Страница 5 из 13
В прежней картине мира индивиды — наиболее мелкие элементы системы: желая узнать, как работает система, вы выделяете одну из частей и изучаете её. Но как можно выявить свойства самой элементарной части системы? У неё нет составных частей, и, следовательно, редукционизм здесь неприменим. Здесь обширное поле возможностей для зарождающихся программ. Они могут и должны искать объяснение свойств элементарных частиц через сеть их взаимодействий.
Это уже происходит. В стандартной модели физики частиц (самой успешной теории элементарных частиц) масса электрона определяется динамически в результате его взаимодействия с другими частицами. Масса — это наиболее фундаментальное свойство элементарной частицы, определяющее силу, которая необходима для изменения движения частицы. В стандартной модели массы всех частиц возникают в результате взаимодействия с другими частицами и определяются в основном одной из них — бозоном Хиггса. Нет абсолютно элементарных частиц: любая представляет собой следствие сети взаимодействий.
Возникновение — важное понятие в мире отношений. Свойство чего-либо, собранного из частей, возникает тогда, когда оно не имеет смысла для каждой из частей отдельно. Камень твёрдый, а вода текуча, но атомы, из которых они состоят, не обладают ни твёрдостью, ни текучестью. Возникающее свойство часто сохраняется лишь приблизительно, так как оно связано с усреднением или описанием с высоким уровнем абстракции.
По мере прогресса науки свойства природы, считавшиеся фундаментальными, оказываются возникшими и приблизительными. Мы прежде думали, что твёрдые тела, жидкости и газы — это фундаментальные состояния, а сегодня знаем, что эти свойства обусловлены различным расположением атомов. Большинство законов, считавшихся фундаментальными, оказываются вытекающими из ещё более фундаментальных и приблизительными. Температура — усреднённая энергия хаотично двигающихся атомов, и поэтому законы термодинамики выполняются приблизительно. Я склонен думать, что всё, считающееся фундаментальным, будет переосмыслено как вытекающее из ещё более фундаментального: гравитация и описывающие её законы Ньютона и Эйнштейна, законы квантовой механики, даже само пространство.
Фундаментальная физическая теория, поиском которой мы заняты, не будет описывать движение материи в пространстве, не будет постулировать гравитационные и электромагнитные взаимодействия как фундаментальные и не будет квантовой. Все эти свойства возникли на сравнительно поздних этапах расширения Вселенной.
Но если пространство — возникающее, значит ли это, что и время тоже возникающее? Исчезнет ли оно, если мы пойдём вглубь? В прошлом столетии многие учёные считали, что время возникает из некоего фундаментального свойства природы, при описании которого понятие времени неприменимо. Я уверен (насколько это позволительно учёному), что они ошиблись. Время — вот единственное фундаментальное понятие.
Часть I
Гравитация: устранение времени
Глава 1
Падение
Прежде чем начать наше путешествие, прислушаемся к совету древнегреческого философа Гераклита: «Природа любит прятаться». Возьмём, например, частицы и взаимодействия, которые в современной науке считаются фундаментальными: ещё 100 лет назад они скрывались внутри атома. Некоторые из современников Гераклита рассуждали об атомах, однако не знали, существуют ли те вообще. Лишь после Эйнштейна (1905) в науке укрепилось представление, что материя состоит из атомов. А спустя ещё шесть лет учёные расщепили атом. Так началось путешествие внутрь атома.
Самым значимым исключением из правила Гераклита является гравитация. Это единственная фундаментальная сила, действие которой мы наблюдаем ежедневно. Наш первый жизненный опыт — борьба с силой тяжести. Гравитация стала одним из первых природных явлений, с которым познакомился человек. Тем не менее, свойства падения во многом скрыты и по сей день, и один из таинственных аспектов гравитации — её связь со временем.
— Папа, почему я не могу летать?
Мы стояли на третьем этаже и смотрели вниз, на сад позади дома.
— Я прыгну и полечу в садик, к маме — вот как эти птицы.
«Птица» — это было первое произнесённое моим сыном слово. Обычный ментальный конфликт: с одной стороны, родители желают детям больше свободы, с другой — боятся за них. Я строго сказал, что люди не умеют летать и чтобы он даже не пытался. Сын расплакался. Желая отвлечь его, я рассказал о гравитации — силе, которая удерживает нас на земле, заставляет нас и все предметы падать. Неудивительно, что следом я услышал: «Почему?» Даже трёхлетний ребёнок знает, что дать название явлению ещё не значит объяснить его. Мы затеяли игру: стали бросать игрушки в садик, производя «сперименты» и наблюдая, все ли они падают одинаково. Я задумался над вопросом, который выходит за рамки понимания трёхлетнего ребёнка. По какой траектории падают предметы?
Неудивительно, что этим вопросом не задаётся трёхлетний ребёнок — тысячелетиями он, кажется, не возникал вообще ни у кого. Им, вероятно, не задавались ни Аристотель, ни Платон, ни другие античные философы.
Первым форму траектории падающих тел исследовал Галилео Галилей. В самом начале XVII века он изложил результаты своих изысканий в трактате «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению». Учёный утверждал в этой работе, написанной в 70-летнем возрасте (по приговору инквизиции он сидел под домашним арестом): траектория падающих тел описывается параболой. Этот факт вытекает из другого факта, который первым установил именно Галилей: тела падают с одинаковым ускорением.
То, что траектория падающего тела описывается параболой — одно из самых замечательных открытий, сделанных учёными. Падает всё — и одинаково. Не имеет значения, из чего и для чего предмет, а также сколько раз, с какой высоты и с какой скоростью мы его бросаем. Мы можем повторять эксперимент сколько душе угодно, и всякий раз предмет будет двигаться по параболе. Эта кривая (все точки плоскости, равноудалённые от данной прямой и данной точки) — одна из самых простых в математике.
Рис. 1. Парабола — это геометрическое место точек, равноудалённых от данной прямой и данной точки.
Парабола была известна математикам задолго до Галилея. Наблюдение, что падающие тела описывают параболу — один из первых примеров закона природы, то есть регулярного поведения в небольшой части Вселенной. (В данном случае частью Вселенной — её подсистемой — является сам предмет, падающий вблизи поверхности планеты.) Такое случалось огромное количество раз в разных местах со времён рождения Вселенной. Следовательно, есть множество ситуаций, к которым применим этот закон.
Подросший ребёнок может спросить: «А о чём это говорит? Почему математический объект, плод нашего воображения, имеет нечто общее с природным явлением? И почему такое распространённое явление, как падение, должно иметь самое простое и красивое во всей геометрии описание?»
Со времён Галилея учёные успешно пользуются математикой для описания физических явлений. Сейчас очевидно, что законы физики выражаются на языке математики, однако две тысячи лет (с тех пор, как Евклид сформулировал свои аксиомы) никто не догадывался применить математический закон к описанию движения на Земле. С античности до XVII века учёные знали о параболе, но ни один из них не пожелал выяснить, по какой траектории летит брошенный мячик, выпущенная стрела или любой другой предмет[15]. Каждый учёный мог сделать открытие, которое сделал Галилей: всё, что ему для этого понадобилось, существовало уже в Афинах времён Платона и в Александрии времён Гипатии.
15
И это несмотря на многочисленные попытки исламских и средневековых философов понять причины движения.