Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы

В наши дни воззрения Фалеса и Анаксимена вызывают улыбку. Намного больше восхищают идеи той школы, которая возникла сто лет спустя в городе Абдере на морском берегу Фракии. Там Демокрит и Левкипп учили, что все вещество состоит из крохотных вечных частичек, названных ими атомами. (Заметим, что атомизм имеет корни в индийской метафизике, возникшей задолго до Демокрита и Левкиппа.) Эти ранние атомисты кажутся чудесным образом опередившими свое время, но, с моей точки зрения, не так уж и важно, что милетцы «ошибались», в то время как атомная теория Демокрита и Левкиппа была в определенном смысле «правильной». Ни один из досократиков, ни в Милете, ни в Абдере, не высказал никаких идей, похожих на наши современные представления о том, что́ означает успешное научное объяснение: количественное понимание явления. Далеко ли мы продвинулись бы по пути понимания того, почему природа такая, какая она есть, если бы Фалес и Демокрит говорили бы нам, что камень состоит из воды или атомов, но при этом не знали бы, как вычислить его плотность, твердость или электрическое сопротивление? Не умея делать количественные предсказания, мы при этом, конечно, никогда бы не выяснили, кто же прав – Фалес или Демокрит.

Когда мне доводилось преподавать физику в Техасе или в Гарварде для студентов-гуманитариев младших курсов, я чувствовал, что моей главной (и, безусловно, самой трудной) задачей было передать студентам ощущение могущества человека, способного детально рассчитать, что может при определенных обстоятельствах случиться с разными физическими системами. Я учил их рассчитывать отклонение катодных лучей или падение капельки масла не потому, что каждый должен обязательно уметь делать такие вещи, а потому что выполняя эти расчеты, они могут самостоятельно понять, что в действительности означают принципы физики. Наше знание принципов, определяющих эти и другие явления, составляет сердцевину физической науки и драгоценную часть нашей цивилизации.

С этой точки зрения «физика» Аристотеля была не лучше, чем более ранние и менее премудрые рассуждения Фалеса и Демокрита. В книгах «Физика» и «О небе» Аристотель описывает движение снаряда, считая его частично естественным, а частично неестественным [1]. Естественное движение, как и для всех тяжелых тел, направлено вниз, к центру всех вещей, а неестественное движение сообщается воздухом, движение которого можно проследить независимо от того, что привело снаряд в движение. Но насколько быстро летит снаряд по своей траектории и как далеко он улетит, прежде чем упадет на землю? Аристотель не утверждает, что вычисления или измерения слишком трудны или что в данный момент не все еще известно о тех законах, которые могли бы привести к детальному описанию движения снаряда. На самом деле Аристотель не предлагает никакого ответа, ни правильного, ни ошибочного, потому что он не понимает, что такие вопросы стоит задавать.

А почему их стоит задавать? Читателя, как и Аристотеля, может мало заботить, с какой скоростью падает снаряд. Мне самому это безразлично. Важно то, что теперь мы знаем принципы – ньютоновские законы движения и тяготения, а также уравнения аэродинамики – которые точно определяют, где окажется снаряд в любой момент своего полета. Я не утверждаю, что мы на самом деле можем точно вычислить, как движется снаряд. Обтекание воздухом бесформенного камня или оперения стрелы сложно, поэтому наши вычисления будут лишь приближенными, особенно в случае турбулентных потоков воздуха. Существует и проблема определения точных начальных условий. Тем не менее мы можем использовать известные нам физические принципы для решения более простых задач, вроде движения планет в безвоздушном пространстве или стационарного обтекания воздухом шаров или пластин, и этого достаточно, чтобы убедиться, что мы действительно знаем принципы, управляющие полетом снаряда. Точно так же, мы не можем рассчитать ход биологической эволюции, но достаточно хорошо знаем теперь те принципы, которыми она управляется.

