Frank Wilczek. Fundamentals. Ten Keys to Reality. New York, Penguin press, 2021. Contents
Вильчек использует высказывание Фейнмана как отправную точку, чтобы объяснить, как устроен мир в представлении современной физики: он показывает, что, во-первых, «внизу» (то есть на атомарном масштабе) много не только места, но также и времени, и энергии. А во-вторых, не только «внизу», но и «наверху», и на нашем уровне места, времени и энергии тоже очень много. В результате автору удается доходчиво объяснить, из чего состоит реальность, по каким законам она развивается и какие выводы мы могли бы из этого сделать.
Нобелевскую премию Фрэнк Вильчек получил в 2004 году за исследование взаимодействия кварков — элементарных частиц, из которых состоят протоны и нейтроны, — находящихся очень близко друг к другу. Как и у многих физиков-теоретиков, у Вильчека очень широкий круг научных интересов: начиная от физики элементарных частиц (для аксиона и эниона Вильчек еще и названия придумал) и квантовой хромодинамики и заканчивая космологией, физикой нейтронных звезд и квантовой теорией черных дыр. Помимо научных статей собственно по теоретической физике, он написал нескольких научно-популярных книг (в том числе переведенных на русский — «Красота физики» и «Тонкая физика») и ведет ежемесячную колонку «Вселенная Вильчека» («Wilczek’s Universe») в газете The Wall Street Journal.
Предыдущие книги ученого были посвящены сравнительно конкретным вещам: современным достижениям теоретической физики и, например, открытиям Пифагора, Ньютона или Кеплера. В «Основах» Вильчек сводит воедино все свои интересы и пытается как можно более кратко и понятно, но по возможности максимально точно, построить общую картину физического мира — начиная от самых маленьких элементарных частиц, известных современной науке, и заканчивая масштабами всей Вселенной.
Как пишет сам Вильчек, в своем стремлении к фундаментальности он фактически пытается поставить физику на то место, которое раньше занимала религия, и таким образом объяснить, что из себя мог бы представлять Бог, если смотреть на него с точки зрения ученого-аналитика. Очевидно, что для автора такой взгляд крайне важен: он рос в довольно религиозной семье польско-итальянского происхождения, которая воспитывала в нем католический взгляд на мир. Под влиянием работ Бертрана Рассела он разочаровался в традиционной религии и стал искать замену тем ответам, которые она давала, в научных концепциях.
Во вступлении к книге физик сразу очерчивает не только ее содержание, но и читательскую аудиторию, которой она адресована в первую очередь. По мнению Вильчека, это люди, у которых хватает ума, чтобы разобраться в сложных физических явлениях, но недостаточно знаний, просто потому, что они в университете учили что-то другое: например, экономику, биологию или литературу. Это не значит, что остальным читать книгу не стоит, но некоторые эпизоды могут показаться слишком сложными и чересчур подробными или, наоборот, совсем простыми и общими. Но даже с этими оговорками аудитория, на которую ориентируется Вильчек, все равно останется слишком широкой, и с главной сложностью выбранного подхода — писать об очень сложных вещах для человека без специального образования — ему все равно не удается совладать до конца. Поэтому «Основы» долго не могут определиться, что они за книга: то ли учебник базовой физики, то ли серия рассказов о современных научных достижениях, то ли мемуары, то ли сочинение по истории науки. И поначалу эта мозаика немного смущает — приходится часто перескакивать с одного режима на другой, какие-то важные для читателя вещи опускаются, общей картины при этом не складывается. Но когда постепенно привыкаешь к таким скачкам и перестаешь обращать внимание на недоговоренности, проступает общий рисунок, и физический мир, который строит Вильчек, постепенно приобретает общую структуру.
Строительство этого мира происходит по такой схеме: сначала физик полностью разбирает реальность на минимальные возможные элементы (вплоть до фотонов, кварков и глюонов), потом собирает из них обратно материю и время, а в конце показывает, какие процессы могут протекать в собранном по этим правилам мире: на субатомном уровне, на близких и понятных человеку расстояниях и временах и на самых крупных масштабах — звезд, галактик и всей Вселенной.
В книге десять глав, каждая — один из вынесенных в подзаголовок «ключей к реальности». Описывая часть из этих ключей, Вильчек продолжает диалог с Фейнманом и называет главы «Много пространства», «Много времени» или, например, «Мало законов», а в остальных главах переходит уже к собственным ключевым выводам о том, что нерешенных загадок остается еще много, а расширить наше понимание реальности поможет комплементарность как единый научный метод.
