Текст книги "Суперсила"

Автор книги: Пол Девис

сообщить о нарушении

Текущая страница: 21 (всего у книги 21 страниц)

Подобная общность принципов, лежащая в основе движения волн и частиц, наводит на мысль о том, что движению в природе присуща глубокая гармония. Однако способ, которым в природе реализуется прямолинейное движение материального тела, изумительно прост. У микрочастицы вообще нет, строго говоря, траектории, тем более прямолинейной. Напротив, движение микрочастицы хаотично и расплывчато. Каким образом можно прийти к упорядоченному прямолинейному движению макроскопического тела, если движение составляющих его атомов имеет случайный квантовый характер? Похоже, что в этом случае природа стремится обратить порок в добродетель. Как объяснялось в гл.2, квантовая частица попадает из точки А в точку В, как бы пробуя одновременно все возможные пути; здесь уместно напомнить, как в опыте Юнга по интерференции отдельный фотон каким-то образом проходит сразу через две щели. В более общем случае можно считать, что частица, например электрон, пробует все возможные пути, соединяющие точку отправления А с точкой прибытия В (рис.32). В соответствии с «принципом равноправия» каждому из путей соответствует один и тот же вклад в полную волну, представляющую электрон и характеризующую вероятность прибытия электрона в определенный пункт назначения.

Именно на этой стадии проявляется столь важная волновая природа электрона. Как уже отмечалось в гл.2, при наложении волн происходит интерференция. Если волны приходят в фазе, они усиливают друг друга, если в противофазе – гасят. При случайном наложении сразу очень большого числа волн происходит их общее гашение. Именно это осуществляется на всех криволинейных путях электрона. Волны, соответствующие таким траекториям, гасят друг друга в результате интерференции. Единственные траектории, на которых этого не происходит, – те, по которым волны приходят в фазе и, следовательно, не гасят, а усиливают друг друга. Строго говоря, усиление происходит только вдоль прямолинейной траектории и в ограниченной степени на близких траекториях. Поэтому наиболее вероятно, что частица следует по кратчайшему из возможных путей. Вероятность неопределенного блуждания частицы вместо движения по прямолинейному узкому пути зависит от массы частицы. Движение электрона оказывается крайне неустойчивым и плохо определенным, однако более тяжелые частицы движутся более устойчиво. В пределе больших тел – например, в случае бильярдного шара – отклонение от прямолинейной траектории будет бесконечно малым. Таким образом, мы вновь приходим к точно определенной прямолинейной траектории в классической механике. Итак, упорядоченное поведение макроскопических тел обязано своим происхождением квантовой физике, которая в конечном счете лежит в основе всех объектов.

Устройство Вселенной

Обычно реакция физиков на замечательные открытия, подобные описанному выше, бывает смешанной – с одной стороны, восхищение утонченностью и изяществом природы, с другой – некоторое оцепенение: «Я бы никогда не додумался до этого». Если природа столь искусна, что может использовать средства, изумляющие нас своей изощренностью, то не служит ли это убедительным свидетельством разумного построения всей физической Вселенной? Если лучшим умам мира с трудом удается вскрывать глубинные проявления природы, то как можно думать, что они порождены бессмысленной случайностью, слепым случаем?

И вновь уместна аналогия с отгадыванием кроссворда. Природа дает нам «ключи», часто скрытые, и решение загадок природы оказывается делом довольно тонким. Законы природы не открываются при поверхностном взгляде на мир. Они скрываются за более очевидными явлениями, и их можно обнаружить, лишь «копнув глубже». Мы никогда не познали бы законов атомной и ядерной физики, если бы не применяли специальных приборов и тщательно не планировали экспериментов. Природа зашифрована для нас подобно кроссворду. Поскольку ответы редко бывают очевидными, подбор ключей к этим шифрам требует недюжинной изобретательности, опыта и вдохновения.

