Роль законов природы
Круг объектов и явлений во Вселенной невероятно широк — от звезд, в тридцать раз превосходящих массой Солнце, до микроорганизмов, которые нельзя рассмотреть невооруженным взглядом. Эти объекты и их взаимодействия составляют то, что мы называем материальным миром. В принципе, каждый объект мог бы существовать по своему собственному набору законов, совершенно независимому от законов, управляющих всеми остальными объектами. Такая Вселенная была бы хаотичной и трудной для понимания, но с точки зрения логики это возможно. То, что мы живем не в такой хаотичной Вселенной, стало в большой степени следствием существования законов природы.
Роль законов природы состоит в том, чтобы упорядочивать и выстраивать объекты, связывать то, что кажется между собой не связанным, создавать простой каркас, соединяющий Вселенную воедино. В этой связи мне нравится использовать аналогию с паутиной. На периферии паутины находятся все явления во Вселенной — травинки, горы, кометы и так далее. Если попасть в паутину в любой точке на краю, выбрав для исследования единственное явление, можно начать задавать про него вопросы. Двигаясь в этом направлении, вы обнаружите, что все дальше и дальше углубляетесь в паутину, находя все более глубокие объяснения изучаемого явления. Постепенно обнаруживаются общие закономерности, относящиеся не только к изучаемому явлению, но связывающие его с другими, хотя эти связи и не видны с первого взгляда. Эти глубинные объяснения мы и называем законами природы.
Если продолжить исследование, можно обнаружить, что эти процессы идут еще дальше. Оказывается, что многие законы природы сами связаны с другими, еще более глубокими законами, у этих более глубоких законов есть свои, более глубокие связи и так далее. В конце концов, в самом центре паутины можно найти относительно небольшое число законов, связывающих всю конструкцию воедино. По сложившейся в науке привычке не придавать терминологии особого значения, их иногда называют «законами природы». Но, чтобы избежать путаницы, я буду называть их «основополагающими принципами», отличая их этим от остальных законов, принципов и эффектов, о которых мы будем говорить.
Перефразируя известную фразу из «Скотного двора» Оруэлла, «все законы природы равны, но некоторые равнее других». Конечно, как и следовало ожидать, среди ученых нет общего мнения относительно того, что именно представляют собой основополагающие принципы нашего ремесла, но вам пришлось бы потрудиться, чтобы найти ученого, несогласного с фактом их существования. Подозреваю также, что практически никто не спорит с включением в эту элитную группу некоторых принципов, например первого начала термодинамики. На периферии же возможны здоровые расхождения во мнениях. Вспоминаю, как несколько лет назад в журнале «Science» была опубликована статья на эту тему, и в ней читателям предлагалось присылать свои списки кандидатов в «лучшую двадцатку». Получив больше 800 ответов, редакция обнаружила, что составить список из десяти «величайших идей» нетрудно, а на следующие десять мест претендентов очень много. Ниже я, среди прочего, просто опишу область действия каждого закона и предоставлю вам решать, принадлежит ли он к основополагающим принципам.
Хочу проиллюстрировать паутину взаимосвязанных законов и принципов с помощью уже упомянутого нами вкратце предмета, а именно комет. Про кометы можно задать много разных вопросов. Один очень старый вопрос: почему они появляются на небе беспорядочно — откуда они берутся и куда исчезают? В действительности, речь идет про орбиты комет или, более общо, про влияние на их орбиты Солнца и планет. Чтобы понять, как движется комета, надо знать, какие силы на нее действуют и какие законы управляют этим воздействием. Так случилось, что пониманием и того, и другого мы обязаны Исааку Ньютону. Его закон всемирного тяготения говорит нам, с какой силой Солнце действует на комету, а законы механики объясняют, как эта сила влияет на движение кометы. Вместе эти законы показывают, как будет перемещаться каждая комета, двигаясь вокруг Солнца.
Они же представляют собой первую из объединяющих идей, о которых мы говорили ранее (Ньютон до этого смог таким же образом объяснить движение планет). Другими словами, получается, что законы, управляющие движением комет, — в точности те же самые, что управляют движением планет. Сила притяжения Солнца действует и на те, и на другие, а разница между орбитами планет и комет связана со способом образования этих двух классов объектов (см. Гипотеза газопылевого облака). Кометы попадают внутрь Солнечной системы из областей, находящихся далеко за пределами орбит самых дальних планет, поэтому они приближаются к Солнцу по касательной. Их можно сравнить с детьми, играющими в знакомую игру, в которой надо как можно быстрее подбежать к столбу, схватиться за него и обежать его. Планеты же сформировались более или менее там же, где находятся сейчас, и, соответственно, движутся вокруг Солнца по размеренным, почти круглым траекториям.
