Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания
Джим Аль-Халили

New Science
Фантастические масштабы и диапазон тем, которыми занимается современная физика, поражают воображение. Мы знаем, из чего состоит всё (или почти всё), что нас окружает, видим невидимое, исследуем связи всех кубиков мироздания, можем проследить эволюцию Вселенной чуть ли не с момента зарождения пространства и времени, а законы физики позволяют создавать технологии, которые меняют нашу жизнь.

Всё, что окружает вас в настоящий момент, всё, что создало или построило человечество, стало реальностью благодаря нашему понимаю законов природы – сил, участвующих в формировании мира и свойств материи, на которую эти силы воздействуют. Как же понять законы мира, в котором мы живем?

Джим Аль-Халили – автор бестселлеров и ведущий BBC – признается в любви к физике и хочет показать, насколько она прекрасна. Прочитав эту книгу, вы сможете не только понять, что физики вкладывают в понятия «пространство и время», «энергия и материя», но и узнать, что ждет нас в будущем. Темная материя и энергия, мультивселенные и многое другое перестанут быть для вас пустыми словами.

Познакомьтесь с рассказом о современной физике без формул и занудных объяснений!

В формате PDF A4 сохранён издательский дизайн.

Джим Аль-Халили

Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

THE WORLD ACCORDING TO PHYSICS

JIM AL-KHALILI

© 2020 by Jim Al-Khalili

© Перевод на русский язык ООО «Прогресс книга», 2022

© Издание на русском языке ООО «Прогресс книга», 2022

© Серия «New Science», 2022

© ООО Издательство «Питер», 2022

Предисловие

Эта книга – ода физике.

Я влюбился в физику еще подростком. По-видимому, это отчасти объяснялось тем, что она мне хорошо давалась. Этот предмет казался мне увлекательной смесью головоломок и здравого смысла; мне нравилось играть с уравнениями, манипулировать алгебраическими символами, жонглировать цифрами и таким образом познавать секреты природы. В то же время я понимал: чтобы получить толковые ответы на многие серьезные вопросы о природе Вселенной и смысле существования, которые будоражили мой подростковый ум, то изучать мне нужно именно физику. Вот что мне хотелось знать: из чего мы сделаны; откуда мы взялись; есть ли у Вселенной начало или конец; она конечна или тянется бесконечно; что это за штука под названием «квантовая механика», о которой мне говорит отец; какова природа времени? Стремление найти ответы на эти вопросы привело к тому, что я всю жизнь занимаюсь физикой. Теперь у меня есть ответы на некоторые вопросы; остальные я все еще ищу.

Кто-то в своих поисках обращается к религии. Что же до меня, ничто не сравнится с построением гипотез, их тестированием и дедуктивными выводами – со всем тем, что отличает научный метод. Наше понимание мира мы получили благодаря науке, и прежде всего физике, и это не просто один из возможных, одинаково действенных способов узнать «истину». Это – единственный доступный нам способ.

Конечно, многие никогда не полюбят физику так, как я. Возможно, от точных наук их отпугнет сложность предмета – они сами решили или им всегда говорили, что это для «умников». И правда, пока овладеешь тонкостями квантовой механики – голову сломаешь. Но каждый может – и должен – понимать, как удивительно устроена Вселенная, а такое понимание не требует долгих лет учебы. В этой книге я хочу объяснить, чем хороша физика, что делает ее фундаментальной наукой и почему она играет решающую роль в нашем понимании мира. Фантастические масштабы и диапазон тем, которыми занимается современная физика, поражает воображение. Поражает все: и наши знания о составе (почти) всего, что мы видим вокруг, и о том, как элементы связаны друг с другом; и то, что мы можем проследить эволюцию Вселенной чуть ли не с момента зарождения пространства и времени; и то, что благодаря знанию законов физики мы разрабатываем технологии, которые преобразуют нашу жизнь. И сейчас, когда я пишу эти строчки, я все равно задаю себе вопрос: как можно не любить физику?

Эта книга замышлялась как знакомство с некоторыми фундаментальными законами физики. Однако многие из тем, которые я затрону, вы наверняка уже изучали в школе. Но, может, кому-то эта книга поможет по-новому взглянуть на физику и побудит к дальнейшему ее изучению или даже поведет дальше по бесконечной дороге исследований и открытий, как это случилось со мной. Других читателей, у которых знакомство с физикой началось «не с той ноги», эта книга может мягко «подтолкнуть» в нужную сторону. А некоторых просто заставит испытать изумление перед тем, насколько далеко человечество продвинулось в своем стремлении к пониманию тайн Вселенной.

