Краткая история физики: Разные правила для разных миров

Наука — язык для описания окружающего мира, а также нашего взаимодействия с ним и со всей Вселенной. Но это всего лишь один язык в ряду множества других языков (когда-то люди описывали мир в терминах алхимии или духовных традиций), возникших задолго до современной науки. Может быть, другие языки кажутся сейчас не такими совершенными, но они работали. Меня удивляет, когда спрашивают: «Что же люди делали до появления науки? Что они знали о мире?» Хочется крикнуть в ответ: «Они знали о мире много, очень много!»

В далеком прошлом знали, откуда произошла жизнь, знали причины болезней и то, как их лечить, умели рассчитывать лунные и солнечные циклы и еще многое другое. Единственное, чего тогда не знали — это современного строгого научного языка. Но последнее обстоятельство ничуть не мешало жившим тогда людям весьма толково объяснять, как устроен мир и почему он устроен именно так, а не иначе. И, между прочим, человеческая цивилизация просуществовала более 5000 лет, прекрасно обходясь без открытий нашей нынешней науки.

Началом научной эры принято считать XVII век. В 1687 году Исаак Ньютон издал свой знаменитый труд «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), в котором формализовал математический аппарат, казавшийся ему наилучшим средством описания мира. С тех пор на протяжении более двух столетий ньютоновская концепция природы была основой научного метода, называемого сегодня «классической физикой». Вместе с теорией электричества и магнетизма Максвелла и теорией относительности Эйнштейна классическая физика достаточно успешно описывала весь видимый мир вплоть до движения планет и галактик. Она позволила нам рассчитывать орбиты искусственных спутников и высадить человека на Луне.

Однако в начале XX столетия исследования привели физиков в мир атома, где законы Ньютона не работают (ранее наши технологии просто не позволяли нам наблюдать за атомами или поведением частиц при зарождении новых звезд в далеких галактиках). В результате выяснилось, что традиционная классическая физика не дает удовлетворительных объяснений не только событиям микромира, но и тому, что происходит в макромире. И тогда возник язык квантовой физики, объясняющий явления, не умещающиеся в рамки наших привычных представлений о реальности.

Определение квантовой физики заложено в самом ее названии. Квант — это «неделимое количество электромагнитной энергии». Иными словами, кванты — это то, из чего состоит мир. Квантовая физика довольно быстро обнаружила, что вещи внешнего мира, выглядящие вполне твердыми, на деле отнюдь не таковы. Чтобы пояснить эту мысль, приведу следующее простое сравнение.

Сидя в кинотеатре и глядя на экран, мы отдаем себе отчет в том, что разворачивающиеся перед нами события по сути иллюзорны. Трагедии и мелодрамы, от которых у нас учащается сердцебиение, — не что иное, как набор отдельных картинок, быстро сменяющих одна другую, так что создается впечатление непрерывного действия. Наши глаза видят череду картинок, а мозг увязывает их в единое движение. Квантовая физика доказывает, что почти так же устроен и весь мир. Когда мы, например, видим в воскресной спортивной программе, как футболист бьет ногой по мячу или как фигурист совершает сложный прыжок, в терминах квантовой физики каждое из этих действий представляет собой серию отдельных событий, происходящих подряд и очень быстро. Подобно тому как реалистичный кинофильм выстраивается из картинок, все в этом мире складывается из мелких коротких вспышек света, называемых квантами. Дело в том, что кванты вспыхивают с такой скоростью, что мозг (если только он не находится в состоянии глубокой медитации) привычно усредняет их пульсацию, создавая иллюзию непрерывного движения, совсем как в выпуске спортивных новостей.

 

Можно сказать, что квантовая физика изучает в очень мелком масштабе действие сил, лежащих в осно-нании материального мира. Сегодня в физике есть два основных научных направления, каждое из которых придерживается своих взглядов на мироустройство, — классическая физика и квантовая. И у каждого из них свои методы и теории.

Ученые потратили много усилий, чтобы объединить эти научные направления и приблизиться к созданию единой теории. Для этого им необходимо было признать существование субстанции, которая заполняет пространство, кажущееся пустым. Но что это за субстанция?

