × 10–44 секунды. Исключительно в целях полноты изложения я упомяну еще планковскую массу, , которая оказывается равной более разумной и вполне представимой величине в 22 микрограмма. Одна страница этой книги весит около 140 000 планковских масс.

12

Я полностью и безо всякого отторжения воспринимаю слова Гимна о Сотворении мира из «Ригведы»:

1. Не было тогда не-сущего, и не было сущего. Не было ни пространства воздуха, ни неба над ним. Что двигалось чередой своей? Где? Под чьей защитой? Что за вода тогда была – глубокая бездна?

2. Не было тогда ни смерти, ни бессмертия. Не было признака дня или ночи. Нечто одно дышало, воздуха не колебля, по своему закону, И не было ничего другого, кроме него.

3. Мрак вначале был сокрыт мраком. Все это было неразличимым хаосом.

13

Много (около 2 × 10^52) планковских времен тому назад я размышлял о том, как могло иметь место возникновение чего-то из Ничего, в своей книге «Сотворение» (The creation, W. H. Freeman & Co., 1981) и еще раз в книге «Еще раз о Сотворении» (Creation revisited, W. H. Freeman & Co., 1992).

14

Аллюзия на известное высказывание американской писательницы Донны Тартт: «Красота меняет структуру реальности». (Прим. перев.)

15

Количество движения p тела массой m связано со скоростью тела v выражением p = mv.

16

Момент количества движения (угловой момент) J связан с угловой скоростью ω соотношением J = Iω, где I – момент инерции. Момент инерции тела с массой m, обращающегося по орбите радиуса r, равен I = mr 2.

17

Закон преломления Снеллиуса гласит, что когда луч проходит через поверхность раздела двух сред с коэффициентами преломления nr1 и nr2, то угол его падения и угол преломления подчиняются соотношению sin Ѳ_1 / sin Ѳ_2 = nr2 / nr1.

18

Вот анализ одной ситуации – вдруг вам придется с ней столкнуться. Человек тонет в озере. Если вы бегаете в десять раз быстрее, чем плывете, а утопающий и вы находитесь на одинаковом расстоянии d от береговой линии и на том же расстоянии друг от друга, если отсчитывать его вдоль линии, параллельной берегу, то краткое, хоть и довольно запутанное вычисление (которое лучше выполнить сейчас, чем когда это действительно случится) показывает, что вам надо бежать к точке, которая расположена на береговой линии на 93 % d от ближайшей к вам точки берега, а оттуда уже плыть.

19

Пусть амплитуда волны, приходящей в точку прибытия по одному из путей, равна a_0. Амплитуда волны, приходящей по немного отличающемуся пути, описываемому параметром p, мерой изогнутости пути, равна ap. Эти две амплитуды связаны соотношением ap = a_0 + p(da/dp) + ½p^2(d^2a/dp^2) +… Если путь достигает минимума, то член da/dp = 0 и две амплитуды отличаются только величиной второго порядка по p; все остальные пути отличаются гораздо сильнее, до первого порядка p. Эксперты уже понимают, что я буду обсуждать не амплитуду, а фазовую длину.

20

Длина волны λ частицы с количеством движения p дается соотношением де Бройля λ = h/p, где h – постоянная Планка (см. главу 8). Это соотношение, предложенное Луи де Бройлем (1892–1987) в 1924 году, как было показано позже, является следствием более общей формулировки квантовой механики.

21

Формальное определение действия S таково:

S = ∫пути L(q, q˙)ds,

где интегрирование ведется вдоль пути с бесконечно малыми шагами ds, q – положение частицы, q˙ – ее скорость и L(q, q˙) лагранжиан системы. В некоторых случаях L – разность между кинетической и потенциальной энергиями частицы, как в выражении для гармонического осциллятора.

22

Версия квантовой механики, основанная на концепции интерферирующих путей, – фейнмановская формулировка теории на основе интеграла по траектории, предложенная в книге P. Ф. Фейнмана и А. Р. Хибса «Квантовая механика и интегралы по траекториям» (McGraw-Hill, 1965) (Русский перевод: Фейнман Р. Квантовая механика и интегралы по траекториям / Р. Фейнман. М.: Книга по Требованию, 2021. 383 с.).

23

Если волна имеет амплитуду a в точке выхода, то ее амплитуда и фаза в удаленной точке aeiS/ћ, где S – действие, связанное с путем ћ = h/2π, а i = √(–1).

