 |
Роль законов природы
|
|
|
|
Круг объектов и явлений во Вселенной невероятно широк — от звезд, в тридцать раз превосходящих массой Солнце, до микроорганизмов, которые нельзя рассмотреть невооруженным глазом. Эти объекты и их взаимодействия составляют то, что мы называем материальным миром. В принципе, каждый объект мог бы существовать по своему собственному набору законов, совершенно независимому от законов, управляющих всеми остальными объектами. Такая Вселенная была бы хаотичной и трудной для понимания, но с точки зрения логики это возможно. То, что мы живем не в такой хаотичной Вселенной, стало в большой степени следствием существования законов природы.
роль законов природы состоит в том, чтобы упорядочивать и выстраивать объекты, связывать то, что кажется между собой не связанным, создавать простой каркас, соединяющий Вселенную воедино. В этой связи мне нравится использовать аналогию с паутиной. На периферии паутины находятся все явления во Вселенной — травинки, горы, кометы и так далее. Если попасть в паутину в любой точке на краю, выбрав для исследования единственное явление, можно начать задавать про него вопросы. Двигаясь в этом направлении, вы обнаружите, что все дальше и дальше углубляетесь в паутину, находя все более глубокие объяснения изучаемого явления. Постепенно обнаруживаются общие закономерности, относящиеся не только к изучаемому явлению, но связывающие его с другими, хотя эти связи и не видны с первого взгляда. Эти глубинные объяснения мы и называем законами природы.
Если продолжить исследование, можно обнаружить, что эти процессы идут еще дальше. Оказывается, что многие законы природы сами связаны с другими, еще более глубокими законами, у этих более глубоких законов есть свои, более глубокие связи и так далее. В конце концов, в самом центре паутины можно найти относительно небольшое число законов, связывающих всю конструкцию воедино. По сложившейся в науке привычке не придавать терминологии особого значения, их иногда называют «законами природы». Но, чтобы избежать путаницы, я буду называть их «основополагающими принципами», отличая их этим от остальных законов, принципов и эффектов, о которых мы будем говорить.
|
|
|
Перефразируя известную фразу из «Скотного двора» Оруэлла, «все законы природы равны, но некоторые равнее других». Конечно, как и следовало ожидать, среди ученых нет общего мнения относительно того, что именно представляют собой основополагающие принципы нашего ремесла, но вам пришлось бы потрудиться, чтобы найти ученого, несогласного с фактом их существования. Подозреваю также, что практически никто не спорит с включением в эту элитную группу некоторых принципов, например первого начала термодинамики. На периферии же возможны здоровые расхождения во мнениях. Вспоминаю, как несколько лет назад в журнале Science была опубликована статья на эту тему, и в ней читателям предлагалось присылать свои списки кандидатов в «лучшую двадцатку». Получив больше 800 ответов, редакция обнаружила, что составить список из десяти «величайших идей» нетрудно, а на следующие десять мест претендентов очень много. Ниже я среди прочего просто опишу область действия каждого закона и предоставлю вам решать, принадлежит ли он к основополагающим принципам.
Хочу проиллюстрировать паутину взаимосвязанных законов и принципов с помощью уже упомянутого нами вкратце предмета, а именно комет. Про кометы можно задать много разных вопросов. Один очень старый вопрос: почему они появляются на небе беспорядочно — откуда они берутся и куда исчезают? В действительности, речь идет про орбиты комет или, более общо, про влияние на их орбиты Солнца и планет. Чтобы понять, как движется комета, надо знать, какие силы на нее действуют и какие законы управляют этим воздействием. Так случилось, что пониманием и того, и другого мы обязаны Исааку Ньютону. Его закон всемирного тяготения говорит нам, с какой силой Солнце действует на комету, а законы механики объясняют, как эта сила влияет на движение кометы. Вместе эти законы показывают, как будет перемещаться каждая комета, двигаясь вокруг Солнца.
