О природе вещей. Учебное пособие по курсам «Концепции современного естествознания» и «Современная научная картина мира»

самое непосредственное, если только сохранить детское восприя- тиеизадатьпаруоченьпростыхвопросов.

Что рано или поздно происходит с любой лужей? Разумеется, она высыхает, то есть испаряется, переходит в пар. Из школьного курса все мы помним, что у воды есть три агрегатных состояния – твердое (лед), жидкое (вода) и газообразное (пар). Из того же курса мы знаем, что переход из жидкого состояния в газообразное проис- ходит при температуре 100 С°. Привычное объяснение настолько затуманивает наше сознание, что мы не удосуживаемся задать во- прос, который вертится на языке: а откуда берется такая темпера- турана улице,гдеэта лужа ипребывает? Двадцать-тридцать граду- сов–обычноедело,носто...Ясно,чтогде-токроетсяподвох.

Объяснение этому было дано английским физиком Максвел- лом (тем самым, который доказал единую природу электрического и магнитного полей, создав теорию электромагнетизма). Он пока- зал, что температура жидкостей и газов – величина усредненная, показывающая скорость наибольшего числа молекул, их составля- ющих. Но кроме них, есть еще более быстрые и более медленные молекулы, скорости которых уравновешивают друг друга и при обычныхусловияхвлияютнаобщуютемпературу.Высыханиеводы в луже связано именно с такими быстрыми молекулами, энергии которых хватает для отрыва от поверхности воды. График, отража- ющий взаимосвязь количества молекул и их температуры, получил название распределения Максвелла и встречается в самых разных областях жизни, не только в физике, но и в гуманитарных науках, напримерприсоциологическихопросах.

С высохшей лужей разобрались, но какое отношение это име- ет к рождению Вселенной? Оказывается, самое непосредственное, и эта взаимосвязь отражается в физической категории, называ- ющейся флуктуацией. Для ее понимания необходимо проследить мысльМаксвелладальше.

Онпоставилмысленныйэксперимент,представивкомнатуспе- регородкой, в которой есть отверстие, достаточное для проникно- вения в него одной молекулы. Снабдив это отверстие дверцей и по- садив рядом с ней некое существо, которое будет открывать ее для быстрых,т.е.горячихмолекулизахлопыватьпередмедленными,мы можем получить разность температур по обе стороны перегородки и использовать ее для производства некоторой работы. Получает- ся вечный двигатель! Такое существо получило название «демона Максвелла», поскольку любое материальное создание будет затра-

41

чивать на открывание-закрывание двери энергию, и эти затраты сведутнанетвыигрышвработеразноститемператур.Вечныйдви- гатель, таким образом, оказался невозможным, но распределение Максвелла позволяет объяснить совершенно невозможную, на пер- вый взгляд, вещь. С точки зрения теории вероятности, неоднород- ное распределение молекул разных температур может иметь место без участия демонов и прочих сверхъестественных существ. Разу- меется, сложно, почти невозможно представить ситуацию, при ко- торой все холодные молекулы соберутся в одной стороне комнаты, а все горячие – с другой. Однако все упрощается, если представить, что в комнате всего две молекулы – в этом случае возможны все- го два состояния – температура в разных углах будет либо равной (если молекулы распределены равномерно), либо неравной (если обе молекулы сосредоточены в одном углу). Вероятность неравных температур в этом случае – ровно половина. Чем больше молекул, тем меньше вероятность таких отклонений, но она никогда не ста- нет равной нулю. Именно такое спонтанное отклонение от состоя- нияравновесияиназываетсяфлуктуацией.

Результатом любой флуктуации является нарушение симме- трии. О том, что это слово означает в науке, в отличие от повсед- невного понимания, сказано в заключительном разделе, сейчас же лишь отметим, что только благодаря флуктуации оказалось воз- можнымрождениенашегомира.