Когда часть ключей уже подобрана, начинает возникать целостная картина. Подобно кроссворду, где слова согласованно и упорядочение пересекаются друг с другом, законы природы образуют согласованную структуру, и мы начинаем распознавать присущий природе замечательный порядок, о котором упоминалось в этой главе. Мир представляет собой единство различных физических механизмов, и это единство ведет не к беспорядочному переплетению явлений, как могло бы показаться, а к точно организованной гармонии.

Говоря о кроссворде, нам никогда не пришло бы в голову предположить, что слова составляют согласованную взаимопересекающуюся систему совершенно случайно, что хитроумность и изощренность ключей к кроссворду – просто ничего не значащие факты или продукт нашего собственного ума, пытающегося придать смысл бессмысленной информации. Однако мы часто встречаемся в точности с такими же суждениями, когда речь идет об удивительных явлениях природы, несравненно более хитроумных и утонченных, чем любой кроссворд. Если мы не сомневаемся, что порядок, самосогласованность и гармония кроссворда свидетельствуют об изобретательности ума его создателей, то почему подобные сомнения считаются правомерными, когда речь идет о Вселенной? Почему свидетельство наличия «плана» столь убедительно в одном случае, но неубедительно в другом?

В XIX в. существование порядка и гармонии в природе часто использовалось теологами как свидетельство существования сверхъестественного творца. Одним из наиболее ярких выразителей этих взглядов был Уильям Пэли, проводивший аналогию между природными механизмами и часами. Пэли рассуждал так. Рассмотрим сложный механизм часов, состоящий из подогнанных друг к другу частей; естественно предположить, что часы сконструированы для определенной цели разумным существом. Сравнив часы с многочисленными чрезвычайно утонченными механизмами природы – такими, как порядок в расположении планет Солнечной системы или сложная организация живых существ, – Пэли пришел к выводу, что доказательство существования «разумного планирования» природы еще более убедительно, чем в случае часов.

Несмотря на внешнюю привлекательность, рассуждение Пэли, как и многие последующие попытки вывести наличие плана из рассмотрения явления природы, подверглись жесткой критике философов и ученых. Приведем лишь три из таких контрдоводов, используемых и по сей день: природе навязывают порядок, чтобы придать ей смысл; подобная аргументация не убедительна; существующий в природе порядок – явление чисто случайное, а не результат некоего плана.

Итак, прежде всего, навязываем ли мы природе порядок, чтобы придать ей смысл? Дело в том, что человеческий ум чрезвычайно склонен усматривать порядок в хаосе многочисленных данных, и это качество, по-видимому, даровано нам процессом эволюции как знак нашего преимущества над другими видами. Мы непрерывно получаем сложную информацию, которую мозг должен каким-то образом приводить в порядок, чтобы мы могли эффективно функционировать. Хорошим примером того, как человеческий разум обнаруживает порядок даже там, где его нет, могут служить знаменитые созвездия. Наши предки воспринимали хаотическое распределение звезд на небе как упорядоченную картину. Ведь в действительности не существует ни Большой Медведицы, ни Девы, ни Скорпиона – все это лишь случайный набор светящихся точек.

Тем не менее, применительно к науке этот аргумент не вполне убедителен. Существуют вполне объективные способы установить наличие порядка в физической системе. Так, упорядоченность живых организмов, очевидно, не плод нашего воображения. В фундаментальной физике законам природы соответствуют математические выражения, Которые зачастую известны математикам задолго до их применения к реальному миру. Математическое описание изобретается не просто для лаконичной формулировки законов природы. Часто совпадение свойств природы с конкретными математическими выражениями оказывается совершенно неожиданным. Структура математического описания выявляется по мере анализа физической системы.

Хорошим примером может служить описание взаимодействий природы в одиннадцатимерном пространстве. Математическое «чудо» заключается в том, что законы действия сил могут быть выражены через ранее неясные геометрические свойства многомерного пространства. Разумеется, это вызывает восхищение, однако обнаруженный здесь порядок не был кем-то навязан, а выявился в результате деятельного математического анализа.