|
|
|
Они же представляют собой первую из объединяющих идей, о которых мы говорили ранее (Ньютон до этого смог таким же образом объяснить движение планет). Другими словами, получается, что законы, управляющие движением комет, — в точности те же самые, что управляют движением планет. Сила притяжения Солнца действует и на те, и на другие, а разница между орбитами планет и комет связана со способом образования этих двух классов объектов (см. гипотеза газопылевого облака). Кометы попадают внутрь Солнечной системы из областей, находящихся далеко за пределами орбит самых дальних планет, поэтому они приближаются к Солнцу по касательной. Их можно сравнить с детьми, играющими в знакомую игру, в которой надо как можно быстрее подбежать к столбу, схватиться за него и обежать его. Планеты же сформировались более или менее там же, где находятся сейчас, и, соответственно, движутся вокруг Солнца по размеренным, почти круглым траекториям.
Вывод о том, что движением планет и комет управляют одни и те же законы, оказался революционным и совершенно неожиданным. В конце концов, что может быть больше непохоже на размеренное, регулярное и предсказуемое продвижение планеты по небосводу, чем беспорядочное и непредсказуемое появление комет? Однако эти, казалось бы, совершенно разные небесные явления подчиняются одним и тем же законам и связаны с притяжением Солнца одинаковым образом.
Именно это позволило астрономам в середине XX века понять, откуда берутся кометы. Изучив траекторию комет с момента их появления в Солнечной системе, астрономы сумели с помощью законов Ньютона рассчитать, где начался их путь. Было обнаружено, что кометы пришли из двух резервуаров на холодных просторах космоса — плоского диска с внешней стороны орбиты Плутона, называемого Поясом Койпера, и огромной сферы, простирающейся на расстоянии примерно полутора световых лет от Солнца, называемой Облаком Оорта. Получается, что так же, как законы Ньютона позволили Эдмунду Галлею рассчитать орбиту кометы, захваченной Солнцем, они дали возможность продолжателям его дела выяснить, откуда берутся кометы. Это еще одна из неожиданных связей, о которых мы говорили ранее.
|
|
|
Если спросить не откуда появилась комета, а что она собой представляет, окажешься в совершенно иной части паутины. Простой вопрос из этой категории может звучать так: «Из каких химических элементов и соединений состоят кометы?» Поскольку по большей части исследование комет ведется с большого расстояния, астрономы, задающие себе подобный вопрос, изучают, как комета излучает и поглощает свет, пытаясь таким образом определить ее химический состав. Как и все остальные материальные объекты, кометы состоят из атомов, а атомы особым образом взаимодействуют со светом. Атомы каждого химического элемента и соединения излучают в характерном только для него наборе длин волн, который можно рассматривать как своеобразный оптический отпечаток пальца (см. спектроскопия). В случае видимого света мы воспринимаем эти оптические отпечатки пальцев как разные цвета. Ярко-синий свет, видимый, когда кусочек меди падает в костер, и насыщенный желтый цвет уличного натриевого фонаря — примеры этого явления. Атомы кометы испускают свет, он проходит огромные космические расстояния до телескопа, и астрономы определяют химический состав кометы, несмотря на то, что не могут заполучить ее фрагменты для лабораторного исследования.
Конечно же, для применения этого метода не нужно, чтобы свет проходил огромные расстояния. Он дает такой же хороший результат, когда свет проходит всего несколько метров или даже миллиметров. В химической промышленности часто используют это свойство атомов — то, что каждый вид атомов испускает свет характерного именно для него набора цветов, — для контроля качества производственных процессов. Так испытывают самую разнообразную продукцию — лекарства, краски, напитки и многое другое. То, что инженер, проверяющий качество партии бензина, и астроном, изучающий дальнюю комету, используют в своей работе одни и те же законы поведения атомов — еще один пример этих неожиданных связей.
|
|
|
Я могу и дальше приводить примеры, но думаю, что вам понятно, о чем идет речь. Когда видишь мир как единое целое, управляемое законами природы, а не как большое число разрозненных явлений, представление о Вселенной становится более связным. Начинаешь видеть связи между, казалось бы, несвязанными вещами, упорядоченность во всем огромном разнообразии природных явлений. Мне кажется, что это — главный дар науки нашему интеллекту, одно из величайших достижений человеческой мысли.