24

Второй закон Ньютона выражается дифференциальным уравнением F = dp/dt, где F – сила, а p – импульс. Более сложный пример – уравнение Шредингера для частицы с массой m и энергией E в одномерной области, где потенциальная энергия равна V(x): —(ћ^2/2m)(d^2ψ/dx^2) + V(x)ψ = Eψ, где ћ = h/2π и ψ – волновая функция частицы, математическая функция, содержащая всю динамическую информацию о частице.

25

Чтобы найти путь, соответствующий наименьшему действию (как определено в примечании 5), ищите путь, на котором δ ∫пути L(q, q˙)ds = 0, где δ означает изменение пути. Это условие минимизации удовлетворяется при условии, что ∂L/∂q – d(∂L/∂q˙)/dt = 0, которое представляет собой дифференциальное уравнение (уравнение Эйлера – Лагранжа). Если лагранжиан имеет форму L = ½mq˙2 – V(q), уравнение Эйлера – Лагранжа превращается во второй закон Ньютона.

26

Распределение Больцмана подразумевает, что отношение числа молекул N_1 и N_2 в состояниях с энергиями E_1 и E_2 при абсолютной температуре T равно N_2/N_1 = e—(E2–E1)/kT. В примечаниях символ T всегда означает абсолютную температуру.

27

Некоторые педанты знают, что я имею в виду «энергию нулевой точки» для определенных видов движения, энергию, которая из квантовомеханических соображений не может быть равной нулю. Невозможно, например, представить себе маятник, находящийся в состоянии абсолютного покоя.

28

Чтобы получить абсолютную температуру по шкале Кельвина из температуры, измеренной по шкале Цельсия, прибавьте к последней 273,15. Например, 20 °C равны 293 K.

29

Согласно закону скоростей реакции Аррениуса, скорость химической реакции пропорциональна e—Ea/RT, где Ea – энергия активации, а R – газовая постоянная (R = NAk).

30

Ньютоновский закон охлаждения гласит, что разность температур между телом и его окружением ΔT меняется со временем как ΔT(t) = ΔT(0)e—Kt, где K – постоянная, которая зависит от массы и химического состава тела.

31

Закон радиоактивного распада заключается в том, что число активных ядер N меняется со временем как N(t) = N(0)e—Kt, где K зависит от идентичности нуклида и связан с временем радиоактивного полураспада t1/2 соотношением K = (ln 2)/t1/2.

32

Формула Больцмана для энтропии: S = k ln W, где W – число способов, которыми молекулы могут быть распределены, имея при этом одну и ту же общую энергию. Натуральные логарифмы теперь обозначаются ln; в эпитафии Больцмана используется старое обозначение log. Было бы забавно думать, что Клаузиус обозначил энтропию изворачивающимся символом S, чтобы передать идею ее «поворота», но я понимаю, что на самом деле эта буква просто подвернулась под руку, – ведь ее соседки по алфавиту R и T были уже заняты.

33

Формула Клаузиуса для изменения энтропии ΔS при передаче энергии q в виде теплоты телу при абсолютной температуре T записывается так: ΔS = q/T. Имеются некоторые технические ограничения на способ переноса теплоты: в частности, он должен происходить «обратимо», что на практике означает «с минимальной разностью температур между приемником и источником тепла на всех стадиях теплопереноса».

34

Эффективность, или коэффициент полезного действия двигателя η определяется как отношение произведенной работы к потребленной теплоте. Формула Карно для КПД идеальной тепловой машины, работающей между горячим источником тепла при абсолютной температуре Tгоряч. и холодным теплоприемником при абсолютной температуре Tхолод., выглядит так: η = 1 – Tхолод. /Tгоряч.. Эффективность стремится к единице, когда температура холодного теплоприемника стремится к нулю или температура источника теплоты стремится к бесконечности. Высокие температуры достигаются с меньшими затратами, чем низкие, поэтому для достижения более высокого КПД инженеры стремятся поднять температуру горячего источника (например, используют перегретый пар). Для горячего источника с температурой 200 °C (473 K) и холодного теплоприемника при 20 °C (293 K) эффективность равна η = 0,38 (то есть, даже в идеальном двигателе лишь 38 процентов теплоты, выделенной топливом, может быть преобразовано в работу).

35

Формулировка Кельвина: «Посредством неодушевленного материального агента невозможно получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее до температуры более низкой, чем у самого холодного из окружающих объектов».

36

Клаузиус писал: «Теплота никогда не может перейти от более холодного тела к более теплому без какого-либо иного, связанного с этим процессом, изменения, происходящего в то же самое время».

