Пролог
Зарождение науки
То, что известные законы физики так хорошо объясняют происходящее в окружающем мире, питает в иных из нас гордыню и самоуверенность, с которыми мы зачастую взираем на накопленные человечеством знания, – тем более что пробелы в наших знаниях о предметах и явлениях зачастую кажутся мелкими и незначительными. От подобных умонастроений не застрахованы даже нобелевские лауреаты и прочие авторитетные ученые – и не раз и не два они от этого ставили себя в глупое положение.
Широко известно, что в 1894 году в речи по случаю передачи Физической лаборатории им. Райерсона в дар Чикагскому университету Альберт А. Майкельсон, которому вскоре предстояло получить Нобелевскую премию, предсказал, что физике вот-вот придет конец:
Все относительно важные фундаментальные законы и факты физической науки уже открыты и на сегодня доказаны столь убедительно, что вероятность того, что их сменит логическая последовательность новых открытий, становится все менее и менее правдоподобной… Открытия будущего следует искать в шестом знаке после запятой.
Тех же взглядов, что и Майкельсон, придерживался и один из самых блестящих астрономов того времени Саймон Ньюкомб, бывший в числе основателей Американского астрономического общества. В 1888 году он отметил: «Вероятно, мы приближаемся к пределам всего того, что в принципе возможно знать об астрономии» (Newcomb 1888, p. 65). И даже великий физик лорд Кельвин, в честь которого, как мы узнаем в части 3, названа абсолютная шкала температуры, стал в 1901 году жертвой чрезмерной уверенности в собственной правоте: «Открывать в физике больше нечего. Остается лишь повышать точность измерения величин» (Kelvin 1901, p. 1). Эти соображения были высказаны в ту пору, когда еще считалось, что свет распространяется в пространстве посредством светоносного эфира, а небольшие различия между наблюдаемой и предсказываемой траекторией Меркурия при движении вокруг Солнца еще не нашли объяснения. В то время все эти несообразности считались сущими пустяками – казалось, достаточно лишь слегка подправить и уточнить известные законы физики, и все встанет на свои места.
К счастью, Макс Планк, один из основателей квантовой механики, оказался прозорливее своего наставника. В лекции, прочитанной в 1924 году, он вспоминает, какой совет ему дали в 1874 году:
Когда я только начинал изучать физику и обратился за советом к своему досточтимому учителю Филиппу фон Жолли… В его описании физика представала наукой весьма развитой, практически полностью созревшей… Вероятно, где-то в укромных ее уголках завалялась пылинка или пузырек, которые еще предстоит изучить и классифицировать, однако система в целом виделась вполне устоявшейся, а теоретическая физика, как тогда представлялось, достигла той степени совершенства, какой отличалась уже несколько столетий, скажем, геометрия.
Поначалу у Планка не было причин сомневаться в правоте учителя. Однако, когда наши классические представления о том, как вещество излучает энергию, не подтвердились экспериментально, Планк в 1900 году был вынужден ступить на революционный путь – выдвинуть гипотезу о существовании кванта, неделимой единицы энергии, что возвестило начало новой эпохи в физике. В течение ближайших 30 лет человечеству предстояло открыть общую и специальную теорию относительности, квантовую механику и расширение Вселенной.
Казалось бы, блестящий физик Ричард Фейнман, прославившийся разнообразными и многочисленными открытиями, должен был учиться на ошибках предшественников, ведь он прекрасно знал об их постыдной близорукости. Однако и он в прелестной книге 1965 года «Характер физических законов» («The Character of Physical Law») провозгласил:
Нам необыкновенно повезло, что мы живем в век, когда еще можно делать открытия… Век, в который мы живем, это век открытия основных законов природы, и это время уже никогда не повторится. Это удивительное время, время волнений и восторгов, но этому наступит конец.
Я не претендую ни на малейшие знания о том, когда наступит конец физики и где его искать – я не знаю даже, настанет ли он вообще. Зато я знаю, что наш биологический вид гораздо тупее, чем мы сами себе признаемся. Именно ограниченность наших мыслительных способностей – а не науки как таковой – представляется мне гарантией того, что мы лишь начали разбираться в том, как устроена Вселенная.