Наука в XX веке
Картина, только что нарисованная мною для вас, именуемая «научным взглядом на мир», несет на себе отчетливую печать ньютоновских представлений. Существует распространенное заблуждение, что XX век сыграл с Исааком Ньютоном злую шутку и что ученые уже не считают Вселенную упорядоченным местом, управляемым законами природы. Философы, придерживающиеся подобных взглядов, зачастую утверждают, что благодаря теории относительности, принципу неопределенности гейзенберга и детерминистическому хаосу прежний научный взгляд на мир устарел. Ничто не может быть дальше от истины!
Для начала поговорим об относительности. Как мы увидим, Эйнштейн пришел к своей теории в попытке спасти принцип главенства законов природы в науке. В частности, его интересовал один аспект ньютоновских законов механики — тот факт, что независимо от точки наблюдения и даже при перемещении наблюдателей друг относительно друга любой наблюдатель увидит действие во Вселенной одних и тех же законов. На этой простой посылке он построил сложную теоретическую структуру, не столько вытеснившую законы Ньютона, сколько расширившую их применение на новые области. Например, одно из следствий из теории Эйнштейна состоит в том, что перемещающиеся часы идут медленнее, чем те, что находятся в покое. Для движения с обычными скоростями (например, в машине или самолете) это замедление столь мало, что не поддается измерению, так что в повседневной жизни можно смело игнорировать относительность. Но для объектов, движущихся со скоростями, меньшими скорости света, но сопоставимыми с ней, разница может быть значительной, и ее необходимо учитывать.
о так называемом эффекте замедления времени можно сделать два замечания. Во-первых, он в полной мере подтвержден экспериментально, как этого требует научный метод. Во-вторых, при использовании релятивистских уравнений для описания медленно движущихся объектов воспроизводятся ньютоновские законы движения. Более того, исходя из представления о том, что каждый закон природы верен в той степени, в какой верны подтверждающие его экспериментальные данные, нужно помнить, что законы Ньютона изначально проверялись только применительно к обычным объектам, движущимся с нормальными скоростями — для которых их предсказания совпадают с предсказаниями теории относительности. Но при скоростях, близких к скорости света, для которых законы Ньютона никогда не проверялись, две теории расходятся в своих предсказаниях, причем предсказания теории относительности проверены экспериментально. Это очерчивает область применимости законов Ньютона, но также говорит нам о том, что теория относительности не противоречит им, а дает возможность распространить существующую теорию на новые области.
|
|
|
Представление о том, что ньютоновские яблоки высыпались из тележки, опрокинутой теорией относительности, основано на неявной посылке о том, что законы Ньютона можно распространить без изменений на объекты, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. Для этого нет никакой логической причины. Рассуждать подобным образом — все равно что утверждать, что, раз жители Америки говорят по-английски, то и жители Парижа должны говорить по-английски, и затем найти в этом умопостроении огромное противоречие, когда окажется, что в действительности парижане говорят по-французски.
отношения между теориями Ньютона и Эйнштейна дают нам прекрасный пример того, как развиваются достигшие зрелости науки. Новая теория не отменяет старую. Вместо этого новые и более глубокие теории расширяют область применения старых, включая их в свой состав. Мы по сей день используем законы Ньютона при расчете движения космических аппаратов просто потому, что эти законы в полной мере испытаны и проверены в подобных ситуациях. В этом смысле наука растет, как дерево, все время добавляя новые ветви, но всегда сохраняя при этом сердцевину.