В первых двух главах нас помещают в ту среду, в которой мы будем существовать следующие полторы сотни страниц: сначала разбирать мир на элементы, а потом собирать его обратно. Для этого мы должны понять, что из себя представляют пространство и время, как их правильно понимать, как в них жить и как их измерять и анализировать. Разобравшись с этой задачей, в течение следующих трех глав мы постепенно заполняем эту среду: вводим элементарные частицы, учим их взаимодействовать между собой и смотрим, как после этого видоизменяется то, что мы из них соорудили.
Для этого вводятся четыре базовых правила, по которым наука формулирует основные законы для строительства материи из элементарных частиц. Во-первых, законы должны описывать, как происходят изменения. Во-вторых, законы должны быть универсальными, то есть работать везде и всегда. В-третьих, законы должны быть локальными, то есть поведение объектов в ближайшем будущем может влиять только на то, что находится непосредственно в их окрестностях. И наконец, в-четвертых, эти законы должны быть точными — без каких-либо исключений, — и, соответственно, иметь какую-то математическую форму записи. Эти правила важны и помогают отличать научные утверждения и методы от антинаучных, но они вовсе не самоочевидны: если, например, в компьютерной игре сформулировать альтернативные принципы, то мир можно построить и на них, но в нем будут действовать совсем другие законы.
Только вооружившись базовыми правилами, мы приступаем собственно к описанию элементарных частиц (они составляют современную «Стандартную модель», или, как самому Вильчеку больше нравится называть ее, «Ядро» — «the Core»). Эти частицы очень сильно отличаются от демокритовских твердых неделимых частиц с крючками-зацепками, но в целом следуют той же идее. Они отличаются между собой по значению трех параметров: массы, электрического заряда и спина, и их можно разделить на три группы: «строительные частицы», «частицы изменений» и «бонусные частицы». К строительным частицам Вильчек относит все то, что нам более или менее знакомо: фотоны, электроны, два типа кварков и глюоны. Внутри этой группы можно найти несколько подтипов: собственно строительные частицы (электроны и кварки) и связывающие частицы (фотоны — для электромагнитного взаимодействия, глюоны — для сильного). Аналогичная частица должна существовать и для гравитационного взаимодействия (гравитон), но ее ученые пока не нашли. «Частицы изменений» — это участники слабого взаимодействия, из них не состоит материя, но они определяют изменение мира с течением времени. Это очень тяжелые и очень неустойчивые частицы (W-бозоны, Z-бозоны и бозоны Хиггса) и, наоборот, очень легкие и вполне устойчивые нейтрино. Третий тип — «бонусные частицы», это неустойчивые частицы, про которые наука пока мало что понимает: четыре типа кварков, мюон, тау-лептон и (с определенными оговорками) темная материя. Есть основания думать, что дальше делить уже некуда (возможно, есть еще какие-то неизвестные частицы, но те, которые известны, наверняка неделимы).
Теперь, обозначив составные элементы реальности, можно перейти к формулировке правил, по которым эти элементы должны взаимодействовать между собой. Это всего четыре типа взаимодействия (или «сил», как больше нравится Вильчеку): гравитационное (наиболее заметное на самых больших расстояниях), электромагнитное (действующее в масштабах, близких и понятных человеку) и сильное (внутри атомного ядра) — для строительства мира добавляется уже упомянутое слабое взаимодействие — для изменений с течением времени. Добравшись до описания взаимодействий субатомных частиц, асимптотической свободы и квантовой хромодинамики, мы попадаем на территорию, где у Вильчека появляется возможность для занимательных историй из собственной научной карьеры.
«Когда я был подростком, я иногда ходил с мамой в супермаркет. Во время одного из таких походов я заметил стиральный порошок „Аксион”. Мне пришло в голову, что слово „аксион” было бы хорошим названием для элементарной частицы. Оно короткое, цепляющее и отлично смотрится в одном ряду с протоном, нейтроном, электроном и пионом. В голове возникла мимолетная мысль, что, если у меня когда-нибудь появится возможность назвать частицу, я назову ее аксионом. В 1978 году такая возможность у меня появилась. <...> (Кстати, это название никогда бы не приняли редакторы Physical Review Letters, да и, возможно, производители стирального порошка, если бы я рассказал о своей настоящей мотивации до публикации. Вместо этого я говорил про аксиальный ток)».