Чтобы рассказать о том, как наука объясняет нам законы Вселенной, я выбрал ряд самых важных понятий современной физики и попытался показать, как они связаны друг с другом. Я расскажу о широком диапазоне физических явлений – от космических до существующих на наноуровне. Вы узнаете о поиске общего закона природы и о простейших физических принципах, управляющих нашей жизнью, о последних теоретических предположениях и о физических понятиях, лежащих в основе нашего каждодневного опыта и технологических достижений. Я также познакомлю вас с некоторыми новыми идеями, которые мы, физики, давно приняли на вооружение, но не вывели их за пределы узкого круга специалистов. Например, на субатомном уровне отдельные частицы, несмотря на достаточное расстояние между ними, могут спонтанно взаимодействовать друг с другом, причем таким образом, который не поддается логическому объяснению. Это свойство, под названием «нелокальность», может в конечном счете заставить нас пересмотреть само понимание структуры пространства. Однако, к сожалению, многие неспециалисты – и даже отдельные ученые – неверно понимают и интерпретируют то, что на самом деле имеется в виду.

Критические замечания научного сообщества (особенно теоретиков) таковы: научно-популярная литература, посвященная основным понятиям физики, не всегда помогает неспециалисту разобраться, в чем суть этих понятий. Как мне кажется, причина в том, что те суперпрофессионалы, которые предлагают новые концепции и пишут научные статьи, не всегда способны донести свои идеи до неспециалистов. В свою очередь, авторы-популяризаторы частенько недостаточно глубоко понимают новые идеи, чтобы и специалисты остались довольны. И даже тому, кто понимает физическую суть явлений и может, как я надеюсь, с успехом общаться с неспециалистами, все равно непросто объяснить без привлечения высшей математики такие термины, как калибровочная инвариантность, дуализм, инфляционное расширение Вселенной, голографический принцип, конформная теория поля, антидеситтеровское пространство или энергия вакуума. Я сделал в этом отношении все возможное, но вполне могут найтись читатели, которые скажут, что можно было бы и лучше. И конечно, они будут правы.

А для тех, кто захочет глубже погрузиться в темы, которые я здесь только затрону, есть масса полезной литературы. На последних страницах вы найдете список книг, которые, как мне кажется, будут наиболее доступны и полезны для этой цели. Многие описывают путь научного прогресса – как физика развивалась в течение тысячелетий, со времен древних греков, как совершались открытия, как выдвигались и отбрасывались различные гипотезы и теории. Они рассказывают о научных революциях, которые опровергали прежние взгляды на Вселенную, а также о ведущих игроках на этой сцене. Однако в своей небольшой книге я не буду оглядываться на пройденный нами путь. Не буду я также говорить о том, сколько нам еще осталось пройти (поскольку этого не знаю, да и подозреваю, что идти еще далеко), хотя в главе 8 я расскажу о том, что мы знаем и чего не знаем.

Я также не ярый сторонник какой-либо определенной теории. Например, когда речь идет о соотнесении квантовой механики и общей теории относительности (а это – священный Грааль современной теоретической физики), я не примыкаю ни к одному из двух лагерей, которые занимаются этой проблемой. Я не приверженец теории струн, но и не увлекаюсь теорией петлевой квантовой гравитации[1 - Чуть позже я обязательно разъясню эти теории.], поскольку ни одна из них не относится к моей узкой специальности. Что же касается интерпретации квантовой механики, то я не поддерживаю ни копенгагенскую школу, ни теорию множества миров[2 - Опять же объясню позже.]. Однако это не мешает мне периодически вступать в полемику по этим вопросам.

Еще я постараюсь не слишком увлекаться философскими и метафизическими размышлениями, хотя такой соблазн всегда возникает, когда обсуждаешь серьезные и острые темы, будь то природа пространства и времени, различные интерпретации квантовой механики или даже смысл жизни. При этом я не имею в виду, что физика может обойтись без философии. Чтобы вы поняли, как важна философия в моем предмете, скажу только одно: физики до сих пор не могут договориться, в чем состоит их основная задача – выяснить, каков реальный мир вокруг них, как считал Эйнштейн, то есть отыскать истину, или же построить модель мира и предложить оптимальное для настоящего момента понимание реальности – реальности, которую мы, возможно, никогда по-настоящему не познаем. Здесь я на стороне Эйнштейна.

Проще говоря, я хочу сказать, что физика дает нам инструменты для понимания Вселенной. Изучение физики – это поиск ответов на вопросы. Но, чтобы начать поиск, мы должны сначала поставить правильные вопросы, в чем философы как раз очень сильны.