Аргументы, почерпнутые из теории хаоса и квантовой механики, касаются другой стороны ньютоновского взгляда на мир — представления о детерминизме. Говоря языком физики, система является детерминированной, если, зная начальные условия и законы, определяющие ее поведение, можно предсказать ее состояние в любой момент в будущем. Классический пример детерминированной системы — столкновение двух бильярдных шаров. Зная их положение и скорости до столкновения, с помощью закона сохранения момента импульса и первого начала термодинамики
легко предсказать, где будет находиться каждый из шаров в любой момент после столкновения. Теория относительности — совершенно детерминистическая теория. Часы на движущихся бильярдных шарах могут замедляться, но, для того чтобы предсказать их поведение, можно использовать уравнения Эйнштейна точно так же, как и законы Ньютона. Дайте мне начальное положение и скорость каждого из шаров, и я скажу вам, где какой шар окажется в будущем.
С хаотическими системами ситуация несколько иная. Конечное состояние этих систем, открытых во второй половине XX века прежде всего благодаря использованию компьютерного моделирования, чрезвычайно сильно зависит от начальной точки. Речные пороги — хороший пример хаотической системы. Если в воду перед порогом положить рядом две щепки, то за порогом они окажутся далеко одна от другой. Это значит, что, для того чтобы предсказать будущее хаотической системы, необходимо очень точно знать ее начальное положение. В действительно хаотической системе, для того чтобы предсказать ее поведение в любой момент бесконечно продолжающегося будущего, необходимо знать ее начальное состояние с бесконечной точностью. Для проходящей речной порог щепки это означает, что ее начальное положение должно быть известно с бесконечной точностью. Поскольку очевидно, что в реальной системе это требование выполнить невозможно, будущее состояние такой системы практически невозможно предсказать с ньютоновской точностью.
Значит ли это, что хаос разрушил ньютоновский взгляд на мир? Вовсе нет. Ньютоновский детерминизм — это классическое утверждение типа «если..., то...»: если я знаю, каково первоначальное состояние системы, то я могу предсказать ее будущее. Теория хаоса затрагивает не этот главный принцип, а взаимосвязь между величиной погрешности в посылке утверждения («если...») и величиной погрешности в заключении («то...»). Если погрешность в посылке равна нулю (т.е. если первоначальное состояние системы известно нам с бесконечной точностью), то величина погрешности в заключении также равна нулю (т.е. можно с точностью предсказать ее будущее поведение). Таким образом, хаотичные системы являются детерминированными в теории, но не на практике. Ученые отдают должное этому факту, называя поведение систем, подобных речным порогам, ДЕТЕРМИНИСТИЧЕСКИМ ХАОСОМ.
Мне кажется, что путаница с хаосом и ньютоновскими представлениями возникла из-за бытующего мнения, что будущее классических ньютоновских систем всегда можно предсказать с бесконечной точностью. Это совершенно неверно, даже применительно к совсем простым ситуациям. Описывая выше идеальные ньютоновские бильярдные шары, я не стал заострять внимание на вопросе, насколько точно могут быть известны их положения и скорости. На самом деле, в реальном мире в отношении этих чисел всегда присутствует некоторая неопределенность, а это значит, что и будущее положение шаров также не может быть предсказано совершенно точно. Помню, в аспирантуре мне пришлось проработать именно такой пример, чтобы усвоить, что в реальном мире никакая система не может быть бесконечно предсказуемой. В конце концов, разница между хаотической и классической ньютоновской системой — дело степени. В предсказании поведения любой системы — даже ньютоновских бильярдных шаров — имеется неопределенность, если есть неопределенность в измерениях ее исходного состояния. Хаотические системы — просто крайний случай этого принципа.
Ситуация с квантовой механикой несколько сложнее, прежде всего вследствие ПРИНЦИПА НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ГЕЙЗЕНБЕРГА.
Суть этого принципа состоит в том, что невозможно одновременно совершенно точно знать и положение, и скорость субатомной частицы. Можно точно знать одно или другое, или и то, и другое с некоторой степенью неопределенности, но нельзя определенно знать и то, и другое одновременно. Это значит, что в мире атомов приходится описывать состояние частицы совершенно иначе, чем в ньютоновском мире. Вместо того чтобы считать частицу конкретным предметом (как, например, бейсбольный мяч), находящимся в определенном месте и движущимся с определенной скоростью, приходится рассматривать ее как некую разновидность волны.