Первую половину книги, посвященную строительству Вселенной из элементарных частиц, Вильчек заканчивает оценкой количества энергии во Вселенной и объясняет, почему и в каких условиях будут устойчивы системы совершенно разного масштаба, в том числе биологические молекулы и живые организмы на Земле. Попутно физик предлагает свой взгляд на отличие химиков от биологов: первые изучают то, что в принципе может существовать в мире сложных молекул, а вторые — то, что на самом деле существует.
Во второй половине книги, на только что собранном из элементарных частиц своеобразном «ландшафте», физик разворачивает историю, которая уже случилась в прошлом и будет происходить в будущем, — от зарождения Вселенной в результате Большого взрыва через ее настоящее к дальнейшему расширению и смерти. На самых ранних стадиях своего развития, согласно теории Большого взрыва, Вселенная представляла из себя удивительно простую и однородную смесь элементарных частиц. И это, как пишет Вильчек, довольно странно. Вселенной приходилось совмещать два важных свойства: полное равновесие для негравитационных сил с полным неравновесием — для гравитационных. После этого из-за гравитационной неустойчивости сложные системы развивались и становились все сложнее и сложнее (например, Солнце продолжает эволюционировать, и до полного равновесия ему еще очень далеко, и из-за этого растет сложность систем на Земле — и климатических, и биологических, и даже социальных). При этом полного детерминизма при развитии Вселенной нет: многое зависит не только от начальных условий, но и от очень тонких дополнительных внешних эффектов. Именно поэтому звездные системы такие разные — сложность истории тоже заложена фундаментальными принципами построения Вселенной. Но порадоваться красоте и разнообразию Вселенной Вильчек дает совсем недолго и быстро переходит к описанию ее вероятного будущего: расширения, остывания и тепловой смерти.
Теперь все «основы» нам как будто известны: мы понимаем, из каких элементов состоит Вселенная, знаем, как эти элементы взаимодействуют, как они меняются и к чему эти изменения могут привести. Но здесь Вильчек отмечает, что останавливаться на этом не стоит. Во-первых, даже при современных технических возможностях, нынешней парадигме и существующей системе мышления остается еще много вопросов без ответа: что стало причиной Большого взрыва? может ли он повториться? какие еще не открытые закономерности есть во всем многообразии взаимодействующих фундаментальных частиц? как из материи формируется сознание? Во-вторых, ограниченность нашего сенсорного аппарата сильно сужает диапазон познаваемого — возможно, в будущем его удастся каким-то образом расширить. Поспособствовать раздвижению границ могут и экспериментальные открытия, такие как обнаружение бозона Хиггса или регистрация гравитационных волн. В будущем аналогичными открытиями могут стать, например, обнаружение темной энергии и темной материи.
От рассказа об основах строения физического мира Вильчек в итоге приходит к формулированию своего взгляда на основные принципы познания. Одной из самых важных идей для анализа реальности он называет принцип комплементарности — использование несогласуемых друг с другом концепций для исследования реальности с разных ракурсов. Именно от такого подхода выиграла физика в начале XX века, обнаружив красоту квантовой дуальности, за счет него выигрывает музыка, сочетая гармонию с мелодией, на нем строятся многие психологические методы. На нем же должна базироваться и будущая «теория всего», в соответствии с ним должны строиться будущие суперкомпьютеры, сочетая все увеличивающуюся точность и параллельное расширение границ познаваемого. В конце концов Вильчек формулирует и принцип этической комплементарности смирения и самоуважения, считая это сочетание основами уже человеческой личности.
Поскольку знакомство с «основами» Вильчек еще в начале книги сравнил с процессом познания взрослеющего человека, то и заканчивает он фантазией о том, как понимание фундаментальных законов повлияло бы на уже выросшего читателя, сопоставляющего эти знания с собственным опытом, а свой внутренний мир — с внешним. Возможно, это сопоставление помогло бы нам лучше понять самих себя.
«В этом едином взгляде на мир есть и величественная простота, и странная красота. Находясь внутри этого мира, мы должны смотреть на себя не как на уникальные объекты („души”), находящиеся вне физического мира, а скорее как на согласованные изменения в материи. Это незнакомая точка зрения. И если бы она не подкреплялась основами науки, то могла бы показаться надуманной. Но в ней есть сила истины».