Долгое время считалось, что Вселенная существовала всегда и будет существовать вечно, не подвергаясь никаким изменениям. Нов начале ХХ в. произошелряд событий, которые заставили изме- нитьэтуточкузрения.Наповесткуднявсталидвапростыхвопроса, ответы на которые не могли быть получены, исходя из традицион- ных взглядов. Потребовалось объяснить два парадокса, известных как гравиметрический и фотометрический. Первый основан на за- коне всемирного тяготения. Гравитационное взаимодействие всег- да однонаправленно, все тела, обладающие массой, всегда притяги- ваются друг к другу. Но в этом случае звезды, планеты и все осталь- ное, включая межзвездную пыль и газ, должны стянуться в одну точку в пространстве. Этого не происходит, следовательно, где-то кроется подвох. То же самое и с фотометрическим парадоксом – если пространство однородно во всех направлениях, то примерное распределение звезд во Вселенной должно быть равномерным. Но в этом случае при взгляде на звездное небо ночью мы должны были бы видеть равномерно светящийся небосвод, поскольку свет

42

от звезд, даже самых далеких, за бесконечноевремя существования Вселенной должен был дойти до Земли. Ничего подобного не на- блюдается, значит, постулат о стационарном состоянии Вселенной долженбытьподвергнутсомнению.

Вообще говоря, физика в этом случае опять запоздала, еще Кант поставил вопрос следующим образом: если мир существует беско- нечное количество времени, почему все, что могло произойти, еще не произошло? Почему история продолжается, вместо того, чтобы закончиться много лет назад? Но в 1920-е гг. прошлого века и фи- зика, наконец, вплотную подошла к необходимости ответа на все эти вопросы. Было обнаружено удивительное явление: галактики, видимые с Земли, движутся в разные стороны, причем чем дальше они от нашей галактики – Млечного Пути, – тем быстрее они от нас удаляются. Американский астроном Хаббл обнаружил это явление в 1929 г., и с тех пор оно возведено в ранг закона природы. Следует, правда,сказать,чтозасемьлетдоэтогорусскийфизикиматематик Н. Фридман создал математическую модель, опирающуюся на об- щую теорию относительности. Исходя из эйнштейновских положе- ний,Фридманпоказал,чтовозможнытривариантаразвитиянашей Вселенной,ноприкаждомизнихначальноесостояниемирадолжно бытьединым–всевеществоиэнергиясосредоточеныводнойточке. Такойподходвполнелогичен–еслигалактикиразлетаются,значит, в каждый момент прошлого они были ближе друг к другу, и должен быть такой момент, когда они были слиты воедино. Это первичное состояниеВселеннойназывается«особойточкой»(по-латыни–син- гулярностью), и физика ХХ в. активно просчитывала ее возможные параметры. Предположение о сингулярности позволило совместить несовместимое – теорию относительности и квантовую механику. Дело в том, что при концентрации материи в одной точке должны возникнуть совершенно непредставимые с позиции классической науки эффекты. Привычное ее состояние – в виде атомов и моле- кул – оказывается невозможным, поскольку не только на уровне атомов, но даже и атомных ядер вещество должно быть разрушено чудовищной массой, «сплющивающей» под действием гравитации любые мало-мальски организованные структуры. Поэтому исход- ным состоянием материи в сингулярности являются элементарные частицы, которые, взаимодействуя друг с другом, превращаются в излучение, а оно, в свою очередь, вновь рождает элементарные частицы. Такое равновесие, в принципе, могло сохраняться сколь угоднодолго,ноделовтом,чтосамопонятие«долго»вданномслу-

43

чае неуместно. Время в нашем понимании возникает одновременно с пространством, течение времени, как мы уже видели, – это само движение развертывающегося пространства, потому до тех пор, покаэтотпроцессненачался,говоритьовременипростонельзя.Мы не можем задать вопрос «что было до появления на свет нашей Все- ленной?», поскольку само это появление является точкой отсчета, нулевой величиной. Существует легенда о некоем священнике, ко- торый в ответ на вопрос, чем занимался Бог до того, как создал наш мир, ответил: «Создавал ад для слишком любопытных». В противо- вес этому, уже не легендарный, а вполне реальный средневековый философ и богослов Августин Аврелий утверждал, что до создания мираБогнеделалвообщеничего,покрайнеймеревнашемпонима- нии. Ведь понятие «до» обязательно означает не только то, что есть «после»,ноито,чтоонисвязаныпричинно-следственнымисвязями (разумеется, автор не призывает следовать известной логической ошибке «после того – значит вследствие того», в контексте вопро- са о рождении Вселенной утверждение «после – значит вследствие» выражаеттребование,чтопричинавсегдавовременипредшествует следствию и никогда – наоборот). Точка зрения Августина удиви- тельным образом предвосхитила взгляды современных физиков – сейчаснаукасчитает,чтоговоритьовремениможнолишьсмомента нарушения равновесия, которое произошло в сингулярности и при- вело к удивительному процессу, известному сейчас под названием БольшойВзрыв.