Хроника долгого пути к единой теории

1687 год — Ньютоновская физика. Исаак Ньютон публикует сформулированные им законы движения. Начинается новая наука. Вселенная рассматривается как большая механическая система, где время и пространство абсолютны.

1867 год — Физика теории поля. Джеймс Максвелл предположил, что существуют силы, не укладывающиеся в концепцию Ньютона. Совместные исследования Джеймса Максвелла и Майкла Фарадея приводят к открытию, что Вселенная — это взаимодействующие между собой энергетические поля.

1900 год — Квантовая физика. Макс Планк создает теорию, согласно которой мир — это вспышки энергии — квантов. Эксперименты на квантовом уровне показывают, что материя состоит не из твердых частиц, а из возможностей и вероятностей. Это застав ляет предположить, что реальность, в итоге, не так уж реальна.

1905 год — Теория относительности. Альберт Эйнштейн низвергает своей теорией ньютоновскую парадигму. Он утверждает, что время относительно. Ключевой вывод теории относительности состоит в том, что пространство и время не разделены.

1970 год — Физика теории колебаний. Физики пришли к выводу, что теории, описывающие мир как тонкие вибрирующие нити энергии, могут быть использованы для непротиворечивого описания как квантового, так и видимого мира. Научное сообщество увидело в этой идее возможность объединить все существующие научные теории.

20...? год — Новая универсальная теория физики.

Однажды физики найдут способ объяснить голографи-ческую природу всего, что мы наблюдаем в повседневности и в квантовом мире. Они смогут наконец вывести уравнения, унифицирующие все физические теории.

Чем заполнена пустота?

В самом начале фильма «Контакт» его главная героиня, доктор Арровэй (в исполнении Джуди Фостер), задает отцу вопрос, который становится лейтмотивом всего фильма: «Одиноки ли мы во Вселенной?» Ответ отца на всю жизнь становится для нее критерием истины и помогает ей сохранять свои убеждения в самых сложных ситуациях — от романтических отношений до экстремальных условий далекой космической экспедиции. Ответ был прост: если мы одни, то непонятно, зачем нам столько вселенской пустоты!

С этой же точки зрения можно воспринимать и пространство между вещами: было бы странно, если бы столько места пропадало зря. По оценкам ученых, материальные объекты Вселенной, как мы ее себе представляем, занимают только 10% ее объема. Неужели мироздание ограничивается этими десятью процентами? Чем же тогда заполнено пространство, кажущееся пустым? Волны от брошенного в пруд камня передаются по воде. Значит, и для всех остальных вибраций должна существовать какая-то среда. Но тогда придется отказаться от основного принципа современной науки, согласно которому пространство между вещами является пустотой.

Из чего состоит пространство? Стоит нам это понять — и мы сделаем большой шаг к постижению своей внутренней природы и наших взаимоотношений миром. По-видимому, поставленному выше вопросу столько же лет, сколько и человеческой культуре, причем ответ всегда был под рукой, просто раньше го не замечали.

Человеку всегда было свойственно ощущение глубокой связи с окружающим миром и Вселенной. Чтобы в этом убедиться, достаточно обратить внимание на наскальные рисунки австралийцев (их возраст оценивают в 20 000 лет), египетские храмы и искусство Юго-Запада Америки. И судя по всему, в былые времена такая связь ощущалась сильнее, чем в наши дни. Но если она существует, что выступает в качестве связующего элемента?

Во все времена поэты и философы, ученые и мистики пытались ответить на этот вопрос. То, насколько он важен, ясно показал физик Конрад Финейгл (1858-1936): «Представьте,что будет, если убрать пространство, разделяющее материю. Вселенная сожмется до размеров комочка грязи. Именно пространство удерживает все вещи на своих местах»¹³. Один из первых антропологов, Луис Лики, говорил: «Мы не сможем по-настоящему развиваться, пока не поймем, кто мы такие». Мне кажется, это крайне верное замечание. Видимо, бытовавшее в прошлом представление человека о самом себе было достаточно верным, раз оно позволило цивилизации развиться до ее нынешнего состояния. Сегодня настало время шагнуть на следующую ступень самопознания. Этот шаг позволит человечеству обрести еще большие возможности. Однако постичь свою природу и принципы работы мироздания нам мешает наше нежелание поверить в то, что пространство заполнено некоей разумной энергией.