Ни один физик никогда всерьёз не поверит, что предмет его исследований был попросту грудой неупорядоченных и бессмысленных фактов и что законы физики не знаменуют реального успеха в нашем понимании природы. Было бы нелепо предполагать, что вся наука – это просто измышление ума, имеющее к реальности не больше отношения, чем созвездие Рыбы к реальным рыбам.

Рассмотрим второе возражение – неубедительность аргументации. Иногда говорят, что утверждение о наличии плана в природе основано на софистике спорного объяснения, а проще говоря, на «крепости задним умом».

Рассмотрим, например, отрывок из книги «Жизнь вне Земли» Джеральда Фейнберга и Роберта Шапиро.

Географ, убежденный в предопределенности всего сущего, был "бы в конечном счете поражен тем, насколько точно вписывается в свою долину река Миссисипи. Она течет в правильном направлении, имеет в точности необходимые контуры и притоки, обеспечивающие впадение вод центральном части Соединенных Штатов в Мексиканский залив. На всем своем долгом пути река очень удобно подходит ко всем пристаням и проходит под всеми мостами. Географ мог бы попытаться заменить реку Миссисипи, например, рекой Амазонкой. Наложив Амазонку на карту Соединенных Штатов, он сразу заметил бы, что она течет с запада на восток. Здесь это бы не прошло, так как реке пришлось бы течь через горы. Даже повернув Амазонку в «нужном» направлении, географ столкнулся бы с многими трудностями. Новый Орлеан оказался бы затоплен большой дельтой Амазонки, и бесчисленное количество дорог и городов ушло бы под воду. Отсюда географ заключил бы, что для его цели Амазонка не годится, но прекрасно подходит Миссисипи.

Еще более ограничим ситуацию. Пусть у географа нет сведений о других речных системах, но реку Миссисипи он изучил досконально. Он заметил бы также, что любое значительное изменение русла реки привело бы к разрушениям и перемещениям, и сделал бы вывод, что данное русло Миссисипи единственно возможно с точки зрения географической системы. Если существуют другие реки, то их русла должны иметь аналогичную форму.

Подобная критика рассматривается и в статье Ральфа Эстлинга в журнале New scientist.

Рассуждения о сверхъестественном и сверхразумном основаны на антропном принципе, утверждающем, что реализуется именно та Вселенная, которая пригодна для человека, и нам следует поразмыслить о тех бесчисленных совпадениях, которые абсолютно необходимы для существования человека и самой жизни. Единственное небольшое отклонение в одном из тысяч важных совпадений резко (возможно, даже полностью) изменило бы Вселенную. Однако абсолютно во всем, начиная от постоянных, определяющих гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и вплоть до основных биологических предпосылок мы обнаруживаем, что космос в целом, наше Солнце в частности, и в особенности Земля настолько точно подогнаны к нам, что неизбежно напрашивается вопрос: «А не Бог или кто-то еще с аналогичным именем создал все это, прежде всего имея в виду нас? Это слишком много для совпадения, даже для чуда, чтобы назвать это чистой случайностью».

Авторы приведенных отрывков совершенно справедливо привлекают внимание к тем ловушкам, в которые легко попасть, используя в поисках объяснений апостериорные аргументы; не следует, однако, думать, что подобный подход всегда ошибочен. Нетрудно привести примеры, когда он весьма эффективен – в частности, в повседневной жизни. Пэли, разумеется, был совершенно прав, рассматривая часы как результат определенного проекта. Важно лишь соблюдать осторожность и избегать неразумного использования апостериорных аргументов.

Как определить, в каких случаях апостериорные доводы могут завести нас в тупик при рассмотрении упорядоченности окружающего нас мира? Ключевой критерий состоит в том, чтобы различать две совершенно разные формы порядка. Здесь мы подходим к третьему возражению против наличия «плана», согласно которому любой существующий в природе порядок возникает чисто случайно, а вовсе не запланирован.

Это сильное возражение, и оно, бесспорно, справедливо во многих случаях; именно из-за него аргументы в пользу существования космического плана отвергались теологами. Однако часто это возражение применяют не вполне продуманно, не проводя различия между двумя совершенно разными смыслами понятия «порядок».