Честносказать,снимдосихпорнетполнойясности.Болеетого, она, очевидно, никогда и не появится, поскольку именно Большой Взрывиявляетсянепосредственнопервымизуникальныхединич- ныхнаучныхфактов.Однакокое-чтомывсежеможемсказатьи,бо- леетого,дажесделатьнекоторыепредсказания.

Во-первых,благодаряМаксвеллуиегопонятиюфлуктуациимы можем представить причину Большого Взрыва – спонтанное нару- шениеравновесиямеждувеществомиэнергией.Системакачнулась в ту или иную сторону, возникло преобладание вещества над энер- гиейилинаоборот–иединоеизначальное«космическоеяйцо»,как часто называют сингулярность, треснуло, и из него вылупился тот «цыпленок», внутри которого мы с вами находимся, – наше про- странство.

Во-вторых,исходяихскоростиразбегагалактикмыможемпод- считать приблизительное время рождения Вселенной. Первые та- киеподсчетыбылисделанысразужепослеоткрытияХабблаипока-

44

зали,чтовремясуществованиянашегомираравноприблизительно пяти миллиардам лет. Как выяснилось позже, эта оценка была не- верной, поскольку не совсем точно были подсчитаны как скорости галактик, так и расстояние между ними. Эта ошибка сыграла злую шутку с учеником Фридмана, американским физиком русского происхождения Александром Гамовым. Он известен как создатель теории горячей Вселенной, которая сейчас принята в качестве ос- новнойкосмологическойконцепции.ПомнениюГамова,начальное состояние Вселенной должно было характеризоваться невероятно высокими значениями температуры и плотности. Первое мгно- вение после Большого Взрыва – единственный момент в истории, когда совпали истинности теории относительности и квантовой механики,посколькугигантскаямасса,сконцентрированнаявчрез- вычайно малом объеме, давала возможность проявляться реляти- вистским эффектам, т.е. действию сил гравитации, а так как веще- ство находилось в состоянии элементарных частиц, то оно подчи- нялось квантово-механическим законам. Однако уже вскоре после этого две фундаментальные теории расходятся, чтобы не совпасть больше никогда. Первый период развития Вселенной, называемый периодом инфляционного расширения, заканчивается падением плотности и температуры, образованием из элементарных частиц ядерпервыхэлементов–водородаигелия(всоотношенииприбли- зительно 80 к 20) и снижением роли сил гравитации. Она теперь будет проявлять себя лишь в масштабах макро- и мегаобъектов, но никогда – на уровне микромира (великолепное представление об этом периоде дают книги «Первые три минуты» и «Мир в орехо- войскорлупке»С.ВайнбергаиС.Хокингасоответственно).

Однако вернемся к Гамову, которому, пожалуй, единственно- му из ученых удалось не только «задним числом» описать процесс рождения Вселенной, но и предсказать некий физический эффект, который впоследствии действительно был обнаружен. Гамов исхо- дилизтого,чтовусловияхогромнойплотностисингулярностикван- ты света, сталкиваясь между собой, рождали пару элементарных частиц (чаще всего – электрон и позитрон). При падении плотности такого уже быть не могло, а значит, «избыточное» излучение долж- но было заполнить всю первоначальную Вселенную. Тот крохотный мир, которым она была в первые мгновения, должен был быть за- полненным ярким светом, который, однако, терял свою энергию по мере расширения пространства. Исходя из того самого злополуч- ногочисла«пятьмиллиардовлет»,Гамоврассчитал,докакихзначе-