Итак, мы начнем свое путешествие в соответствующем моменту смиренном состоянии – в том состоянии, которое, по сути, присуще нам всем, и детям, и взрослым, и прошлым, и будущим поколениям, – в состоянии незнания. Думая о том, чего мы еще не знаем, мы можем придумать, как нам об этом лучше всего узнать. Именно то огромное количество вопросов, которые мы задавали на протяжении истории развития человечества, позволило нам составить достаточно точную картину нашего мира, который мы знаем и любим.

Итак, вот он – мир согласно физике.

Глава 1. Трепет понимания

Хотя вымысел всегда будет частью истории человечества и даже науки, а наша жизнь без него была бы только беднее, современная наука потеснила мифы и связанные с ними суеверия. Миф о создании мира – хороший пример того, как мы демистифицировали наш подход к пониманию мира. С древнейших времен человечество сочиняло истории о начале мира, о божествах, которые имели к этому отношение, – от шумерских легенд о боге Ану, или Небесном Отце, до греческих мифов о Гее, созданной из Хаоса, или мифа о создании мира в авраамических религиях, которые все еще считаются истинными во многих сообществах в разных странах. Многим неспециалистам может показаться, что существующие космологические теории о происхождении Вселенной ничем не лучше религиозных представлений, которым они пришли на смену. И если внимательнее взглянуть на некоторые спекулятивные теории современной теоретической физики, придется согласиться, что такие мнения не лишены оснований. Но рациональный анализ и тщательные наблюдения – трудоемкий процесс тестирования и накапливания научных данных, а не принятие толкований на веру – позволили нам достаточно уверенно утверждать, что многое о нашей Вселенной нам уже известно. Мы также можем утверждать, что еще не разгаданные тайны не обязательно связаны с чем-то сверхъестественным. Это явления, которые нам еще предстоит объяснить, которые мы, как я надеюсь, однажды поймем благодаря нашему разуму, анализу и – да… физике.

В противоположность отдельным мнениям научный метод – это не просто еще один способ смотреть на мир, это не еще одна идеология или система верований. Это то, каким образом мы познаем природу методом проб и ошибок, экспериментов и наблюдения, через готовность отказаться от идей, которые оказываются неверными или незавершенными, и принять новые, более удачные, а также через распознавание закономерностей в природе и прекрасного в математических уравнениях, которые описывают эти закономерности. Мы все время углубляем свои представления и приближаемся к «истине» – к тому, каким действительно является мир.

Конечно, у ученых те же мечты и предрассудки, что и у всех остальных; они придерживаются взглядов, которые не всегда объективны. То, что одна группа ученых называет принятым мнением, другая группа может считать догмой. То, что одно поколение считает установленным фактом, следующее может полагать наивной ошибкой. Точно так же, как в религии, политике или спорте, в науке всегда бушуют споры. Всегда существует опасность, что, пока какая-то проблема остается неразрешенной или по крайней мере решение подвергается сомнению, позиции различных сторон превратятся в идеологические оковы. Каждая из точек зрения может иметь свои нюансы и сложности, а ее защитники иногда способны проявить такую же неуступчивость, как и в идеологических дебатах. И точно так же, как в отношении к религиозным, политическим, культурным, расовым и гендерным вопросам, иногда только новое поколение способно сбросить оковы прошлого и сдвинуть научные дебаты с мертвой точки.

Но есть нечто существенное, что отличает науку от остальных областей человеческой деятельности. Одно-единственное точное наблюдение или экспериментальный результат могут в одночасье опровергнуть давно утвердившуюся теорию и предложить новый взгляд на вещи. Это значит, что мы должны более всего доверять тем теориям и толкованиям природных явлений, которые выдержали проверку временем; именно в их верности мы уверены более всего. Земля вертится вокруг Солнца, а не наоборот; Вселенная расширяется, она не статична; скорость света в вакууме всегда остается постоянной, с какой бы скоростью ни двигался измеряющий ее человек, и так далее. Когда совершается новое важное научное открытие, которое изменяет наш взгляд на мир, не все ученые сразу его принимают. Но это их собственная проблема. Научный прогресс неисчерпаем, что, кстати, всегда к лучшему: знание и просвещенность всегда лучше, чем невежество. Мы начинаем с незнания, но стремимся узнать… И хотя по пути мы можем спорить, нельзя игнорировать то, что мы обнаружили. Когда речь заходит о научном понимании того, что такое мир, идея о том, что «счастье в незнании», – это просто ерунда. Как сказал однажды Дуглас Адамс, «я всегда предпочту трепет понимания трепету незнания».