В одном смысле слово «порядок» означает сложную организацию, которая характерна, в частности, для живых организмов. Рассмотрим, к примеру, глаз человека. Этот хрупкий и сложный механизм, похоже, специально «сконструирован» для того, чтобы обеспечить нам возможность видеть. Расположение хрусталика и сетчатки идеально соответствует законам физической оптики. Миллионы клеток глаза и зрительного нерва в высокой степени специализированы с точки зрения их функций; они взаимодействуют с соседями строго определенным методичным образом.

Случайный набор клеток, не говоря уже о случайном наборе атомов, никогда не смог бы сотворить «чудо» зрения.

Биологи не отрицают невероятно высокого уровня адаптации глаза или любого другого органа. Тем не менее, у них не возникает необходимости предполагать, что глаз был заранее «сконструирован» и собран какими-либо сверхъестественными силами. Теория эволюции вполне удовлетворительно объясняет, как возник глаз человека. Изучение ископаемых останков и сравнительная анатомия дают детальную картину поэтапного развития столь сложного органа, как глаз, в течение многих поколений. Случайные генетические изменения – дело слепого случая – порождают произвольный набор возможностей, из которых природа отбирает только то, что дает преимущество организму в его непрерывной борьбе за выживание. Лишь путем перебора чрезвычайно широкого диапазона возможных изменений орган совершенно случайно находит вариант, который способствует его адаптации в условиях окружающей среды.

Таким образом, сложная организация может возникать спонтанно и не нуждается в заранее предписанном плане. Однако для успеха описанной выше процедуры отбора необходимо существование ансамбля, под которым понимается набор большого числа сходных систем. В биологии этот ансамбль составляют миллиарды организмов и миллионы поколений, существовавших на протяжении истории Земли. Огромный фонд сходных генов, которые поставляют многочисленные организмы, дает природе возможность испробовать все возможные варианты, прежде чем случайно не встретится благоприятная мутация. В дальнейшем в результате естественного отбора эта мутация закрепляется в генофонде. Постепенное накопление бесчисленного множества благоприятных малых изменений приводит к медленному прогрессу столь сложных систем, как глаз.

Кроме понятия порядка как сложной организации существует понятие порядка, заключающееся в простоте и симметрии, причем этот порядок может возникать как в пространстве, так и во времени. Хорошим примером пространственного порядка служит кристаллическая решетка. В кристалле атомы удерживают друг друга, образуя правильную структуру простого геометрического вида, обладающую высокой степенью симметрии. В основе кристаллической структуры лежит атомная ячейка определенного типа, отражающегося в симметричной форме, которая характерна для кристалла (например, кристалл поваренной соли обладает кубической формой). Именно атомной симметрией в конечном счете обусловлена правильная форма снежинок. Другим примером пространственного порядка является строение Солнечной системы, в которой планеты почти сферической формы обращаются по почти круговым орбитам вокруг почти сферического Солнца.

В обоих этих примерах мы можем обнаружить, что причины пространственного порядка лежат в симметрии законов физики, управляющих рассматриваемыми системами. Многие физические системы обладают устойчивыми состояниями, которые демонстрируют высокую степень простоты и симметрии. Разумеется, предстоит еще объяснить, каким образом системы приходят в такие состояния. Одна из причин заключается в том, что сложные состояния неустойчивы. Например, состояние атома водорода с наинизшей энергией сферически симметрично, тогда как большинство возбужденных состояний не обладает этим свойством. Аналогично жидкое гравитирующее тело принимает в состоянии равновесия (в отсутствие вращения) форму идеальной сферы. Мы убедились в том, что физические системы стремятся занять положение с минимальной энергией, это универсальный закон природы. Если система первоначально обладает избытком энергии, т.е. находится в возбужденном состоянии, то включаются всевозможные механизмы, стремящиеся освободить ее от этого избытка. Рано или поздно система переходит в состояние с наинизшей энергией, которое, как правило, является простейшим. По этой причине пространственный порядок представляет собой общее свойство нашего мира. Важно, однако, иметь в виду, что этот порядок обусловлен пространственным порядком, присущим законам физики. Если бы, например, сила тяжести оказалась более сложной и зависела не только от расстояния между двумя телами, но и от их взаимной ориентации, планеты двигались бы по гораздо более запутанным орбитам.

