Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Хотя методика Уилсона скроена под математические инструменты современного специалиста по физике элементарных частиц высоких энергий (квантовая механика и ее обобщение, квантовая теория поля), самое общее представление о ней находит широкое применение. Существует много способов познания мира. В традиционной структуре естественных наук физика имеет дело с элементарными частицами и различными их объединениями, химия — с атомами и молекулами, а биология — с жизнью. Такая категоризация действует и сегодня, хотя во времена моего студенчества она была намного заметнее; она дает разумное, хотя и грубое, деление наук по масштабу. Однако чем глубже проникают исследователи, тем яснее понимают, как важно разобраться в стыках между дисциплинами. Естественные науки нераздельны. А когда фокус смещается от просто жизни к жизни разумной, на передний план выходят и другие пересекающиеся дисциплины — язык, литература, философия, история, искусство, миф, религия, психология и так далее. Даже непоколебимый редукционист понимает, что, какой бы бессмысленной ни казалась попытка объяснить траекторию бейсбольного мяча в терминах молекулярного движения, еще бессмысленнее было бы привлекать такой микроскопический подход для объяснения того, что чувствует бьющий, когда питчер сделал замах, зрители на трибунах взревели, а мяч стремительно летит. Здесь, напротив, много уместнее будут высокоуровневые истории, рассказанные на языке человеческой рефлексии. Тем не менее — и это ключевой момент — такие уместные истории, рассказываемые на человеческом уровне, должны быть совместимы с редукционистским описанием. Мы — физические существа и подчиняемся физическим законам. Поэтому вряд ли будет какая-то польза от того, что физики объявят свою исследовательскую позицию главной в деле объяснения мира или что гуманитарии станут насмехаться над гордыней буйного редукционизма. Точное представление можно получить путем объединения историй всех научных дисциплин в единый цельный нарратив9.

В этой главе мы остаемся на позициях редукционизма, учитывая, что в последующих главах будем исследовать жизнь и разум, дополнив его позицией человеческого восприятия. Здесь мы поговорим о происхождении атомных и молекулярных ингредиентов, необходимых для жизни, об одной конкретной среде «Земля — Солнце», в которой эти ингредиенты смешались как раз так, как нужно для возникновения и расцвета жизни; также, рассмотрев некоторые поразительные микрофизические структуры и процессы, общие для всего живого 10, поговорим о глубоком единстве жизни на Земле. Хотя мы не сможем ответить на вопрос о происхождении жизни (это по-прежнему загадка), мы увидим, что вся жизнь на Земле берет начало от общего одноклеточного предкового вида, что четко определяет вопрос, на который наука о происхождении жизни должна будет в конечном итоге ответить. В результате мы придем к рассмотрению жизни в имеющей широчайшее применение термодинамической перспективе, проработанной в предыдущих главах; нам станет ясно, что все живое находится в глубоком родстве не только между собой, но также со звездами и паровыми машинами: жизнь — это еще одно средство, при помощи которого Вселенная высвобождает энтропийный потенциал, запертый в веществе.

Моя цель — не продемонстрировать энциклопедические знания, но привести достаточно подробностей, чтобы вы могли ощутить ритмы природы, резонансные закономерности, разворачивающиеся во Вселенной с момента Большого взрыва до возникновения и развития жизни на Земле.

Измельчите любой объект, бывший прежде живым, распотрошите его сложную молекулярную «машинерию» — и вы обнаружите в избытке шесть типов атомов, всегда одних и тех же: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и серу. Откуда берутся эти необходимые для жизни атомные ингредиенты? Ответ на этот вопрос представляет одну из величайших историй успеха современной космологии.

Рецепт построения любого атома, каким бы сложным он ни был, достаточно прост. Соедините нужное число протонов с нужным числом нейтронов, сожмите их в плотный шар (ядро), окружите электронами в количестве, соответствующем числу протонов, и запустите электроны по конкретным орбитам, предписанным квантовой физикой. Вот и все. Проблема в том, что составные части атома, в отличие от деталей конструктора Лего, невозможно просто щелчком поставить на место. Они сильно притягивают и отталкивают друг друга, делая сборку ядра сложной задачей. Протоны, в частности, обладают одинаковым положительным электрическим зарядом, поэтому требуются огромные давление и температура, чтобы сжать их вопреки взаимному электромагнитному отталкиванию и сблизить в достаточной мере, чтобы главенствующую роль взяло на себя сильное ядерное взаимодействие, которое сможет соединить их в мощных субатомных объятиях.

Невообразимые условия, царившие сразу после Большого взрыва, превосходили по своей экстремальности все, что случилось позже, и поэтому тогдашняя среда представляется вполне подходящей для преодоления электромагнитного отталкивания и сборки атомных ядер. Вы могли бы предположить, что в невероятно плотном и энергичном бульоне из сталкивающихся протонов и нейтронов всевозможные агломерации и должны были формироваться естественным образом, выстраивая таблицу Менделеева один атомный номер за другим. Именно такую гипотезу предложили в конце 1940-х гг. Георгий Гамов (бывший советский физик, который в ходе первой попытки побега из СССР в 1932 г. собирался пересечь Черное море на каяке, набитом преимущественно кофе и шоколадом) и его аспирант Ральф Альфер.

Отчасти они были правы. Одна проблема, которую видели Гамов и Альфер, состояла в том, что температура Вселенной в первые мгновения ее существования была слишком высока. Пространство кишело необычайно энергичными фотонами, которые разнесли бы любые возникающие объединения протонов и нейтронов. Но — и это они тоже понимали — всего примерно минуты на полторы позже (а полторы минуты — это большое время, когда речь идет об ураганной скорости, с которой развивалась новорожденная Вселенная) ситуация изменилась. К тому моменту температура значительно упала, так что энергия типичного фотона уже не превосходила по величине сильное ядерное взаимодействие, что позволило наконец образовавшимся союзам протонов и нейтронов уцелеть.

Вторая проблема, проявившаяся позже, состояла в том, что построение сложных атомов — процесс тонкий и требует времени. Для него необходима очень конкретная серия последовательных шагов, при которых предписанные количества протонов и нейтронов сплавляются вместе в различных сочетаниях, затем эти сгустки должны случайно встретиться с вполне конкретными дополняющими их сгустками, слиться с ними и так далее. Как в сложном гурманском рецепте, важен в том числе и порядок, в котором ингредиенты соединяются между собой. Еще более хитроумным этот процесс становится из-за того, что некоторые промежуточные комбинации нестабильны, то есть после образования склонны быстро распадаться, расстраивая все кулинарные приготовления и замедляя атомный синтез. Эта задержка очень важна, так как неуклонное падение температуры и плотности по мере стремительного расширения ранней Вселенной означает, что окно возможностей для синтеза быстро закрывается. Примерно через десять минут после творения температура и плотность падают ниже порога, необходимого для ядерных процессов!!.