Кварки, протоны, Вселенная

В конце концов — почему бы нет?

И действительно, физикам уже не раз казалось, что они почти достигли полного понимания законов природы, неясности касались лишь деталей. Но каждый раз получалось так, что избавиться от этого «почти» и создать полную, совершенно законченную и абсолютно непротиворечивую теорию не удается. Всегда оставались вопросы, которые упорно не находили ответа. Они превращались в парадоксы, в проблемы, а из них в конечном счете возникала новая теория. В самом конце XIX века физик Филипп, фон Жолли, учитель Макса Планка, говорил своему ученику: «Конечно, в том или ином уголке еще можно заметить или удалить пылинку, но система как целое стоит прочно, и теоретическая физика приближается к той степени совершенства, каким уже столетия обладает геометрия. Так что не советую вам тратить на нее время».

Сходные мысли по поводу основ математики высказывал Анри Пуанкаре, самый в ту пору авторитетный и талантливый математик.

И вот прошло всего несколько лет, и Макс Планк открыл ворота в необозримый мир квантовых явлений, а «царица наук» математика сотрясалась от глубоких противоречий, которые обнаружились в ее основах и которые до конца не устранены и по сей день.

В создаваемой физиками теории суперобъединения тоже немало вопросов, не имеющих ответа. Неясно, например, чем определяется величина скорости света, заряд электрона и другие мировые константы. Почему они именно такие, какие есть, а не иные? Что будет представлять собой грядущая «заквантовая» теория, которая, может быть, сумеет наглядно объяснить нам, что же в конце концов размазывает траектории квантовых частичек, когда они движутся в полной пустоте? И так далее.

Любая теория, какой бы общей она ни была, всегда содержит некоторые исходные положения, аксиомы или просто константы, которые не выводятся внутри данной теории, а задаются извне заранее, на основе анализа и обобщения опытных данных. Абсолютной, замкнутой самой в себе теории быть не может. Свое обоснование она может получить лишь в рамках более общего теоретического построения, которое, в свою очередь, получит определение в еще более общей теории. Этот ряд не имеет конца, и, как показывает опыт, число фундаментальных вопросов, возникающих в процессе развития науки, не только не уменьшается, как это предположил Фейнман, а, наоборот, становится все больше и больше. Можно сказать, что периметр, по которому наука соприкасается с областью неизвестного, все время удлиняется.

Как метко заметил однажды французский ученый Пьер Буаст, пределы наук похожи на горизонт: чем ближе подходят к ним, тем дальше они отодвигаются.

Более того, даже уже созданные, хорошо разработанные теории и те постоянно в движении — они видоизменяются, совершенствуются. Книги, популяризирующие нынешнее состояние знаний, скажем, в области физики, и притом лучшие из них, часто представляют дело так, как будто существуют две четко отделенные друг от друга области: область того, что наукой раз и навсегда установлено, и того, что еще до конца не выяснено. Представьте себе, что вы находитесь в волшебном, великолепном дворце, где то тут, то там лежат на столах таинственные головоломки. Вы покидаете дворец с уверенностью, что эти головоломки рано или поздно будут решены — в этом убеждает вас великолепие и стройность дворца и его покоев. И у вас даже не мелькнет и мысли, что решение этих головоломок может привести к разрушению половины здания. Притчу эту придумал тот же Лем в «Сумме технологии», и она очень точно характеризует процесс становления науки. Неизменной остается лишь задняя, тыловая часть здания, а фасад его всегда в лесах. Иногда это готический храм, поражающий строгостью своих линий, а иногда нечто конструктивистское, в духе домов-шестеренок 30-х годов... Впрочем, на что это похоже, не так важно — важно, что в вечной переделке, в лесах.

Ну а если представить себе противоположное — допустить, что в природе существует нечто абсолютно первичное, какие-то праобъекты и связывающие их первозаконы, то мы сразу же столкнемся с неразрешимым вопросом о том, чем определяются эти исходные элементы, откуда они произошли. Основа мироздания становится книгой за семью печатями. По существу, это не научный, а религиозный подход к пониманию природы.