Обратимся теперь к временному порядку. Его можно увидеть в регулярном течении многих естественных процессов: тиканье часов, колебаниях атома, смене дня и ночи, зимы и лета. Вновь, как и при пространственном порядке, причины подобной регулярности можно отыскать в законах физики, которые часто допускают простое периодическое поведение. Периодическое движение (колебания) представляет собой, вероятно, самый распространенный в физике пример порядка. Волнообразные колебательные движения составляют существо всех квантовых движений; электромагнитные волны переносят теплоту и свет во Вселенной; планеты, звезды и галактики содержат объекты, движущиеся в пространстве по периодическим орбитам.

Кроме упорядоченного движения материальных тел существует и более глубокое проявление временного порядка, заключенное в самой сути законов природы (часто порядок такого рода считают само собой разумеющимся). Тот факт, что в природе вообще существуют законы, обеспечивает определенную последовательность эволюции Вселенной от данного момента времени к последующему. На фундаментальном уровне эта самосогласованность означает просто, что мир продолжает существовать. Более того, законы не изменяются от одной эпохи к другой (иначе их нельзя было бы назвать законами). Земля сегодня движется по эллиптической орбите вокруг Солнца так же, как и на протяжении миллионов лет.

Пространственный и временной порядки – это не просто случайные особенности мира: оба этих порядка присущи фундаментальным физическим законам. Именно законы, а не конкретные физические системы заключают в себе поразительную упорядоченность мира. Эти законы вдвойне замечательны, поскольку допускают как порядок, выражающийся в пространственной и временной простоте, так и порядок, проявляющийся в сложной организации. Один и тот же набор законов обусловливает и простую форму кристаллов, и возникновение столь сложных систем, как живые организмы. Вполне можно представить и такую Вселенную, в которой законы допускали бы лишь простые типы поведения (например, регулярные движения планет), а чрезвычайно сложные структуры (например, полимеры, не говоря уже о ДНК) там не могли бы существовать. Действительно, кажется совершенно необычным, что столь простые законы современной физики обеспечивают все разнообразие и сложность реального мира. Но дело обстоит именно так.

Имеет ли существование какой-то смысл?

Интересно поставить вопрос о том, насколько вероятно с точки зрения законов физики существование сложных систем или сколь точно эти законы должны быть согласованы между собой?

В своей знаменитой статье в журнале Nature английские астрофизики Бернар Карр и Мартин Рис пришли к выводу, что мир чрезвычайно чувствителен даже к самым малым вариациям законов физики, так что, если бы известный нам конкретный набор законов как-то изменился, Вселенная также изменилась бы до неузнаваемости.

Карр и Рис обнаружили, что существование сложных систем, по-видимому, критически зависит от численных значений, которые природа присвоила так называемым фундаментальным постоянным; именно эти значения определяют масштаб физических явлений. К числу фундаментальных постоянных относятся скорость света, массы субатомных частиц и несколько «констант связи», таких, как элементарный электрический заряд, от которых зависит величина различных взаимодействий с веществом. Фактические численные значения этих постоянных определяют основные особенности мира в целом – размеры атомов, ядер, планет и звезд, плотность вещества во Вселенной, время жизни звезд и даже размер животных.

Большинство встречающихся в природе сложных систем возникают в результате противоборства или баланса различных взаимодействий. Звезды, например, кажутся внешне спокойными; однако они представляют собой «поле битвы» четырех взаимодействий. Гравитация стремится сдавить звезды. С ней борется электромагнитная энергия, создавая внутреннее давление. Сама эта энергия высвобождается в ходе ядерных процессов, которыми управляют сильные и слабые ядерные взаимодействия. В этих условиях из-за переплетения конкурирующих процессов структура системы критически зависит от величины взаимодействий, а тем самым – от численных значений фундаментальных постоянных.