37

Более подробно о связи между недостижимостью абсолютного нуля и величиной энтропии см. в моих книгах «Законы термодинамики: очень короткое введение» (The laws of thermodynamics: a very short introduction, Oxford University Press, 2010) и, в более строгом изложении, в соавторстве с Джулио де Паула и Джеймсом Килером, «Физическая химия» (Physical Сhemistry, 11th edition, Oxford University Press, 2018; русский перевод: Эткинс П. Физическая химия. В 2 т. / Пер. К. П. Бутина. М.: Мир, 1980; – Эткинс П., Паула Дж. де. Физическая химия. В 3 ч. / Пер. И. А. Успенской и В. А. Иванова / Под ред. акад. В. В. Лунина и проф. О. М. Полторака. М.: Мир, 2007).

38

Чтобы оценить вклад Пригожина, см. I. Prigogine, I. Stengers, The end of certainty, The Free Press, 1997 (Русский перевод: Пригожин И. Конец определенности / Пер. Ю. А. Данилов. Ижевск: Изд-во НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001). Король Бельгии, по-видимому, восхищался его работой, или, возможно, последовал рекомендациям своих советников – в 1989 году Пригожин получил от него титул виконта.

39

Закон совершенного газа: pV = NkT, где p – давление, V – объем, N – количество имеющихся молекул, T – абсолютная температура. Химики обычно записывают этот закон, представляя количество молекул в безразмерном виде, через молярную массу n = N/NA, где NA – число Авогадро; NAk = R (газовая постоянная). Тогда закон приобретает вид pV = nRT.

40

Большинство людей называют этот закон законом идеального газа. Однако я предпочитаю слово «совершенный», и вот почему. Существуют так называемые идеальные растворы, в которых молекулы растворенного вещества и растворителя взаимодействуют друг с другом, но каждая молекула не знает, является ли ее соседка молекулой растворяемого вещества или молекулой растворителя: взаимодействия между ними одни и те же. То же самое происходит и в совершенном газе, но взаимодействия между молекулами здесь не только одни и те же, они еще и нулевые. То есть совершенство – шаг на ступеньку выше идеала.

41

Закон Генри состоит в том, что концентрация газа c в жидкости, находящейся в равновесии, пропорциональна давлению газа (c = Kp); закон Рауля – в том, что присутствие растворенного вещества понижает давление паров растворителя на Δp пропорционально концентрации растворенного вещества (Δp = Kc); закон Вант-Гоффа – в том, что осмотическое давление Π пропорционально концентрации раствора (Π = Kc). Величина Ks во всех этих случаях различна.

42

Математические преобразования приводят к выражению pV = ⅓Nmv^2rms, где N – количество молекул в объеме V, m – масса молекулы, vrms – среднеквадратичное значение скорости, то есть корень квадратный из среднего значения квадратов скоростей молекул, которое можно условно считать их средней скоростью. При постоянной температуре это выражение имеет форму pV = const, что и дает закон Бойля.

43

Средняя (арифметическая) скорость молекулы c массой m в газе при абсолютной температуре T равна vсред. = (8kT/πm)1/2, то есть,

44

Как было отмечено в первом примечании к главе 1, согласно закону Гука, F = —kfx, где F – возвращающая сила, а x – смещение от положения равновесия. Частота осциллятора с массой m равна v = (1/2π)(kf/m)1/2. Для маятника длиной l, v = (1/2π)(g/l)1/2, где g – ускорение свободного падения, мера гравитационного притяжения. Последний результат также является предельным в том смысле, что он точен только в пределе нулевой амплитуды качаний.

45

Наиболее общее выражение для характеристики, принимающей значение P(x), когда смещение от положения равновесия равно x, имеет вид

В точке минимума кривой зависимости P от x (dP/dx)0 = 0. Следовательно, первый член после P(0), который не обращается в нуль, – это ½(d2P/dx2)0x2. Если P – потенциальная энергия Ep, то, так как возвращающая сила F и потенциальная энергия связаны соотношением F = —dEp/dx, в рамках этого общего сценария F = —(d2P/dx2)0x, что соответствует закону Гука, если (d2P/dx2)0 идентифицируется с kf.

46

Энергия гармонического осциллятора, то есть осциллятора, который подчиняется закону Гука, равняется E = p^2/2m + (kf/2)x^2, где m – его масса. Отметим симметрию: и количество движения p, и смещение x входят в это выражение в квадрате.