Это существенное различие, понимание которого может увязнуть в тине споров о смысле или о самом существовании окончательных законов природы. Когда мы говорим, что одна истина объясняет другую, например, физические принципы (законы квантовой механики), управляющие движением электронов в электрических полях, объясняют законы химии, мы не обязательно подразумеваем под этим, что мы способны последовательно вывести утверждаемые нами истины. Иногда вывод удается завершить, как, например, в случае химических свойств очень простой молекулы водорода. Но иногда задача оказывается чересчур сложной. Подобным образом трактуя научные объяснения, мы подразумеваем не то, что ученые могут реально вывести, а ту необходимость, которая заложена в самой природе. Например, даже до того, как физики и астрономы XIX в. научились учитывать взаимное притяжение планет при точном расчете их орбит, они не сомневались в том, что планеты движутся так, а не иначе, потому что их движение подчиняется законам Ньютона и закону всемирного тяготения или более точным законам, приближенной формой которых являются законы Ньютона. В наши дни, хотя мы и не можем предсказать все, что способны наблюдать химики, мы уверены, что атомы ведут себя в химических реакциях так, а не иначе, потому что физические принципы, управляющие электронами и электрическими полями, не позволяют атомам вести себя иным образом.

Это довольно запутанное место, отчасти потому, что очень трудно утверждать, что один факт объясняет другой, если ты сам не в силах проделать этот вывод. Но я думаю, что мы должны рассуждать именно таким образом, так как это и является содержанием нашей науки: поиск объяснений, вписывающихся в логическую структуру природы. Конечно, мы чувствуем значительно большую уверенность в том, что найдено правильное объяснение, если действительно способны проделать хоть какие-нибудь вычисления и сравнить результаты с наблюдениями, например, в случае химических свойств если уж не белков, то хоть водорода.

Хотя греки и не ставили своей целью подробное и количественное объяснение явлений природы, все же рассуждения, основанные на точных расчетах, безусловно были известны в древности. Тысячелетиями люди знали о правилах арифметики и плоской геометрии, о главнейших периодичностях в движении Солнца, Луны и звезд, включая такие тонкости, как прецессия осей вращения. Кроме того, после Аристотеля начался расцвет математики, продолжавшийся всю эллинистическую эпоху, охватывающую период времени от завоеваний ученика Аристотеля Александра Македонского вплоть до поглощения греческой цивилизации Римом. Изучая философию на младших курсах, я чувствовал некоторое раздражение, когда слышал, что греческих философов Фалеса и Демокрита называют физиками; но когда мы перешли к великим ученым эпохи эллинизма, Архимеду из Сиракуз, открывшему законы рычага, или Эратосфену из Александрии, измерившему длину земного экватора, я стал ощущать себя, как дома среди друзей-ученых. Нигде в мире не было ничего похожего на эллинистическую науку вплоть до расцвета современной науки в Европе в XVII в.

Все же, несмотря на весь блеск, эллинистическая натуральная философия и близко не приближалась к идее о своде законов, точно управляющих всей природой. На самом деле слово «закон» редко употреблялось в античности [2] (Аристотель вообще его не использовал), кроме как в первоначальном смысле человеческих или божественных законов, управляющих поведением людей. (Правда, слово «астрономия» происходит от двух греческих слов: астрон – звезда и номос – закон, но этот термин был значительно менее употребителен в античное время, чем слово «астрология».) Вплоть до работ Галилея, Кеплера и Декарта в XVII в. мы не находим понятия, соответствующего современному «законы природы».

Специалист по античности Петер Грин полагает, что ограниченность греческой науки в значительной степени была обусловлена присущим грекам стойким интеллектуальным снобизмом, их предпочтением статики динамике, размышлений технологии, за исключением военных приложений [3]. Первые три царя эллинистической Александрии поддерживали исследования полета снарядов в связи с очевидными военными приложениями, но грекам показалось бы совершенно неестественным применить точные рассуждения для решения какой-нибудь банальной задачи вроде скатывания шарика по наклонной плоскости, именно той задачи, которая высветила Галилею законы движения. В современной науке полно такого же снобизма – биологи больше занимаются генами, чем воспалением суставов, а физики скорее предпочтут изучать протон-протонные соударения при энергии 20 триллионов электрон-вольт (эВ), чем просто 20 эВ. Но это снобизм тактического порядка, основанный на мнении (правильном или ошибочном), что некоторые явления дают больше для понимания, а не на убеждении, что какие-то явления более важны, чем другие.