Астрофизик Брендон Картер, детально изучив звездное «поле битвы», обнаружил, что равновесие между гравитационными и электромагнитными взаимодействиями внутри звезд соблюдается почти с немыслимой точностью. Вычисления показывают, что изменение любого из взаимодействий всего лишь на 10-40 его величины повлекло бы за собой катастрофу для звезд типа Солнца.

Многие другие важные физические системы крайне чувствительны к самым малым изменениям относительной величины взаимодействий. Например, совсем небольшое относительное увеличение сильного взаимодействия привело бы к тому, что все ядра водорода во Вселенной были бы израсходованы в ходе Большого взрыва, оставив тем самым космос без важнейшего звездного топлива.

В книге «Случайная Вселенная»(Девис П. Случайная Вселенная. – М.: Мир, 1985) мною проведено исчерпывающее изучение всех очевидных случайностей и «совпадений», которые кажутся необходимыми с точки зрения существования во Вселенной важных сложных систем. Абсолютно невероятно, чтобы столь счастливые совпадения могли быть результатом последовательности исключительно удачных случайностей. Именно это побудило многих ученых согласиться с утверждением Хойла о том, что Вселенная – результат «мошенничества».

Высочайшим проявлением сложной организации во Вселенной является жизнь, и потому чрезвычайно интересен вопрос, насколько наше собственное существование зависит от точной формы законов физики. Человеку для выживания необходимы в высшей степени специальные условия, и почти любые изменения в законах физики, в том числе самые незначительные изменения численных значений фундаментальных постоянных, полностью исключили бы существование известных нам форм жизни. Однако более интересен вопрос: а не сделали бы такие малые изменения невозможными любые формы жизни?

На этот вопрос трудно ответить, поскольку нет общепринятого определения жизни. Если все же согласиться с тем, что для жизни требуется по крайней мере наличие тяжелых атомов (например, углерода), то уже это налагает весьма строгие ограничения на некоторые фундаментальные постоянные. Например, слабое ядерное взаимодействие, ответственное за взрывы сверхновых, в которых тяжелые элементы выбрасываются в межзвездное пространство, не может, существенно изменив свою (наблюдаемую) величину, по-прежнему вызывать взрывы звезд.

Итак, совершенно очевидно, что существование большого числа важных физических систем во Вселенной – в том числе живых организмов – критически зависит от точной формы законов физики. Если бы Вселенная возникла с несколько иными законами, то не только мы и вряд ли кто другой) не могли бы оказаться тут и наблюдать Вселенную, но и сомнительна была бы сама возможность возникновения любых сложных структур.

На это иногда возражают, что если бы законы физики были иными, то это лишь означало бы, что иными были бы и системы, а если невозможной оказалась бы известная нам форма жизни, то вполне могла бы возникнуть другая форма жизни. Однако еще никто не пытался показать, что сложные системы вообще являются неизбежным (или даже вероятным) следствием действия физических законов; все имеющиеся в нашем распоряжении данные говорят о том, что многие сложные системы предельно чувствительны к реальному виду этих законов. Поэтому заманчиво считать, что сложная Вселенная возникнет только при условии, что законы физики чрезвычайно близки к реально существующим.

Следует ли из всего этого сделать вывод, что Вселенная – это результат предначертанного плана? Новая физика и новая космология выполняют свое заманчивое обещание объяснить возникновение всех физических систем во Вселенной автоматически, исключительно за счет естественных процессов. В этом случае нам уже не понадобится вмешательство «творца». Тем не, менее, хотя наука и в состоянии объяснить мир, еще остается дать объяснение самой науки. Законы, обеспечившие спонтанное возникновение Вселенной, по всей вероятности, сами рождены каким-то остроумнейшим планом. Но если физика – продукт подобного плана, то у Вселенной должна быть конечная цель, и вся совокупность данных современной физики достаточно убедительно указывает на то,что эта цель включает и наше существование.