Лестница структурных форм и связанных с ними физических законов неисчерпаема. С этой стороны нет никаких ограничений бесконечному развитию фундаментальных наук, хотя природа, конечно, не похожа на бесконечный ряд вложенных одна в другую матрешек. Мир устроен гораздо сложнее.

Надежды раз и навсегда построить Единую Всеобъемлющую Теорию природы несбыточны еще и в другом отношении. Верно, что в тех областях, где мы ее уже изучили, окружающий мир построен по принципу уровней-этажей. Фундаментом биологии, связанной со сложными белковыми молекулами, служит химия, законы которой, в свою очередь, основаны на атомной физике. Атомная физика покоится на теории атомного ядра, уходящей своими корнями в физику элементарных частиц. Но вот что важно: хотя рассматриваемый уровень всегда определяется более глубоким, первый ко второму никогда свести нельзя. При переходах с уровня на уровень происходит не только количественное усложнение, но и качественное изменение всех закономерностей. Самый настоящий качественный скачок в философском, диалектическом смысле.

Возьмем еще раз, к примеру, химию — науку о соединениях атомов и молекул. Простые соединения, скажем, двухатомную молекулу водорода, можно точно рассчитать с помощью квантовой механики. Но вот вычислить свойства многоатомных молекул уже не удается, так же как не удается вывести статистические законы газов из уравнений для отдельных газовых частиц. И дело не только в том, что уравнения становятся слишком сложными. В ходе расчетов обязательно приходится переходить от конечного числа элементов — атомов или газовых частиц — к обобщенному понятию «много», а этот переход связан с дополнительными предположениями, которые никак не вытекают из уравнений для конечного числа элементов. В этом-то как раз и состоит качественный скачок!

И уж совсем безнадежны попытки свести мышление к одним физическим законам. Двести лет назад французские ученые-энциклопедисты представляли себе мысль как нечто осязаемо материальное; они даже сравнивали ее с желчью, выделяемой печенью. Современная физиология от таких примитивных представлений ушла очень далеко. Безусловно, мысль возникает на основе физических процессов — в этом нет сомнения, однако соединить ее непрерывной ниточкой с физикой нельзя: на этой ниточке множество узелков и скачков-разрывов. В общем, у каждой науки — свое поле деятельности, и ни одну науку заменить другой невозможно.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

в которой объясняется, почему мы не видим кварков, рассказывается о кварковых мешках, глюонных струнах и о новой науке — квантовой хромодинамике

Один из моих знакомых журналистов, попав на семинар физиков-теоретиков, с удивлением слушал, как его участники вполне серьезно говорили о кварковом супе, глюонном клее и об эластичных мешках-авоськах, на полненных кварками. «Странное дело,— говорил он потом.— Они обращаются с кварками и глюонами так, будто это горох или картошка! Откуда такая уверенность, ведь эти частицы еще никто никогда не видел!»

Кварки вошли в физику подобно троянскому коню. Придумали их два американских теоретика, Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг, для того, чтобы сделать более симметричной составленную ими таблицу элементарных частиц. Название для новых частиц было взят из романа ирландского писателя Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Мало кто поначалу верил в реальность кварков. Уж очень необычными были их свойства. Большинство ученых считали их всего лишь неким теоретическим курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как кварки проникли буквально всюду. Неожиданно для всех оказалось, что с их помощью очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты и сильно упрощаются теоретические вычисления. Без кварков теперь просто невозможно обойтись — так же, как, например, в химии нельзя обойтись без атомов и молекул. И конечно, самое поразительное то, что реальных кварков действительно еще никто не видел, хотя с тех пор как их изобрели, прошло уже два десятка лет. Подобно подпоручику Киже из рассказа Юрия Тынянова, кварки «присутствуют, но фигуры не имеют».