45

нийдолжнобылоостытьэтоизлучение,котороеполучилоназвание реликтового. По расчетам оказалось, что его температура должна находитьсяврайонепятиградусоввышеабсолютногонуля,иГамов принялся за поиски, оказавшиеся безуспешными. Дело в том, что Хаббл в своей оценке возраста Вселенной ошибся почти в три раза: по современным данным, Большой Взрыв произошел приблизи- тельно 14,2 млрд лет назад. Реликтовое излучение, соответственно, успело остыть до более низких значений, и когда оно все-таки было обнаружено,оказалось,чтоеготемператураравна2,7К.

История открытия этого излучения также представляет собой один из многочисленных научных курьезов. В 1965 г. два ничем непримечательныхрядовыхфизика–АрноПензиасиРобертВиль- сон, отлаживая радиотелескоп, принадлежащий лаборатории ком- пании «Белл», обнаружили досадную помеху – непонятный шум, причиныкоторого,какониподумаливначале,лежатвтехнической неисправности телескопа. Это было вполне объяснимо: помехи неизменялись,вкакуюбысторонуненаправлялизеркалотелеско- па. После того как были проверены все электронные системы, при- шел черед и этого зеркала – астрономы решили, что подобный шум может давать птичий помет, в изобилии попадавший на стодюй- мовую поверхность. Однако и его устранение ни к чему не при- вело – шум оставался неизменным на протяжении всего времени наблюдения. Постепенно Пензиас и Вильсон поняли, что столкну- лись с чем-то, совершенно для них новым и необъяснимым. То, что уровень шума не менялся при изменении положения зеркала, гово- рило о том, что его источник находится за пределами атмосферы. То,чтоонсохранялсявтечениесуток,несмотрянавращениеЗемли, говорило о том, что его источник лежит за пределами Солнечной системы. Наконец, длительное наблюдение показало, что его нель- зяотнестидажекнашейгалактике–излучениеидетизглубинВсе- ленной, причем со всех сторон одинаково. И совершенно случайно, в застольной беседе со своими коллегами, Пензиас и Вильсон услы- шалипроведущиесяужемноголетпоискиреликтовогоизлучения. Судьбаподбросилаимшанс,которымонинепреминуливоспользо- ваться,опубликовавстатью,закоторуюв1978г.получилиНобелев- скую премию, хотя по справедливости, ее, разумеется, должен был получитьГамов.

Дальнейшее развитие Вселенной представляет не меньший интерес: вслед за фазой инфляционного расширения последовали фазы нарушения различного рода симметрий, первичного нуклео-

46

синтеза,вспыхивалиигаслизвезды,появлялисьпульсарыичерные дыры, но обзор, даже краткий, всех этих удивительных явлений, невозможен в жестких рамках нашего курса (заинтересовавшимся автор может рекомендовать замечательную книгу С. Хокинга «Чер- ныедырыимолодыевселенные»).Совсемнедавно,в1980 егг.ХХв. былосделаноещеодноневероятноеоткрытие:выяснилось,чтопо- мимовсемизвестной«обычной»материиВселеннаясодержитине- видимую «темную» материю, проявляющую себя только благодаря гравитации и не вступающую ни в какие другие взаимодействия. Эта загадка, наряду со многими другими, еще ждет ответа. Но это ужесовсемдругаяистория...

4. Свет мой, зеркальце, скажи,

пр нципах симметрии илиУ большинствапара словцивилизованных людей каждое утро начинает-

сяодинаково.Мыумываемся,бреемся,красимсяисовершаеммассу другихпоступков,которыеобъединяютсяоднимобщимусловием– все они совершаются перед зеркалом. Что может быть привычнее собственного отражения? А ведь в нем таится немало вопросов, недаром многие мистические традиции используют простейшую систему из двух зеркал, создающую бесконечное количество отра- жений. Простые детские вопросы и здесь могут поставить в тупик даже достаточно грамотного и образованного человека, например такой: почему при отражении в зеркале меняются местами правое илевое,нонеменяютсяверхиниз?