47

Структура и ее дифракционная картина по сути являются фурье-преобразованиями друг друга. Подобным же образом фурье-преобразованиями друг друга являются описания мира «через положения» и «через импульсы».

48

При условии, что «там» находятся фотосинтезирующие организмы. (Прим. ред.)

49

Согласно кулоновскому закону обратных квадратов, величина силы между двумя электрическими зарядами Q_1 и Q_2, находящимися на расстоянии r друг от друга, равна F = Q_1Q_2/4πε_0r^2, где ε_0 – фундаментальная постоянная, диэлектрическая проницаемость вакуума. Потенциальная энергия этих двух зарядов равна Ep = Q_1Q_2/4πε_0r. Аналогичный закон обратных квадратов выражает величину силы гравитационного притяжения между двумя массами m_1 и m_2: F = Gm_1m_2/r^2, где G – гравитационная постоянная.

50

Полное обозначение симметрии кулоновского взаимодействия в рамках теории групп записывается как SO(4): специальная ортогональная группа в четырех измерениях.

51

В атоме водорода все атомные орбитали одной оболочки (обозначаемые главным квантовым числом n) имеют одинаковую энергию безотносительно к их угловому моменту вращения вокруг ядра (обозначаемому квантовым числом момента импульса l). Следовательно, все орбитали s, p, d… одной и той же оболочки имеют одинаковую энергию. «Вырожденность», то есть обладание одинаковой энергией, всегда связано с симметрией; в данном случае это является следствием четырехмерной гиперсферичности кулоновского взаимодействия, которое позволяет этим орбиталям, при их различных формах, вращаться друг внутри друга в четырех измерениях.

52

Если исходную волну обозначить ψ(x), то после глобального калибровочного преобразования, однородного сдвига по фазе на угол ϕ, она приобретает вид ψ(х)eiϕ. Плотность вероятности частицы, равная ψ*(x)ψ(x) до преобразования, после преобразования становится равной ψ*(х)e—iϕψ(х)eiϕ = ψ*(x)ψ(x). Эта величина инвариантна; ее инвариантность не нарушается при локальном калибровочном преобразовании ϕ(x), так как все еще ψ*(х)e—iϕ(х)ψ(х)eiϕ(х) = ψ*(x)ψ(x).

53

Вот технический аргумент, связывающий глобальное калибровочное преобразование с сохранением заряда. Я буду, насколько это возможно, сокращать обозначения, так как мне важно показать основное направление аргументации: чтобы выполнить эти преобразования надлежащим образом, вам пришлось бы рассмотреть производные по времени наряду с единственной используемой здесь пространственной производной. Рассмотрим бесконечно малый толчок, такой, что преобразование ψ(х) → eiϕψ(х) можно приблизить выражением ψ(х) → (1 + iϕ) ψ(х) = ψ(х) + δψ(х) при δψ(х) = iϕψ(х). Результирующее изменение плотности лагранжиана L(ψ, ψ') = ½ψ' 2 – ½mψ^2, где ψ' = ∂ψ/∂x, равно

Отметим, что согласно уравнению Эйлера – Лагранжа (уравнению, которое показывает вам, как нащупать такой путь, вдоль которого минимизируется результирующее действие),

Следовательно,

Плотность лагранжиана при глобальном калибровочном преобразовании остается неизменной, поэтому δL = 0 для произвольной ϕ. Таким образом,

и текущее значение J сохраняется.

54

Допустим, что волновая функция ψ(x) удовлетворяет уравнению Шредингера

Теперь сдвинем фазу волновой функции к ψ(х)eiϕ(x) = ψ~(х). После фазового сдвига функция больше не удовлетворяет тому же уравнению, так как

Три нежелательных добавочных члена будут устранены, если модифицировать уравнение Шредингера следующим образом:

с

Добавочный член U(x) похож на вклад энергии V(x) и отражает взаимодействие с полем. Таким образом, взаимодействия возникают из локальной калибровочной инвариантности. Отметим, что член, пропорциональный d/dx, фактически пропорционален оператору количества движения p = (ћ/i)d/dx.

55

Соотношение между частотой квантов ν и их энергией: E = hν, и в общепринятых единицах h = 6,626×10–34 Дж∙c. Из этого следует, что энергия (в джоулях), деленная на постоянную Планка, есть частота (измеряемая «в секунду»). Если преобразовать таким образом энергию в 1 джоуль, то получится примерно 2×10^33 обратных секунд. Соотношение Планка превращается в E† = ν, и тогда его постоянная исчезает. Если вы настаиваете, вы можете сохранить формулу E† = hν, но тогда вам придется принять h = 1.

