Краткие ответы на большие вопросы

Однако постепенно люди научились обращать внимание на некоторые закономерности в поведении природы. Эти закономерности были наиболее очевидны в наблюдениях за движением небесных тел. Так что астрономию можно считать первой и древнейшей наукой. Более трехсот лет назад Ньютон подвел под нее строгий математический базис. С тех пор мы пользуемся его теорией гравитации для предсказания движения почти всех небесных тел. Затем выяснилось, что и другие природные явления тоже подчиняются определенным научным законам. Это привело к появлению идеи научного детерминизма, которую, судя по всему, впервые публично озвучил французский ученый Пьер-Симон Лаплас. Мне бы хотелось процитировать его высказывания по этому поводу, но Лаплас сходен с Прустом в умении писать предложения бесконечной длины и сложности. Поэтому я лучше перефразирую его мысль. В принципе, он сказал, что если в конкретный момент мы знаем положение и скорость всех частиц во Вселенной, то можно вычислить их поведение в любой момент прошлого и будущего. Известна история, скорее всего апокрифичная, о том, что Наполеон спросил у Лапласа, как в его систему вписывается Бог. Лаплас ответил: «Сир, я не нуждаюсь в этой гипотезе». Не думаю, что этой фразой Лаплас хотел сказать, что Бога нет. Все проще: Бог не вмешивается и не нарушает законы природы. Это позиция любого серьезного ученого. Научный закон – не закон, если он соблюдается лишь в тех случаях, когда некая сверхъестественная сила предпочитает не реагировать и пустить все на самотек.

Идея о том, что состояние Вселенной в конкретный момент определяет состояние во все иные моменты, со времен Лапласа была главной научной доктриной. Она утверждает, что мы можем предсказать будущее, по крайней мере, в принципе. Впрочем, на практике наша способность предсказывать будущее строго лимитирована сложностью уравнений и тем фактом, что они часто обладают качеством под названием «хаос». Как известно всем, кто смотрел «Парк Юрского периода», это означает, что мелкое нарушение в одном месте может привести к глобальным изменениям в другом. От взмахов крыльев бабочки в Австралии может пролиться дождь в Центральном парке Нью-Йорка. Проблема в том, что это не повторяется. В следующий раз взмахи крыльев бабочки могут стать причиной явлений другого характера, которые тоже окажут свое влияние на погоду. Этот фактор хаоса и делает метеопрогнозы такими ненадежными.

Несмотря на практические сложности, научный детерминизм оставался официальной догмой на протяжении всего XIX столетия. И только в ХХ веке были сделаны два открытия, которые показали, что идея Лапласа о полноценном предсказании будущего не может быть реализована. Первое связано с квантовой механикой. В 1900 году немецкий физик Макс Планк, размышляя над поразительным парадоксом, выдвинул удивительную гипотезу. Согласно классическим идеям, восходящим к Лапласу, любое горячее тело, например раскаленный до красноты металлический брусок, должно испускать излучение. Оно должно терять энергию в радиодиапазоне, в диапазоне инфракрасного, видимого и ультрафиолетового света, рентгеновского и гамма-излучения – всюду в равной степени. Это означает не только то, что мы все давно должны были умереть от рака кожи, но и то, что всё во Вселенной должно быть одинаковой температуры, а это очевидно не так.

Планк показал, что катастрофы можно избежать, если отказаться от идеи о том, что количество излучения может иметь любое значение. Он заявил, что излучение распространяется исключительно пакетами, или квантами определенного размера. Это все равно что сказать: нельзя приобрести в супермаркете сахар на развес, он должен быть расфасован в килограммовые пакеты. Энергия в пакетах, или квантах ультрафиолетового или рентгеновского излучения, выше, чем в квантах инфракрасного или видимого спектра света. А это означает, что если тело не такое раскаленное, как, например, Солнце, то ему не хватит энергии испустить даже единый квант ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Поэтому мы не получаем солнечные ожоги от чашки кофе.

Планк рассматривал идею квантов как математический трюк, не имеющий отношения к физической реальности, что бы это ни значило. Однако физики стали обнаруживать и другие явления, объяснить которые можно было только в количественных терминах, имеющих не бесконечно разнообразные, а дискретные, или квантованные, значения. Например, выяснилось, что элементарные частицы ведут себя как маленькие волчки, вращающиеся вокруг своей оси. Но количество вращения не может быть любым, оно должно быть каким-то целым количеством базовых единиц. Поскольку эта единица очень мала, невозможно заметить, что замедление вращения нормального волчка – это не гладкий процесс, а быстрая последовательность дискретных шагов. Для волчков размером с атом дискретный характер вращения имеет большое значение.