Из-за этого в квантовой механике можно предсказать только вероятности (физики называют их волновыми функциями). Некоторые считают, что из-за этого квантовая механика не является детерминистической теорией, но в действительности это не так. Квантовая механика говорит нам, как от первоначального состояния, описанного в вероятностных терминах, прийти к конечному состоянию, также описанному в вероятностньгх терминах. Практически все трудности, с которыми сталкиваются люди из-за «квантовых странностей» связаны с попытками смешать квантовый мир с ньютоновским. Например, иногда (не осознавая этого) исходят из того, что первоначальное состояние электрона описывается в ньютоновских терминах, и используют тот факт, что конечное состояние описывается в вероятностных терминах, в качестве аргумента, подтверждающего, что мы каким-то образом утратили способность делать детерминистические прогнозы.
Однако точка отсчета в разговоре о квантовой механике состоит вот в чем: если хочешь играть в квантовую игру, придется играть по квантовым правилам. Другими словами, если конечное состояние системы будет описано в вероятностных терминах, придется и ее исходное состояние описывать так же. Если понять это, то окажется, что квантовая механика — такая же детерминированная система, определяемая утверждениями типа «если то...». Если я знаю исходное состояние системы (описанное в вероятностных терминах), то я могу точно предсказать ее конечное состояние (также описанное в вероятностных терминах). Единственная разница между ньютоновской и квантовой механикой — это понятие «состояния». С точки зрения Ньютона, состояние — это совокупность таких переменных, как положение в пространстве и скорость, а пионеры квантовой механики под состоянием понимали волновую функцию. Выбор того или иного определения делает за нас природа, но когда выбор сделан, утверждение о возможности предсказания окажется одним и тем же.
Таким образом, три великих открытия XX века, перечеркнувшие, по мнению многих, ньютоновский взгляд на Вселенную, привели к следующему:
— теория относительности выходит за пределы ньютоновской теории и расширяет ее, распространяясь на объекты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света,
— теория хаоса дает нам представление о влиянии ошибок в определении первоначальных состояний на точность предсказаний,
— квантовая механика по-новому определяет и расширяет понятие физического состояния, распространяя его на волновые функции.
Другими словами, все новые достижения науки, казалось бы, перечеркнувшие ньютоновскую физику, на деле просто расширили и переопределили ее главные положения.
Центральная идея науки, согласно которой возможно экспериментально найти законы, управляющие явлениями природы, и сформулировать теории, позволяющие предсказывать новые явления, остается в силе. Это хорошо, поскольку благодаря этому говорить о законах природы не только интересно, но и необходимо, для того чтобы понять, как устроена наша Вселенная.
Предисловие
Об этой книге
1 Иногда предмет статьи можно однозначно привязать к конкретному году (как, например, формулу дрейка). В других случаях выбран год достижения значительного успеха, о котором в статье может и не говориться. Если идея вызревала в течение определенного времени, и в ее развитие внесли свой вклад несколько человек, мы можем написать, например, просто «1880-е годы» или даже «XX век». Таким образом, временные диаграммы не всегда представляют собой хронологическую линейку (хотя по большей части это так).
Одна из открытых нами великих истин — тот факт, что мы живем в упорядоченной вселенной — вселенной, чье устройство доступно человеческому разуму. Предприятие, именуемое наукой, отличается от прочих попыток толкования вселенной тем, что оно не ищет абсолютной истины, а использует метод, дающий все более точные представления физической реальности. Научный метод начинается с вопроса: «Почему нечто происходит так, а не иначе?» Ученый исследует, проводя систематические наблюдения и измерения, ищет взаимосвязи и аномалии. Когда складывается структура, формулируется объяснение. Чем более общее объяснение найдено, тем больше новых явлений оно позволит предсказать. Ученый продолжает проводить наблюдения и измерения, проверяя справедливость этих предсказаний. Если объяснение выдержит все проверки, результатом станет закон природы. Настоящая книга — ваш путеводитель по этим законам.
