Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Наиболее яркие прорывы в этой области включают определение выдающимся химиком Дороти Мэри Кроуфут-Ходжкин трехмерной структуры холестерина (1937), пенициллина (1946), витамина B 12(1956) и инсулина (1969); а также определение структуры ДНК (1953) — знаменитой двойной спирали — Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном. Они расшифровали дифракционную картину, снятую Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин.

Современные мощные компьютеры используют программы, где учтены все полученные ранее успешные результаты. Это позволяет ученым решать куда более сложные задачи рентгеновской дифракции в рабочем порядке. Так удалось определить структуры десятков тысяч белков и других важных молекул. Искусство создания подобных «картин» остается жизненно важным на передовых рубежах биологии и медицины.

Для меня интерпретационная лестница — одновременно и прекрасный пример, и метафора того, как мы строим модели окружающего мира. В рамках естественного зрения мы должны преобразовать двумерные образы, поступающие на сетчатку глаза, в приемлемые трехмерные объекты. В абстрактной постановке эта задача неразрешима из-за нехватки информации. Компенсируя ее, мы строим предположения о том, как устроен мир. Мы обращаем внимание на резкие изменения цвета, тени и траектории объектов, что позволяет нам опознавать их, а также оценивать свойства и расстояния между ними.

Младенцы и слепые люди, которым внезапно вернули зрение, должны учиться видеть, конструировать разумный мир на основе простых наблюдений. Обучение тому, как «увидеть» объект на рентгеновской дифрактограмме, — по сути, похожий процесс. У него та же цель — выработать набор приемов, позволяющих осмыслить окружающий мир.

Принцип работы нашего третьего устройства — сканирующего микроскопа — на удивление нагляден. Острую иглу с крохотным кончиком подводят к исследуемой поверхности и двигают параллельно ей. На иглу подается небольшой потенциал, благодаря чему возникает ток, идущий от сканируемой поверхности. Чем ближе к ней кончик иглы, тем больше ток. Таким образом можно «считывать» топографию поверхности с субатомным разрешением. На получаемых изображениях видны отдельные атомы, которые напоминают горы, возвышающиеся над плоским ландшафтом.

Наконец обсудим, как ученые исследуют самые маленькие расстояния. Первый эксперимент, позволивший заглянуть внутрь атома, был выполнен в 1913 году Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом под руководством Эрнеста Резерфорда. В эксперименте пучок альфа-частиц направлялся на золотую фольгу. Гейгер и Марсден фиксировали, на какие углы отклоняются прошедшие через фольгу альфа-частицы. Изначально они считали, что только небольшая доля частиц, если таковые вообще найдутся, существенно отклонится от курса. Альфа-частицы довольно массивны, так что только непосредственное столкновение с гораздо более тяжелыми объектами может изменить направление их движения. Если масса золотой фольги распределена равномерно, больших отклонений быть не должно [21].

То, что увидели Гейгер и Марсден, никак не совпало с их ожиданиями: значительное число частиц отклонилось на большой угол. Иногда альфа-частицы даже меняли направление движения на обратное. Позднее Резерфорд вспоминал о своей реакции на эти новости:

Это было самое невероятное событие в моей жизни. Результаты были почти столь же невероятными, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в листок папиросной бумаги, а этот снаряд возвратился бы и поразил вас. При анализе этого я понял, что такое рассеяние назад должно быть результатом однократного столкновения, и, произведя расчеты, увидел, что это никоим образом невозможно, если не предположить, что подавляющая часть массы атома сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда у меня и зародилась идея об атоме с крошечным массивным центром, в котором сосредоточен заряд [22].

Современное представление об атомах [23]родилось из детального анализа Резерфордом эксперимента Гейгера и Марсдена. Он нашел объяснение их данным: предположил, что б о льшая часть массы и весь положительный заряд атома сконцентрированы в крошечном ядре. В дальнейшем удалось конкретизировать эти выводы. В ядре сосредоточено более 99% массы атома, хотя радиус ядра составляет всего одну стотысячную долю радиуса атома. Оно, будучи почти сферическим, занимает около одной миллионной от одной миллиардной части его объема. Это поистине астрономические числа. Ядро теряется в объеме атома так же, как Солнце — в окружающем его межзвездном пространстве.

Опыт Гейгера — Марсдена определил научную парадигму исследований субатомного мира, где с тех пор доминируют экспериментальные исследования фундаментальных взаимодействий. Бомбардируя мишени частицами со все более высокими энергиями и анализируя особенности их отклонения, мы изучаем внутреннюю структуру мишени. И здесь мы вновь строим интерпретационную лестницу: знания, приобретенные на каждой ступени, помогают нам ставить новые эксперименты и продвигаться в глубь материи.

За горизонтом

Мы не можем заглянуть дальше расстояния, которое преодолел свет с момента Большого взрыва. Оно определяет наш космический горизонт. Но с каждым днем Большой взрыв уходит все дальше в прошлое. Пространство, которое вчера было за горизонтом, открывается для обзора.

Несомненно, один день и даже тысяча лет — ничто в космических масштабах, и относительное увеличение видимой Вселенной практически незаметно для нас. Но ведь интересно понять, какую Вселенную смогут наблюдать наши далекие потомки, и задуматься над тем, что происходит за горизонтом. Одиссей в стихотворении Теннисона говорит:

Расширяющийся космический горизонт ставит много вопросов. Например, попадет ли под него вся Вселенная? Если пространство конечно, так однажды и произойдет. Примечательно, что конечное пространство не обязано быть ограниченным. Сфера, которая представляет собой поверхность шара, — пример конечного пространства, не имеющего границ. Поверхность обычного шара двумерна. Хотя это трудно представить наглядно, но для математиков проще простого определить трехмерное пространство, которое, как обычная сфера, конечно, однако при этом не имеет границ. Возможные формы конечной Вселенной следует искать среди подобных пространств.

Видимая Вселенная отличается однородностью. Она состоит из одинаковой материи, подчиняющейся единым законам, организованной схожим образом, равномерно распределенной повсюду. Другой вопрос заключается в том, распространяется ли эта «универсальная» модель на те части Вселенной, которые пока недоступны для нашего взора. Или на самом деле наш мир — мультивселенная, в основе которой много разных структур и законов?