56

Уравнение Шредингера для частицы массой m, движущейся в области, где ее потенциальная энергия равна V, а ее полная энергия равна E, имеет вид

57

Если обозначить положение x, а импульс (количество движения) вдоль того же направления p, тогда коммутация положения и импульса будет xp – px. Эта комбинация имеет стандартное обозначение [x, p] – «коммутатор» x и p. В квантовой механике x и p рассматриваются как «операторы» (действия с функциями, например, умножение или дифференцирование). Вся система принципов квантовой механики вытекает из соотношения [x, p] = ih/2π, где i – «мнимая единица», , так что можно в каком-то смысле сказать, что квантовая механика покоится на полностью мнимом основании.

58

При x† = x/c и m† = mc^2/h импульс приобретает вид p† = cp/h. Коммутатор [x, p] = ih/2π тогда становится равным [x†, p†] = i/2π. Представим себе, что в некоторый момент вы, имея массу 70 кг, находитесь на расстоянии 2 м от некоторой точки и двигаетесь со скоростью 3 м/с. Ваше количество движения (произведение массы на скорость) равно 70 кг × 3 м/с = 210 кг м/с. Произведение вашего положения и количества движения равно 2 м × 210 кг м/с = 420 кг м 2/с. Постоянная Планка в тех же единицах равна 6,6 × 10–34 кг м 2/с – величина неизмеримо меньшая и полностью пренебрежимая. В новой системе единиц 2 м от некоторой точки превращаются в 7 наносекунд, а масса в 70 кг, движущаяся со скоростью 3 м/с, есть фактически количество движения, выраженное в единицах частоты: 9,5 × 10^43 Гц. Таким образом, произведение положения и количества движения равно 7 × 10^35, что неизмеримо больше 1.

59

Одно из следствий отказа от k заключается в том, что энтропия (вспомним, что Больцман определял ее как S = k logW) приобретает вид S = logW и становится безразмерным числом. Закон совершенного газа pV = NkT превращается в pV = NT†. Если вы настаиваете на сохранении общепринятой формы газового закона и записываете его как pV = NkT†, вам придется принять k = 1. Обычно газовый закон записывают так: pV = nRT, где n – молярная масса вещества (в молях), а R – газовая постоянная. Последняя связана с k через соотношение R = NAk, где NA – число Авогадро. При k = 1, R = NA.

60

Здесь один за другим приведены четыре примера того, как использование ₮ упрощает вид уравнений:

61

Здесь я ввожу ₮ † = h₮ = h/kT.

62

Здесь приведены окончательные формы четырех выражений из примечания 6, где в дополнение к уже введенным параметрам используются величины C† = C/k, V† = V/c 3 и p† = c 3p/h. Первая из них безразмерна, вторая выражается в секундах^3, а третья – в 1/секунды^4.

63

Постоянная тонкой структуры есть α = µ^0ε^2χ/2η, где µ_0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, величина которой определена как 4π × 10–7Js^2C–2m–1. Значение, вычисленное с большей точностью, чем α = 1/137, составляет α = 0,007 297 352 5664. В определении α присутствует некоторая произвольность: у электрического заряда может существовать более фундаментальная мера. Например, заряд кварка равен ￼e, что может оказаться более подходящим значением. В этом случае значение α оказалось бы в девять раз меньше – около 1/1233.

64

Вот одна из таких комбинаций, якобы воспроизводящая значение постоянной тонкой структуры:

α =29 cos(π/137) tg(π/(137×29))/π.

Оно оказывается равным 0,007 297 352 531 86…

65

Я ссылался на закон обратных квадратов в примечании 1 к главе 6: он выражает величину силы притяжения между двумя массами m_1 и m_2 как F = Gm_1m_2/r^2. Значение гравитационной постоянной G: 6,673 × 10–13 кг–1м 3с–2.

66

Безразмерная форма G выглядит так: αG = 2πGme2/hc. Нет никакой фундаментальной причины для того, чтобы в этом определении участвовала масса электрона, кроме аналогии с e 2, который появляется в α, поэтому, возможно, численное значение αG лишь дает представление о величине силы тяготения.