Чего мы не знаем

Верно и то, что мы постоянно узнаем, сколько еще мы еще не знаем. Чем больше мы понимаем, тем больше осознаем наше невежество. В каком-то смысле именно такую ситуацию мы сейчас видим в физике. Мы находимся на такой стадии познания, когда многие ученые наблюдают в этой науке если не кризис, то по крайней мере нарастание напряженности. И есть ощущение, что это еще не предел. Несколько десятков лет назад выдающиеся физики, такие как Стивен Хокинг, задавались вопросом: «Неужели уже виден конец теоретической физики?»[3 - Это заголовок статьи, написанной Хокингом в 1981 году: S.W. Hawking, Physics Bulletin32, no. 1 (1981): 15–17.] Притом что практически «за углом» их ждала теория всего. Они говорили, что теперь остается только расставить точки над i. Но они ошиблись, и не в первый раз. И в конце XIX века физики высказывали подобные мнения, а затем было сделано множество открытий (электрона, радиоактивности, рентгеновских лучей), которые не удавалось объяснить с помощью научных знаний того времени, что привело к рождению современной физики. Многие ученые нашего времени считают, что мы, возможно, находимся на грани новой революции в физике, столь же значительной, как та, что произошла 100 лет назад с возникновением теории относительности и квантовой механики. Я не утверждаю, что мы вот-вот откроем что-то значительное вроде рентгеновского излучения или радиоактивности, но, возможно, чтобы выйти из тупика, нам просто нужен новый Эйнштейн.

Большой адронный коллайдер еще не повторил своего успеха 2012 года, когда был обнаружен бозон Хиггса, что подтвердило существование поля Хиггса (о котором я расскажу позже). Многие физики ожидали, что к настоящему моменту уже будут открыты новые частицы, которые помогли бы разгадать давние тайны. А еще мы до сих пор не понимаем природы темной материи, которая удерживает галактики вместе, или темной энергии, которая разрывает Вселенную на части; у нас даже нет ответов на отдельные фундаментальные вопросы: почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии; почему свойства Вселенной обладают такой тонкой настройкой, которая создает возможность существования звезд, планет и жизни в целом; существует ли Мультивселенная; было ли что-нибудь до Большого взрыва, что привело к созданию Вселенной в ее современном виде. И все равно трудно не изумиться тому, что уже сделано. Хотя некоторые научные теории могут оказаться связанными друг с другом на более глубоком уровне, чем мы думали, а другие могут оказаться ошибочными, никто не будет отрицать того, что мы прошли огромный путь.

Иногда в свете новых эмпирических данных мы начинаем понимать, что забрели не туда. А иногда нам приходится уточнять идею, которая оказывается не то чтобы неверной, а просто приблизительной, такой, с которой надо еще поработать, чтобы получить более точную картину мира. А еще есть области фундаментальной физики, в которых, как мы подспудно чувствуем, мы еще не поставили точку, поэтому пока опираемся на существующие знания ввиду их полезности. Хорошим примером этого является ньютоновский закон всемирного тяготения. О нем все еще уважительно говорят как о законе, поскольку физики в свое время были настолько уверены, что это последнее слово в этой области, что подняли его статус выше, чем обычная теория. Это название прижилось, хотя мы теперь знаем, что уверенность была несколько беспочвенной. На смену ньютоновскому закону пришла общая теория относительности Эйнштейна (заметьте, теория!), поскольку она предлагает более глубокое и точное объяснение явления земного тяготения. Тем не менее для вычисления орбит космических аппаратов мы все еще пользуемся уравнениями Ньютона. Прогностическая сила ньютоновской механики может не обладать той точностью, что теория Эйнштейна, но ее достаточно почти для всех практических целей.

Другой пример того, над чем мы продолжаем работать, – Стандартная модель элементарных частиц. Мы объединяем две различные математические теории под названием «теория электрослабого взаимодействия» и «теория квантовой хромодинамики», которые при совместном использовании описывают свойства известных элементарных частиц и сил, возникающих между ними. Некоторые физики считают, что Стандартная модель не более чем паллиатив, который можно использовать, пока не будет разработана более точная и всеобъемлющая теория. Однако примечательно, что в своем нынешнем виде теория Стандартной модели может объяснить нам все, что нам нужно знать о природе материи: как и почему электроны определенным образом выстраиваются вокруг атомного ядра, как атомы взаимодействуют, формируя молекулы, как эти молекулы объединяются, образуя материю вокруг нас, как материя взаимодействует со светом – и, таким образом, объяснить почти все окружающие нас явления. Лишь один из ее разделов, квантовая электродинамика, лежит в самой основе науки химии!