Законы природы не всегда называют «законами». Ученые не всегда заботятся о терминологической точности, и закон может быть также известен как «теория», «правило», «модель» или «принцип», или, отражая тот факт, что законы часто формулируют на языке математики, как «отношение» или «уравнение». Подозреваю, что то, называют ли то или иное утверждение законом, связано скорее с причудами истории, чем с логикой науки. Совершенно нетрудно представить себе, например, что в какой-нибудь иной вселенной явление фотосинтеза называется «законом преобразования энергии профессора Бурлиума». Соответственно, в этой книге вы найдете толкования природных явлений, обычно не называемые «законами», но обладающие той же глубиной и способностью объяснять происходящее в природе.
Предполагается, что каждая статья автономна и понятна сама по себе, поэтому некоторые объяснения и сведения можно найти в нескольких статьях. Книга не рассчитана на прочтение «от корки до корки», в нее надо заглядывать за конкретной информацией, откладывать, а потом заглядывать снова. Если какая-то статья покажется вам интересной, вы можете почитать связанные с ней статьи, названия которых выделены. Каждая из них поведет вас глубже в сеть знаний, составляющую наше научное представление о вселенной. Все статьи об одной и той же области науки помечены цветными закладками одного и того же цвета над заголовком каждой статьи. Одна из этих категорий называется «Взгляд в прошлое». Это идеи, оказавшиеся вытесненными или дискредитированными, но нашедшие тем не менее свое место в истории науки. В качестве дополнительных ориентиров можно использовать временные диаграммы, показывающие как предмет статьи хронологически связан с предметами родственных статей. В конце книги дана хронологическая справка, помещающая все статьи в единый исторический контекст. Также в конце книги даны объяснения терминов, составляющих основу словаря науки.
Составление списка статей для этой книги было, как всегда в таких случаях, вопросом индивидуальных предпочтений. Составляя этот список, я легко мог представить себе, как критики будут спрашивать с обвинительными нотками в голосе: «Почему же вы включили X, а У не включили?» Даже такая объективная на первый взгляд вещь, как перечисление законов природы, на деле оказывается подвластна субъективным критериям. Чтобы предупредить хотя бы некоторые из вопросов «почему?», хочу объяснить, как отбирались статьи.
Во-первых, некоторые статьи отобрали себя сами, имея несомненное право на описание в книге про законы природы. закон Шарля, устанавливающий взаимосвязь между температурой и давлением газа, используется физиками и химиками уже четвертое столетие. Это, несомненно, «закон природы», как это понятие ни определяй. Такого рода законы, конечно, все включены, за исключением только тех, что не настолько известны, чтобы оказаться в предметном указателе стандартного университетского учебника. Как я уже говорил, некоторые прочно утвердившиеся «законы» природы называются иначе без особой на то причины. Многие из них автоматически пополнили собой список статей.
Другая группа статей отражает важнейшую историческую взаимосвязь между научным поиском с одной стороны и экспериментом и наблюдением с другой. Чтобы подчеркнуть важность этой связи и дать читателю чувство исторической перспективы, в книге описаны важнейшие эксперименты и наблюдения, и им обычно посвящены отдельные статьи. Таким образом, в книгу попали, например, статьи про опыт резерфорда, давший экспериментальное подтверждение существования атомных ядер, и эксперимент ван хельмонта, показавший, что растения наращивают биомассу, извлекая вещества из воздуха, а не из почвы.
Наконец, несколько статей оказались в списке просто потому, что, по мнению автора и редакторов, они могли заинтересовать людей, читающих книги о законах природы. В эту категорию попали серьезные статьи о математике, например, теорема гёделя о неполноте, такие необычные статьи, как критерий красоты, и просто интересные материалы, в число которых входят статьи про закон
мёрфи и три закона робототехники.
Все вместе статьи книги составляют карту наших сегодняшних представлений о физической вселенной, от большого взрыва до
проекта «геном человека».
Джеймс Трефил Фейрфакс, Вирджиния
ЗАКОНЫ
|
|
|
