Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Даже на квантовом уровне нам приходится выбирать ту модель, которая более всего применима к изучаемой системе. Еще с начала 1930-х годов известно, например, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, однако в конце 1960-х было обнаружено, что эти частицы не являются элементарными, а состоят из более мелких составляющих, кварков. Но физики-ядерщики не описывают свойства ядер с помощью кварковых моделей. Хотя на основе упрощенного редукционистского подхода можно предположить, что для более глубокого, более точного описания атомного ядра это просто необходимо. Тем не менее пользы от этого мало. Можно с достаточной уверенностью утверждать, что при описании свойств ядер протоны и нейтроны ведут себя так, как будто они неделимые частицы, а не сложные системы из трех кварков. Поэтому, хотя их свойства и поведение в конечном счете должны определяться их внутренней структурой, это вовсе не очевидно и не обязательно, если мы хотим узнать о таких свойствах, как форма и стабильность ядра. Вообще говоря, даже в самой ядерной физике используется целый ряд очень разных математических моделей, причем каждая лучше всего подходит для определенного класса ядер. Универсальной же теории ядерной структуры не существует.

Вот это я и имею в виду, когда говорю о том, что физические объекты ведут себя по-разному в зависимости от заданного масштаба, рассматриваемого интервала времени и энергии. Физика имеет две чудесные особенности – универсальность многих ее теорий и то, что, более глубоко изучая и анализируя систему, мы лучше понимаем, как ее части соотносятся с целым. Однако верно и то, что нам часто приходится делать выбор в пользу теории, более подходящей для конкретного масштаба. Если вам нужно починить стиральную машину, то вам совсем не обязательно знать все сложности Стандартной модели физики частиц – пусть даже стиральная машина, как все остальное в мире, в конечном счете состоит из кварков и электронов. Если бы мы попытались применить фундаментальные теории физики о квантовой природе мира к нашей будничной жизни, мы бы далеко не ушли.

Теперь, когда мы узнали о возможностях и границах того, в чем нам полезна физика, – от потенциала математической симметрии, лежащей в основе физических законов, от масштаба, в котором эти законы можно применять, до ограничений, налагаемых редукционизмом и универсальностью, – мы готовы наконец взяться за дело. Я начну следующую главу с первого из трех фундаментальных столпов физики – с теории относительности Эйнштейна.

Глава 3. Пространство и время

В такой небольшой книге у меня нет возможности рассказать обо всех областях физики, пусть даже многие очень интересны. Я решил свести существующее понимание устройства мира с точки зрения физики к трем основным постулатам, к трем картинам мира в разных ракурсах. Первая, которой посвящены следующие две главы, основана на исследованиях Альберта Эйнштейна в начале XX века. Она отражает наше современное понимание того, как в крупнейшем масштабе ведут себя материя и энергия под воздействием силы тяготения, – знаменитая общая теория относительности.

Чтобы написать эйнштейновскую картину мира, нужно начать с холста. Базис, на котором происходят все события, – это пространство и время. Однако эти понятия неоднозначны.

Здравый смысл подсказывает нам, что пространство и время должны существовать изначально: пространство – это где происходят события и осуществляются законы физики, а неумолимый ход времени… что ж, он неумолим. Но верно ли такое понимание пространства и времени? Важный урок, который должен выучить каждый физик, – здравому смыслу не всегда можно доверять. В конце концов, именно он подсказывает нам, что Земля плоская, но даже древние греки понимали, что сами ее размеры мешают воспринимать кривизну поверхности и то, что Земля круглая, можно доказать с помощью простых экспериментов. Жизненный опыт говорит нам, что свет имеет волновые свойства и поэтому не может вести себя так, как если бы он состоял из потока отдельных частиц. Иначе как можно объяснить явление интерференции? И все же с помощью точнейших экспериментов уже безусловно доказано, что, когда дело касается естественного света, наши чувства могут нас обмануть. А если речь о квантовом мире, то, чтобы понять, что на самом деле происходит, приходится отказаться от многих обычных понятий, основанных на простой интуиции.

Привычка не всегда доверять интуиции – ценная способность, которую физики унаследовали от философов. Еще в 1641 году Рене Декарт в своих «Размышлениях о первой философии» утверждал: чтобы узнать о материальном мире нечто истинное, нужно сначала подвергнуть все сомнению, невзирая на то, что подсказывают чувства. Это не значит, что нельзя верить ничему, что нам показывают или говорят; это лишь означает, что, согласно Декарту, те утверждения, которые он считает истинными, «требуют сознания, полностью свободного от предрассудков и способного с легкостью отмежеваться от области чувств»[13].