В XX веке ученые убедились, что пустота заполнена энергетическим полем, отличающимся от любого известного вида энергии. Эта энергия существует от самого сотворения мира и пронизывает собою все сущее, подобно сети Индры и ньютоновскому эфиру. В одной из своих лекций в 1928 году Эйнштейн сказал: «Согласно общей теории относительности, пространство без эфира невозможно. В таком пространстве не смог бы распространяться свет, кроме того, его нельзя было бы считать пространством»¹⁴.

Отец квантовой физик Макс Планк был убежден, что, если поле существует, значит, ответственность за физический мир несет некое разумное начало: «Мы должны ощущать за этой силой (которую воспринимаем в виде материи) наличие сознательного Разума. Этот Разум и является матрицей всего сущего»¹⁵.

Хвост эйнштейновского льва

И учебники, и телескопы внушают человеку мысль, что пространство между вещами пусто,— неважно, идет ли речь о космических пустотах между звездами и галактиками или о микрокосмосе между частицами энергии атома.

Когда мы называем нечто «пустым», то имеем в виду, что там ничего, вообще ничего нет. Разумеется, для невооруженного глаза пространство между видимыми объектами выглядит пустым. Но насколько оно в самом деле пусто? И каково это — жить в мире, где пространство между сгустками материи действительно пустое? Прежде всего, найти такое место во Вселенной весьма затруднительно, ведь, как говорится, природа не терпит пустоты. Впрочем, мы можем перенестись в подобное место мысленно.

Во-первых, там должно быть абсолютно темно. Предположим, мы включили бы там прожектор. Его свет остался бы на месте — у световых волн не было бы среды для распространения. Это все равно что бросить камень в высохший пруд и ждать, пока по воде побегут волны. Камень упадет на дно этого пруда. И по той же причине наш воображаемый мир был бы невероятно тихим. Звуковые волны существуют и передаются тоже в определенной среде. Да и вообще никакая разновидность известной человеку энергии не смогла бы проявиться в мире, заполненном пустотой, — ни электромагнитные колебания, ни магнитное поле, ни радиация, ни гравитация.

К счастью, наши размышления о таком мире лишены практического смысла, ведь окружающее нас пространство отнюдь не пустое. Как бы мы ни называли пронизывающее его поле, какие бы определения ни давали ему религия и наука, очевидно одно: это поле существует и служит «великой паутиной», соединяющей все на свете и связывающей человека с силами высшего мира.

Об этой загадочной силе, существующей во Вселенной, в начале XX века упоминал Эйнштейн. «Природа показывает нам только кончик львиного хвоста», — говорил он, будучи уверен, что за пределами видимой реальности есть нечто, недоступное нашему восприятию, даже несмотря на имеющиеся у нас мощные средства наблюдения за космосом. Далее Эйнштейн развил эту метафору с характерным для него красноречием: «Не сомневаюсь, что у хвоста есть лев, пусть даже он не может появиться перед нами целиком из-за своих громадных размеров»¹⁶. В более поздних своих заметках Эйнштейн писал, что, кем бы мы ни были и какова бы ни была наша миссия во Вселенной, мы подчиняемся высшей силе: «Человеческие существа, растения и космическая пыль — все мироздание танцует загадочный танец под дудочку невидимого волынщика»¹⁷.

Того же самого эйнштейновского льва имел в виду отец квантовой физики Макс Планк, когда он, еще до открытий Эйнштейна, поколебав основания классической физики, заявил, что Вселенной управляет высший разум и все в мире соединено его вполне реальной, хотя и трудноуловимой энергией. После этих слов старые идеи о том, из чего состоит мир (и сама реальность мироздания), следует вышвырнуть вон!