Однако Стандартная модель не является исчерпывающей в том, что касается природы материи, поскольку она не описывает силы притяжения, а также не объясняет темной материи и темной энергии, которые на пару образуют большую часть того, из чего состоит Вселенная. Ответы на одни вопросы естественным образом порождают новые вопросы, а физики продолжают свои исследования «за пределами Стандартной модели» в попытке разобраться с этими важнейшими «неизвестными».

Как мы продвигаемся вперед

Успехи в физике более, чем в любой другой науке, обусловлены взаимодействием теории и эксперимента. Теории проходят испытание временем только в том случае, если они подтверждаются результатами опытов. Теория хороша только тогда, когда она позволяет прогнозировать результаты, которые можно подтвердить в лаборатории. Но если экспериментальные результаты противоречат теории, то последнюю придется изменить или даже вообще от нее отказаться. И наоборот, лабораторный опыт может указать на те явления, которые еще не получили объяснения и требуют дальнейшего развития теории. Ни в какой другой науке мы не увидим такого удивительного взаимодействия. Теоремы чистой математики доказываются с помощью логики, дедукции и аксиом. Они не требуют подтверждения фактами из окружающей действительности. Напротив, геология, этология и психология поведения в основном опираются на наблюдения, и наше продвижение в этих дисциплинах зависит от кропотливого сбора данных или тщательно разработанных лабораторных тестов. Однако физика может прогрессировать только в том случае, если теория и эксперимент идут рука об руку, поочередно подтягивая друг друга и указывая на следующий выступ на склоне.

Луч света, направленный на неизведанное, – еще одна хорошая метафора, отражающая то, как физики разрабатывают свои теории и модели, как они придумывают эксперимент для проверки какого-либо механизма. Если говорить о поиске новых идей в физике, то всех исследователей можно, грубо говоря, разделить на два типа. Представьте себе, что вы идете домой темной, безлунной ночью, и вдруг вы понимаете, что в вашем кармане дыра и в какой-то момент из нее выпали ключи. Вы знаете, что они должны лежать где-то на том участке дороги, который вы только что прошли, поэтому идете обратно по своим следам. Но разве при этом вы осматриваете только освещенные фонарями участки? А может, вы осмотрите и неосвещенные участки, которые оказались между фонарями? Ваши ключи, скорее всего, упали именно там, но найти их будет труднее.

Так вот, есть физики, работающие «на свету», и физики, работающие «в темноте». Первые предпочитают не рисковать и разрабатывают теории, которые можно проверить экспериментально, – они ищут там, где «светло». Это значит, что они, как правило, не выдвигают оригинальных идей, но все-таки могут добиться определенных успехов в открытии истины. Напротив, физики, работающие «в темноте», выдвигают новые умозрительные идеи, которые не очень легко проверить. У них меньше шансов на успех, но если их идеи верны, если их открытия могут привести к революционным сдвигам в нашем понимании мира, то они окажутся в большем выигрыше. И такое различие в подходах гораздо более явственно в физике, чем в других науках.

Я понимаю тех, кого раздражают физики-мечтатели, исследующие эзотерические области вроде космологии или теории струн, ведь это те, кто предпочитает то тут, то там добавить пару параметров только для того, чтобы их уравнения выглядели эстетичнее, кто выдвигает гипотезу о бесконечности параллельных вселенных, чтобы уменьшить количество непонятного в нашей. Однако известны и некоторые примеры, когда такие исследователи натыкались на «золотую жилу».

Гений XX века Поль Дирак как раз и руководствовался в своих исследованиях красотой уравнений, что привело его к постулату о существовании антиматерии за несколько лет до того, как она была открыта в 1932 году. А ведь есть еще Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг, которые в середине 1960-х годов независимо друг от друга предсказали существование кварков, причем еще не существовало никаких экспериментальных данных о возможности существования таких частиц. Питеру Хиггсу пришлось ждать целых полвека, прежде чем открыли его бозон и была подтверждена теория, которая теперь носит его имя. Даже пионер квантовой теории Эрвин Шредингер предложил свое уравнение на основании одной лишь догадки. Он выбрал правильную форму математического уравнения, хотя и не знал, что означает его решение.

Какими уникальными талантами обладали эти физики? Интуицией? «Шестым чувством», которое позволяло им «вынюхивать» секреты природы? Возможно. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг считает, что именно эстетическая красота математики руководила такими теоретиками, как Поль Дирак и великий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл.

Однако правда в том, что ни один из этих физиков не работал в одиночку, а их идеи все-таки коррелировали со всеми уже установленными фактами и экспериментальными наблюдениями.

Поиск простоты