Вывод о том, что движением планет и комет управляют одни и те же законы, оказался революционным и совершенно неожиданным. В конце концов, что может быть больше непохоже на размеренное, регулярное и предсказуемое продвижение планеты по небосводу, чем беспорядочное и непредсказуемое появление комет? Однако эти, казалось бы, совершенно разные небесные явления подчиняются одним и тем же законам и связаны с притяжением Солнца одинаковым образом.
Именно это позволило астрономам в середине XX века понять, откуда берутся кометы. Изучив траекторию комет с момента их появления в солнечной системе, астрономы сумели с помощью законов Ньютона рассчитать, где начался их путь. Было обнаружено, что кометы пришли из двух резервуаров на холодных просторах космоса — плоского диска с внешней стороны орбиты Плутона, называемого Поясом Койпера, и огромной сферы, простирающейся на расстоянии примерно полутора световых лет от Солнца, называемой Облаком Оорта. Получается, что так же, как законы Ньютона позволили Эдмунду Галлею рассчитать орбиту кометы, захваченной Солнцем, они дали возможность продолжателям его дела выяснить, откуда берутся кометы. Это еще одна из неожиданных связей, о которых мы говорили ранее.
Если спросить не откуда появилась комета, а что она собой представляет, окажешься в совершенно иной части паутины. Простой вопрос из этой категории может звучать так: «Из каких химических элементов и соединений состоят кометы?» Поскольку по большей части исследование комет ведется с большого расстояния, астрономы, задающие себе подобный вопрос, изучают, как комета излучает и поглощает свет, пытаясь таким образом определить ее химический состав. Как и все остальные материальные объекты, кометы состоят из атомов, а атомы особым образом взаимодействуют со светом. Атомы каждого химического элемента и соединения излучают в характерном только для него наборе длин волн, который можно рассматривать как своеобразный оптический отпечаток пальца (см. Спектроскопия). В случае видимого света мы воспринимаем эти оптические отпечатки пальцев как разные цвета. Ярко-синий свет, видимый, когда кусочек меди падает в костер, и насыщенный желтый цвет уличного натриевого фонаря — примеры этого явления. Атомы кометы испускают свет, он проходит огромные космические расстояния до телескопа, и астрономы определяют химический состав кометы, несмотря на то, что не могут заполучить ее фрагменты для лабораторного исследования.
Конечно же, для применения этого метода не нужно, чтобы свет проходил огромные расстояния. Он дает такой же хороший результат, когда свет проходит всего несколько метров или даже миллиметров. В химической промышленности часто используют это свойство атомов — то, что каждый вид атомов испускает свет характерного именно для него набора цветов, — для контроля качества производственных процессов. Так испытывают самую разнообразную продукцию — лекарства, краски, напитки и многое другое. То, что инженер, проверяющий качество партии бензина, и астроном, изучающий дальнюю комету, используют в своей работе одни и те же законы поведения атомов — еще один пример этих неожиданных связей.
Я могу и дальше приводить примеры, но думаю, что вам понятно, о чем идет речь. Когда видишь мир как единое целое, управляемое законами природы, а не как большое число разрозненных явлений, представление о Вселенной становится более связным. Начинаешь видеть связи между, казалось бы, несвязанными вещами, упорядоченность во всем огромном разнообразии природных явлений. Мне кажется, что это — главный дар науки нашему интеллекту, одно из величайших достижений человеческой мысли.
Наука в XX веке
Картина, только что нарисованная мною для вас, именуемая «научным взглядом на мир», несет на себе отчетливую печать ньютоновских представлений. Существует распространенное заблуждение, что XX век сыграл с Исааком Ньютоном злую шутку и что ученые уже не считают Вселенную упорядоченным местом, управляемым законами природы. Философы, придерживающиеся подобных взглядов, зачастую утверждают, что благодаря теории относительности, принципу неопределенности Гейзенберга и детерминистическому хаосу прежний научный взгляд на мир устарел. Ничто не может быть дальше от истины!
Для начала поговорим об относительности. Как мы увидим, Эйнштейн пришел к своей теории в попытке спасти принцип главенства законов природы в науке. В частности, его интересовал один аспект ньютоновских законов механики — тот факт, что независимо от точки наблюдения и даже при перемещении наблюдателей друг относительно друга любой наблюдатель увидит действие во Вселенной одних и тех же законов. На этой простой посылке он построил сложную теоретическую структуру, не столько вытеснившую законы Ньютона, сколько расширившую их применение на новые области. Например, одно из следствий из теории Эйнштейна состоит в том, что перемещающиеся часы идут медленнее, чем те, что находятся в покое. Для движения с обычными скоростями (например, в машине или самолете) это замедление столь мало, что не поддается измерению, так что в повседневной жизни можно смело игнорировать относительность. Но для объектов, движущихся со скоростями, меньшими скорости света, но сопоставимыми с ней, разница может быть значительной, и ее необходимо учитывать.