Был ли Бог математиком?

Геоцентрическая модель Птолемея безраздельно правила почти полторы тысячи лет. Ни на какую универсальность она не претендовала, движение каждой планеты рассматривалось отдельно, а о физических его причинах (силе, ускорении) не упоминалось, однако результаты наблюдений она предсказывала достаточно надежно. Николай Коперник (1473–1543) в 1534 году обнародовал гелиоцентрическую модель, а Галилей, так сказать, подвел под нее твердый фундамент. Кроме того, Галилей заложил основу законов движения. Но только Кеплер вывел из наблюдательных данных первые математические, пусть и чисто феноменологические законы движения планет. Кеплер рассчитал орбиту Марса на основании огромного количества данных, которые достались ему в наследство от астронома Тихо Браге[168]. Сотни страниц математических выкладок, которые ему для этого потребовались, он назвал «моей битвой с Марсом». Всем наблюдениям вполне соответствовала круглая орбита – за исключением двух отклонений. Однако Кеплера это решение не устроило, и впоследствии он так описывал ход своих мыслей: «Если бы я считал, что мы можем пренебречь этими восемью минутами [угловыми, это примерно четверть поперечника полной луны], то подправил бы свою гипотезу… соответственным образом. Однако, поскольку отбросить их было невозможно, эти восемь минут и только они подтолкнули меня на путь полной реформы астрономии». Последствия этой дотошности были просто поразительны. Кеплер предположил, что орбиты планет не круглые, а эллиптические, и сформулировал два дополнительных количественных закона, которые действуют для всех планет. Эти законы вкупе с ньютоновыми законами движения и стали основой для закона всемирного тяготения Ньютона. Однако вспомним, что Декарт за это время успел выдвинуть теорию вихрей, согласно которой планеты влекомы вокруг Солнца вихрями кружащихся частиц. Эта теория к особым достижениям не привела – даже до того, как Ньютон доказал, что она противоречива, – поскольку систематических математических моделей для своих вихрей Декарт не разработал.

Чему нас учит этот краткий рассказ? Нет никаких сомнений, что закон всемирного тяготения Ньютона – это плод работы гениального ума. Однако этот гений трудился не в вакууме. Некоторые основы были старательно заложены его предшественниками. Как я отметил в главе 4, даже ученые куда меньшего калибра, чем Ньютон, в частности архитектор Кристофер Рен и физик Роберт Гук, независимо сформулировали закон притяжения, обратно пропорционального квадрату расстояния. Величие Ньютона проявилось в его непревзойденной способности объединить это все в универсальную теорию и в упорстве, с которым он разработал математическое доказательство всех следствий из своей теории. Почему эта модель оказалась такой точной? Отчасти потому, что решала самую фундаментальную задачу – о силе притяжения между двумя телами и их результирующем движении. И больше никаких осложняющих факторов. Ньютон получил полное решение этой задачи – и только ее. Именно поэтому фундаментальная теория оказалась крайне точной, однако следствия из нее должны были постоянно уточняться.

В Солнечной системе тел не два, а больше. Если учитывать влияние других планет (опять же в соответствии с законом обратных квадратов), то орбиты перестают быть простыми эллипсами. Например, оказалось, что орбита Земли медленно меняет положение в пространстве – это движение называется прецессия, именно так перемещается ось вращающегося волчка. Более того, современные исследования показали, что, вопреки ожиданиям Лапласа, орбиты планет в конечном итоге могут даже впасть в хаос (подробнее об этом см. Lecar et al. 2001).

Фундаментальная теория Ньютона впоследствии, разумеется, была включена в общую теорию относительности Эйнштейна. И появлению этой теории также предшествовала череда промахов и фальстартов. Так что предсказать точность той или иной теории невозможно. Не проверишь – не узнаешь, и нужно постоянно делать поправки и уточнения, пока не достигнешь желаемой точности. Те несколько случаев, когда невероятная точность достигалась за один шаг, следует считать настоящими чудесами.

Однако есть и еще одно важное общее обстоятельство, из-за которого поиск фундаментальных законов остается стоящим делом. Речь идет о том, что природа в своей любви к нам управляется именно универсальными, а не местными законами. Атом водорода везде ведет себя совершенно одинаково – и на Земле, и на другом краю Млечного пути, и даже в галактике за десять миллиардов световых лет от нас. Это не зависит от того, куда и когда мы посмотрим. Математики и физики придумали для этого качества особый математический термин: это симметрии, и они отражают устойчивость к переменам в положении, ориентации и моменте, когда запускаешь свои часы. Если бы не эти (и другие) симметрии, у нас не было бы ни малейшей надежды познать структуру мироздания, поскольку эксперименты пришлось бы усердно повторять в каждой точке пространства (если бы в такой Вселенной вообще была возможна жизнь).