Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

Пионеры атомной физики и не мечтали об управлении отдельными атомами, не говоря уж о создании искусственных. В их ранних работах можно даже найти положения, отрицающие возможность квантовой инженерии. Бор, в частности, подчеркивал разницу между полностью доступным «классическим миром» и отличным от него «квантовым миром», который можно наблюдать (немногими способами!), но не перестраивать. Но их исследования, движимые изначально поиском красоты и простым любопытством, породили великолепные и бесконечно многообещающие новые технологии.

Это поучительно.

Многие виды наград вручаются людям за ощутимые, реальные заслуги. Эти награды принимают формы жалованья, прибыли, социального статуса и т. д. Но все накопленное богатство фундаментальной науки и искусства часто проистекает из усилий, чья непосредственная ценность заметна не сразу. Даже в случаях, когда некий прорыв очевидным образом важен, могут потребоваться годы работы, прежде чем он принесет какую-либо экономическую выгоду. Польза от него может полностью лежать в сфере культуры и никогда не стать экономической в обычном смысле этого слова. Люди, которые работают над накоплением этого особого вида богатства, посвящают свой труд долговременному вложению в улучшение жизни человечества в целом. Кто из твердолобых бизнесменов или потребителей готов заплатить за это? И все же история учит нас, что такое вложение в будущее и всеобщее благо приносит свои плоды. Мудрое общество поощряет возможности совершать подобное.

Детали атомистической теории Платона, основанной на атомах в форме платоновых тел, совершенно неверны. Несмотря на это, атомы Платона служат подходящей и красивой метафорой для реальности, потому что эта теория верна в принципе.

Вещество действительно состоит из атомов нескольких видов. Атомы действительно существуют в огромных количествах полностью идентичных копий. Свойства вещества действительно определяются свойствами атомов, из которых оно состоит. И, что для Платона было самым важным, атомы воплощают Идеальное .

В оригинальной теории Платона атомы воплощали прекрасную геометрию симметрии. В современной теории атомы – это решения прекрасных уравнений. (Если опуститься на уровень ниже, как вы увидите, мы снова вернемся к симметрии!) Если у вас есть достаточно мощный компьютер и правильные уравнения, этот компьютер сможет предсказать любое свойство атома, которое может быть измерено. Ничего больше не требуется. Именно в этом смысле атомы воплощают уравнения.

Фундаментальные законы современной физики – это динамические законы. Другими словами, это законы, которые управляют тем, как вещи меняются во времени. Они переводят входные параметры (условия, которые были в один момент времени) в выходные параметры (условия в другой момент времени). Но они рады работать с любыми входными параметрами и потому не навязывают структуру.

По формальным признакам те атомы, которые мы знаем, вряд ли могут получаться из динамических уравнений. Атомы определенного вида – скажем, атомы водорода – это структуры, которые существуют в огромном количестве идентичных копий. Они не развиваются и не разрушаются и в стабильной среде не демонстрируют никаких свойств, которые изменялись бы в зависимости от времени. Заглядывая в прошлое (благодаря конечности скорости света), мы можем наблюдать спектры древних атомов, которые подтверждают, что атомы далеких-далеких галактик давным-давно вели себя точно так же, как атомы на сегодняшней Земле. Мы можем также с потрясающей точностью сравнить спектры, полученные в соседних лабораториях или в одной и той же лаборатории с разницей в две недели.

В производстве товаров использование взаимозаменяемых частей было революционной инновацией, и потребовалась сложная работа, чтобы к этому прийти. Но как же Природа добилась этого? Как могло единообразие, если оно было достигнуто тщательным подбором, противостоять разрушительному действию времени? И если эти строительные блоки исключительно стабильны и сопротивляются изменениям, то как же они тогда могли возникнуть?

Максвелл был обеспокоен и заинтригован этим вопросом, видя в нем свидетельство существования милосердного Творца. Он писал:

Как мы знаем, естественные процессы изменяют и в конце концов разрушают весь порядок и размеры как Земли, так и всей Солнечной системы. Но если случались и вновь могут случиться катастрофы, если старые системы могут разрушаться и на их развалинах могут возникать новые системы, то молекулы, из которых эти системы построены, неразрушимы и неизменны – это краеугольные камни материальной Вселенной.

Сейчас молекулы также неизменны по своему числу, по своим размерам и по весу, как и в то время, когда они были сотворены. Из этой неизменяемости их свойств мы можем заключить, что стремление к точности измерений, к правдивости в суждениях и к справедливости в поступках, почитаемых нами как благороднейшие черты человека, присущи нам потому, что они представляют сущность образа того, кто сотворил не только небо и Землю, но и материю, из которой они составлены [63] Максвелл Дж. Статьи и речи. – М.: Наука, 1968. .

Ньютон не был убежден в стабильности Солнечной системы (и считал, что она нуждается в том, чтобы Творец ее время от времени ремонтировал). Здесь по похожим, но даже более веским причинам Максвелл сомневается в стабильности материальных структур, доказанной их точным сходством и возможностью добиваться точности в химии.

Если не по божественному повелению, то как же иначе тогда современные химические атомы со своими повторяемыми, стабильными свойствами возникают из уравнений, которые первоначально являются уравнениями, описывающими изменения?

Чтобы оценить значение этого вопроса, давайте сравним его с похожим на вид вопросом, который имеет совершенно иной ответ. Это вопрос, который, как мы увидели, вдохновлял Кеплера: что определяет размер и форму нашей Солнечной системы?

На вопрос Кеплера современный ответ будет, в сущности, такой: «Случайность. Никакие фундаментальные принципы не определяют размер и форму Солнечной системы». Существует множество возможных способов, как вещество могло соединиться в звезду, окруженную планетами и их спутниками, точно так же, как существует множество возможных раздач в покере: какую вы получите, зависит от чистой случайности. В самом деле, сейчас астрономы открывают и изучают системы планет, обращающихся вокруг других звезд, и видят, что они организованы совершенно по-разному. Все эти системы подчиняются законам физики и развиваются согласно им. Но это динамические законы. Они не фиксируют начальной точки. Ньютоновская динамическая точка зрения на мир победила стремление Кеплера к геометрическому идеалу.