Физика полна примеров подобных тонких и остроумных совпадений, описаниями которых можно заполнить не один том. На мой взгляд, достаточно лишь одного последнего примера, чтобы окончательно убедить читателя в редкостных способностях природы. Этот пример служит также одновременно иллюстрацией цельности, порядка и гармонии.
Для представления об упорядоченном мире существенна степень его постоянства. Если бы весь мир произвольно изменялся от случая к случаю, в нем царил бы хаос. Мы хотим быть уверены, что наш автомобиль останется на том месте, где его припарковали, мебель не сдвинется со своих мест, Земля не улетит в межзвездное пространство и т.д. Свойство вещества «оставаться на месте» неотделимо от нашего жизненного опыта, и мы редко сомневаемся в нем. Мир стал бы ужасающим, если бы тела сами по себе срывались со своих мест без всякой видимой причины.

Рис. 32. Как частица «узнает» какой именно путь из точки Л в точку В будет прямолинейным? Квантовая теория отвечает на этот вопрос. Частица «обследует» одновременно все возможные пути между точками А и В, Вследствие волновой природы квантовых частиц во всем пространстве – кроме области вблизи прямолинейной траектории (обозначенной пунктиром) – волны гасят друг друга в результате интерференции. Следовательно, в соответствии с вероятностной интерпретацией наиболее вероятными будут пути, проходящие вблизи прямолинейной траектории. Сколько-нибудь заметное отклонение от прямолинейной (классической) траектории можно заметить лишь в атомных масштабах.
Это рассуждение можно несколько обобщить, поскольку тело может покоиться только в одной системе отсчета. В более общем случае, в отсутствие приложенной силы тело будет двигаться прямолинейно без ускорения. Этот элементарный факт воплощен в законах движения Ньютона. По словам самого Ньютона, «описание прямых линий... на которых основана геометрия, принадлежит механике». Здесь мы хотели бы поставить вопрос: каким образом реализуется это чудо, столь важное для упорядочения мира? Откуда телу известно, по какой траектории ему следует двигаться? Каким образом возникает эта прямая линия?
Верим мы в это или нет, но причина обусловлена квантовыми эффектами, в частности волновой природой микрочастиц. Мы уже касались этого вопроса в гл.4. В оптике давно было известно, что свет распространяется прямолинейно. В действительности существует тесное соответствие между движением материального тела и распространением света даже в гораздо более сложных условиях – при наличии сил и искривлении траекторий. По существу эти движения подчиняются так называемому «принципу лености», утверждающему, что материальные тела и световые лучи следуют вдоль путей, которым соответствует минимальная активность. (Уровню активности можно дать достаточно строгое математическое определение, однако здесь нет необходимости заниматься этим). В определенном смысле световой луч и материальное тело следуют наиболее легким из всех возможных путей. Напомним, что кратчайшему расстоянию между двумя точками соответствует отрезок прямой. Однако свет представляет собой волну, тогда как материальное тело – это отдельная частица или совокупность частиц.
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.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47