Наше отражение является симметричным, и это один из самых распространенных видов симметрии – зеркальная. Мы сами, без всякого зеркала, обладаем этой симметрией – наши руки и ноги совпадают при наложении их одна на другую. Все это совершенно очевидно и даже непонятно, для чего потребовалось все это изла- гать? На самом деле симметрия – это универсальное свойство на- шего мира, и отражением в зеркале она не ограничивается. В ши- роком смысле слова под симметрией подразумевают способность объектовнашегомирасовпадатьссамимисобойприопределенном воздействии на них. Симметрия, таким образом, – это способность сохранятьсущностьпринекоторыхпреобразованиях.

Принципы симметрии интересуют нас с точки зрения науки, которая ставит чрезвычайно важный и значимый вопрос: насколь-

47

ко устойчивы законы природы? Являются ли они симметричными, т.е. сохраняющими свою сущность при определенных преобразова- ниях?Посути,можноперефразироватьэтотвопросещеболеежест- ко:насамомлиделезаконыприродыявляютсязаконами?Возьмем для примера первый закон термодинамики, известный всем без исключения, – это закон сохранения энергии. Он не обоснован те- оретическиипредставляетсобой,посути,индуктивноеобобщение эмпирических данных. Можем ли мы в таком случае считать его за- коном? В начале ХХ в. была сделана попытка доказать это положе- ние,исвязаноэтобылоименноспонятиемсимметрии.

В 1918 г. состоялось событие, нехарактерное для большой на- уки – в нее вошла женщина. Имя ее – Эмми Нетёр, и прославилась она доказательством теоремы, носящей с той поры ее имя. В этой теореме Нетёр связала фундаментальные свойства нашего мира сразличнымивидамисимметрии.Законсохраненияэнергиисвязы- вался с однородностью времени, закон сохранения импульса – с од- нородностью пространства, закон сохранения момента импульса – сизотропностьюпространстваит.д.Фундаментальныезаконыпри- роды представлялись вытекающими из фундаментальных свойств нашего мира. Независимость результатов эксперимента от положе- ния лаборатории в пространстве или времени – вот основной вы- вод,следующийизтеоремыНетёр.

Однако и такое положение дел продержалось относительно не- долго.Деловтом,чтоНетёрисходилаизсовременныхейпредстав- лений о пространстве и времени, а они во многом еще оставались классическими, восходящими к ньютоновским взглядам. Конечно, уже была создана теория относительности, но до появления кван- товой механики оставалось еще несколько лет, а именно в ней не- которые представления о фундаментальности были серьезнейшим образом пересмотрены. Результаты этой ревизии проявили себя вполноймерек1956г.

До этого времени физики полагали, что законы природы ин- вариантны относительно трех видов симметрии, которыми в ос- новном и оперировала квантовая механика, – симметрия типа С, типа Р и типа Т. Симметрия С означает, что законы одинаковы для частиц и античастиц (напомню, что это частицы с одинаковой мас- сой, но противоположными зарядами). Отсюда следовало, что если, например, поменять в атоме водорода положительно заряженный протон на антипротон, а электрон – на позитрон, то получившийся атом «антиводорода» будет вести себя так же, как и его «нормаль-

48

ный» партнер. Инвариантность относительно симметрии Р означа- ет, что законы природы эквивалентны для явления и его зеркаль- ного отражения, т.е. для частиц, вращающихся по и против часовой стрелки.СимметрияТутверждает,чтоприизменениинаправления движения всех частиц (или античастиц) на обратное система вер- нетсявисходноесостояние.

Сразу же бросается в глаза, что этот последний вид симметрии на самом деле не что иное, как один из постулатов классической ньютоновской механики – постулат об обратимости времени. Тем не менее, несмотря на эту очевидность, а может быть, именно бла- годаря ей, убежденность в инвариантности относительно прямого иобратноготечениявременипродержаласьдольшевсего.