Давайте на миг представим себе, что человек – самое умное существо на Земле. Если в рамках этой дискуссии мы определим «умный» как «способный выполнять абстрактные математические операции», можно предположить, что, кроме людей, никого умного на Земле никогда не было.
Какова же вероятность, что этому первому и единственному умному виду в истории Земли хватило ума полностью разобраться, как устроен механизм Вселенной? Шимпанзе с точки зрения эволюции отстают от нас на полшага, однако никто не станет спорить, что, сколько шимпанзе ни обучай, он едва ли будет с легкостью решать задачи по тригонометрии. А теперь представьте себе, что на Земле или еще где-то есть биологический вид, который настолько же опережает людей, насколько люди опережают шимпанзе. Какую долю механизмов, управляющих Вселенной, они освоят?
Любителям игры в крестики-нолики известно, что исключительная простота правил этой игры позволяет выиграть или свести вничью любую партию, стоит лишь правильно сделать первые ходы. Однако маленькие дети играют в крестики-нолики так, словно результаты игры непостижимы и далеки. Между тем правила игры в шахматы также очень просты и понятны, однако по ходу игры становится все сложнее предсказать, какую последовательность ходов предпримет твой противник, и сложность эта возрастает экспоненциально. Поэтому даже взрослым – и даже самым умным и талантливым взрослым – играть в шахматы очень трудно, и они всегда играют в шахматы так, словно исход игры – полная загадка.
Обратимся к Исааку Ньютону, который возглавляет мой список самых умных людей в истории человечества. Кстати, в этом я не одинок. Памятная надпись на бюсте Ньютона в Колледже Св. Троицы в Кембридже гласит «Qui genus humanum ingenio superavit», что в переводе с латыни означает «Тот, кто интеллектом превзошел род человеческий». Как же сам Ньютон относился к собственным знаниям?
Не знаю, каков я в глазах света, однако самому мне представляется, что все это время я был подобен ребенку, что играет на морском берегу и развлечения ради находит то необыкновенно гладкий камушек, то на диво пеструю ракушку, но океан истины во всем своем величии расстилается передо мной неизведанным.
Если уподобить Вселенную шахматной доске, то она открыла нам некоторые свои правила, однако в основном мироздание ведет себя загадочно, словно подчиняется тайным, скрытым от посторонних глаз законам и установлениям. Наверняка мы внесли еще далеко не все пункты в правила игры.
Различие между знаниями о предметах и явлениях, которые вписываются в рамки известных законов физики, и знаниями о самих законах физики – важнейший вопрос, возникающий при любом предположении о возможном конце науки. Открытие жизни на планете Марс или под покровом плавучих льдов на спутнике Юпитера Европе может стать величайшим открытием за всю историю человечества. Однако вполне можно ручаться, что физика и химия атомов, составляющих эти живые существа, будут в точности такими же, как физика и химия атомов здесь, на Земле. Новые законы не понадобятся.
Давайте все же взглянем на несколько нерешенных задач, которые представляют собой ахиллесову пяту современной астрофизики, поскольку являют подлинные масштабы нынешнего невежества. Насколько мы можем судить, решения этих задач дожидаются открытия совершенно новых отраслей физики.
В том, что Вселенная произошла в результате Большого Взрыва, мы почти не сомневаемся, однако можем лишь предполагать, что лежит за космическим горизонтом, который пролегает в 13,7 миллиардах световых лет от нас. Можно только догадываться, что было до Большого Взрыва и почему он вообще произошел. Некоторые гипотезы из сферы квантовой механики допускают, что наша расширяющаяся Вселенная – результат одной-единственной флуктуации в первичной пене пространства-времени, где другие бесчисленные флуктуации порождают другие бесчисленные Вселенные.
Когда мы строим компьютерные симуляции того, что было вскоре после Большого Взрыва, и заставляем электронный мозг генерировать сотню миллиардов галактик, оказывается трудно согласовать данные наблюдений ранних и поздних этапов развития Вселенной. Нам пока не удается дать непротиворечивое описание формирования и эволюции крупномасштабной структуры Вселенной. Такое чувство, что мы упускаем из виду какие-то важные детали головоломки.