67

Wigner E. P. (1960). The unreasonable effectiveness of mathematics in the natural sciences. Richard Courant lecture in mathematical sciences delivered at New York University, 11 May 1959. Communications on Pure and Applied Mathematics. 13: 1–14 (Русский перевод: Вигнер Е. Непостижимая эффективность математики в естественных науках / Пер. В. А. Белоконя и В. А. Угарова. УФН, 1968. Т. 94. Вып. 3. С. 535–546).

68

Нижеследующее обсуждение математических оснований реальности основано на идеях, опубликованных в моих книгах Creation (1983) и Creation revisited (1992). Спустя несколько десятилетий Макс Тегмарк, возможно, независимо, выдвинул похожие идеи в своем труде Our mathematical universe (2014). (Русский перевод: Тегмарк М. Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности / Пер. А. Сергеева. Корпус, «Элементы», 2016.).

69

Для знакомства с уравнениями, лежащими в основе описания узоров на шкурах животных, см. Mathematical biology, J. D. Murray (Springer Verlag, 1989), гл. 15. (Русский перевод: Мюррей Д. Математическая биология. В 2 т. / Пер. Л. С. Ванаг, А. Н. Дьяконова (Т. 1), А. Н. Дьяконова, А. В. Дюба, П. В. Шелякина, под науч. ред. Г. Ю. Ризниченко. М.; Ижевск, РХД-ИКИ, 2009–2011.)

70

Аксиомы Пеано (в сокращенной форме):

1 0 – натуральное число.

2 Для любого натурального числа n следующее за ним число тоже является натуральным.

3 Для всех натуральных чисел m и n m = n тогда и только тогда, когда числа, следующие за m и n, равны.

4 Не существует натурального числа, за которым следует 0.

Тогда сложение (+) определяется так, что n + 0 = n и n + S(m) = S(n + m), а умножение (×) так, что n × 0 = 0 и n × S(m) = n + (n × m), где S(n) – число, следующее за n.

71

В своей ранней, но все равно не особенно доступной форме теорема Левенхайма – Скулема утверждает, что если счетная теория первого порядка имеет бесконечную модель, то для каждого бесконечного кардинального числа k она имеет модель размера k. Несколько более удобоваримое следствие из теоремы состоит в том, что система правил, таких, например, как правила арифметики, моделирует любую область знания, которая может быть формализована в виде набора аксиом.

72

Более определенно, для всех фермионов (частиц с полуцелым спином, к которым относятся и электроны), при перестановке значков двух идентичных фермионов (перестановке частиц) волновая функция меняет знак: ψ(2,1) = —ψ(1,2). Этот принцип глубоко связан с теорией относительности.

73

Статья в «Википедии» предельно ясна:

«[Гёдель] для любой вычисляемой аксиоматической системы, достаточно мощной, чтобы описать арифметику натуральных чисел (например, аксиомы Пеано или теорию множеств Цермело – Френкеля с аксиомой выбора), доказал, что:

Если (логическая или аксиоматическая формальная) система непротиворечива, она не может быть полной. Непротиворечивость системы аксиом не может быть доказана внутри этой системы.

Теоремы Геделя завершили продолжавшуюся полвека серию попыток отыскать систему аксиом, достаточную для всей математики. Эти усилия начались работой Фреге и достигли кульминации в Principia Mathematica и формализме Гильберта. Английскую версию работы Геделя On formally undecidable propositions («О формально неразрешимых предложениях») можно найти в книге Gödel’s theorem in focus, под ред. С. Дж. Шенкера (Routledge, 1988), но там вам придется столкнуться с утверждениями вроде

0 St v, x = εn| n ≤ l(x) & Fr n, x & (Ep)[n < p…».

Гораздо более доступная версия, рассчитанная на обычных земных людей: Gödel’s proof, E. Nagel and J. R. Newman, Routledge, 1958. (Русский перевод: Нагель Э., Ньюмен Дж. Р. Теорема Геделя. М.: Красанд, 2010.

74

Здесь я имею в виду то, что называется «арифметикой Пресбургера» – арифметика Пеано без ×. Очень хорошее и доступное ее объяснение см. в John Barrow’s New theories of everything, Oxford University Press, 2007. (Русский перевод: Барроу Д. Новые теории всего / Пер. П. А. Самсонова. Попурри, 2013.)

Content

Питер Эткинс
В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики

Предисловие

1 Назад в вечность

2 Много шума из ничего

3 Власть анархии

4 Вырвалось сгоряча

5 За пределами анархии

6 Творческая сила неведения

7 Атака легкой кавалерии

8 Мера за меру

9 Взывая к глубинам

Примечания