Первым бастионом, павшим под натиском теоретической и экс- периментальной физики, оказалась симметрия Р. В 1956 г. амери- канские физики Ли и Янг показали, что одна из четырех сил при- роды – слабое взаимодействие – на самом деле не инвариантна от- носительнозеркальногоотображения.Прощеговоря,еслибынаша Вселенная отражалась в некоем гигантском зеркале, ее развитие шло бы по-другому. В том же году эта гипотеза получила подтверж- дение: было доказано, что радиоактивные атомы, расположенные в магнитном поле, испускают большее количество излучения в од- ном направлении, чем в другом. Это открытие настолько потряс- ло научный мир, что уже в следующем году (редчайший случай!) ЛииЯнгбылиудостоеныНобелевскойпремии.

Любопытное совпадение: незадолго до этого, в 1953 г., амери- канскийбиохимикСтенлиМиллерпыталсявлабораторныхуслови- яхсинтезироватьмолекулыбелка.Емуудалосьполучитьнекоторые аминокислоты (это «кирпичики»-мономеры, из которых строится полимерная белковая молекула), но вот собрать их воедино никак не получалось. Как оказалось, это связано опять-таки с нарушени- ем симметрии. Дело в том, что органические молекулы могут быть абсолютно одинаковыми по химическому составу, но отличаться по пространственному расположению атомов, входящих в эти мо- лекулы. Невероятный парадокс: химически однородное вещество имеет неодинаковые химические свойства! (Подробнее об этом бу- дет сказано во второй части, посвященной концепциям возникно- венияжизни).

Таким образом, законы природы (по крайней мере, некоторые из них) оказались неинвариантными относительно зеркальных от- ражений объектов. Еще через восемь лет, в 1964 г., было показано,

49

чтослабоеядерноевзаимодействиенеподчиняетсяисимметрииС. Частицыиантичастицыведутсебянеодинаково,чтопродемонстри- роваливходеэкспериментовещедваамериканца–КрониниФитч, за что и получили свою Нобелевскую премию, правда, значительно позже – в 1980 г. Из нарушений симметрии С и Р логически выте- кало, что и симметрия Т не может рассматриваться как абсолютно универсальное свойство нашего мира. Правда, это положение экс- периментально проверить невозможно – мы не в состоянии заста- витьвремядвигатьсяназад.Однакоздесьстоитещеразвспомнить, что течение времени – это не что иное, как продолжающееся рас- ширение пространства нашей Вселенной. Мы уже видели, что оно зависит от множества факторов и в первую очередь – от кривизны пространства. Если она положительна, то со временем расширение может смениться сжатием, и в этом случае время обернется вспять. Что же при этом будут наблюдать наши потомки (если, конечно, разумная жизнь еще будет существовать)? Означает ли это, что по- сле смены расширения на сжатие птицы будут летать хвостом впе- ред, а люди воскресать из мертвых? Если бы мы до сих пор были убеждены в правоте ньютоновской картины мира, на этот вопрос пришлось бы ответить утвердительно. Но сейчас, зная о многочис- ленныхнарушенияхсимметрии,суверенностьюможносказать,что даже при изменении течения времени на обратное ничего подоб- ного не произойдет. Развитие нашего мира будет продолжаться, и оно не будет повторением в обратном порядке уже имевших ме- сто событий. Нарушение симметрии Т – и это очередной парадокс современной физики – подтверждает необратимость времени, хотя ивсовершенноиномсмысле,нежеливпредставленияхначалаХХв. Такимобразом,несмотрянавозможноеизменениенаправленияте- чения времени, оно все равно останется однородным и анизотроп- ным–текущимтольководнусторону.Азначит,ЭммиНетёрвсе-та- ки оказалась права, и по крайней мере закон сохранения энергии мынасамомделеможемсчитатьдоказаннымзакономприроды.

Нарушениясимметриииграютогромнуюрольдлявсегонашего мира и для каждого из нас в отдельности. Человеческое тело обла- дает внешней симметрией (хотя и не полной), внутреннее же стро- ение очень несимметрично. Состояния полной симметрии человек, увы, достигает лишь в качестве скелета. Таким образом, пока мы живем, мы поддерживаем нарушение симметрии. Это же относится и к нашей Вселенной в целом – мы уже видели, что Большой Взрыв начинается с нарушения равновесия между веществом, энергией

50