Мы несколько веков пребывали в убеждении, что ньютоновы законы движения и тяготения прекрасно описывают мироздание, и так было до тех пор, пока они не потребовали уточнений – и тогда возникла эйнштейнова теория движения и тяготения, теория относительности. В наши дни относительность царствует безраздельно. Квантовая механика, описание Вселенной атомов и элементарных частиц, также царствует безраздельно. Но все дело в том, что по сути своей теория гравитации Эйнштейна и квантовая механика противоречат друг другу. Они по-разному предсказывают, что происходит там, где они пересекаются. Кому-то придется уступить позиции. Либо в эйнштейновой теории гравитации недостает какой-то детали, которая позволяет ей принять принципы квантовой механики, либо в квантовой механике недостает какой-то детали, которая позволяет ей принять эйнштейнову гравитацию.
Не исключен и третий вариант – нам нужна более крупная всеобъемлющая теория, которая вытеснит обе первые. Более того, именно для этого была изобретена теория струн. Она пытается свести существование любого вещества и энергии и их взаимодействия к существованию вибрирующих струн энергии в более высоких измерениях. Различные вибрации в наших жалких измереньицах пространства и времени проявляются в виде разных частиц и сил. Хотя теория струн уже более 20 лет собирает вокруг себя сторонников, ее утверждения пока что лежат вне досягаемости для экспериментальной проверки, поэтому подтвердить или опровергнуть ее пока невозможно. В мире науки к ней сплошь и рядом относятся крайне скептически, тем не менее многие ученые возлагают на нее большие надежды.
Мы до сих пор не знаем, какие обстоятельства или силы заставили неодушевленное вещество переорганизоваться в живую материю в ее нынешнем виде. Быть может, существует какой-то механизм или закон химической самоорганизации, который ускользает от нашего внимания, поскольку нам не с чем сравнивать свою земную биологию, поэтому мы не в состоянии оценить, что для формирования жизни важно, а что неважно.
Со времен судьбоносных работ Эдвина Хаббла в 1920 годы мы знаем, что Вселенная расширяется, но лишь совсем недавно выяснили, что она еще и ускоряется благодаря некоему антигравитационному давлению под названием «темная энергия», а что это такое, понять не можем, у нас нет ни одной рабочей гипотезы.
В сущности, как бы ни были мы уверены в своих наблюдениях, экспериментах, данных и теориях, приходится довольствоваться тем, что 85 % всей гравитации во Вселенной берется из неведомого загадочного источника, который не удается зарегистрировать никакими средствами из накопившегося у нас на данный момент инструментария по исследованию Вселенной. Насколько мы можем судить, этот источник состоит не из обычного вещества вроде электронов, протонов и нейтронов и не из той или иной разновидности вещества или энергии, которые с ними взаимодействуют. Эту до обидного призрачную субстанцию мы прозвали «темным веществом», и на сегодня это одна из величайших космических неурядиц.
Разве все это похоже на закат физической науки? Разве похоже, что мы владеем ситуацией? Разве пора нам почивать на лаврах? По мне так из всего этого следует, что мы беспомощные идиоты, очень похожие на нашего ближайшего родича шимпанзе, когда тот пытается овладеть теоремой Пифагора.
Возможно, я слишком суров к Homo sapiens и далековато зашел в сравнении с шимпанзе. Возможно, вопрос не в том, насколько умен тот или иной представитель того или иного вида, а в том, какова мощь коллективного разума целого вида. Люди привыкли делиться своими открытиями на конференциях, в книгах, при помощи других носителей информации и, само собой, через Интернет. Дарвинову эволюцию движет естественный отбор, а вот развитие человеческой культуры идет в основном по Ламарку – новые поколения наследуют багаж знаний, накопленный предыдущими, и открытия космического масштаба копятся и копятся, не зная границ.
Так что каждое научное открытие – это новая перекладина в лестнице знаний, конца которой нам не видно, поскольку, чтобы подниматься по ней, мы вынуждены строить ее ступенька за ступенькой. Насколько я могу судить, мы будем строить эту лестницу и подниматься по ней вечно и вечно раскрывать все новые тайны Вселенной – одну за другой.