22:52

Революции в науке



Как гласит легенда, Николай Коперник получил первую копию своей первой и единственной книги, лёжа на смертном одре в башне замка на северо-востоке Германии, в котором он жил и служил дьяконом вторую половину своей жизни. Книга была названа "О вращении (революции) сфер", и в то время она побудила к столь радикальным изменениям картины мира как учёных, так и обывателей, что её заглавие с тех пор мы используем для обозначения радикальных политических и философских изменений. В этой книге Коперник изложил изумительную идею, что в центре Вселенной находится Солнце, а не Земля, и что большинство загадок перемещения Солнца, звёзд и планет могут быть объяснены этой простой гипотезой.

Легенда о Копернике и последовавшая революция послужила — более, чем какой-либо другой случай — для определения и объяснения науки, её влияния и её роли в европейской, а теперь — и в мировой, цивилизации. Как и большинство легенд, она содержит как долю правды, так и долю искажений и ложной информации. Например, хотя Коперник в действительности откладывал издание своей книги столь долго, сколь это было возможно, но не по причине гонений со стороны католической церкви, настоящих или воображаемых. Церковь, которая была его единственным работодателем на протяжении всей жизни, поддерживала его в его труде; даже Папа Римский проявлял интерес к этим новым идеям.

Более вероятно, что этот неторопливый революционер просто боялся спровоцировать полемику и публичное осмеяние за защиту взглядов, которые шли вразрез как со здравым смыслом, так и с устоявшимися научными знаниями. Какой бы ни была правда, можно быть уверенным, что Коперник был бы ещё более нетороплив, если бы знал, насколько будет отличаться вселенная, возникшая из революций, произведённых его книгой, от той вселенной, в которой он живёт. Ведь, не считая обмена ролями между Солнцем и Землёй, большинство шагов, которые мы ассоциируем со сдвигом в миропонимании, называемом нами Коперниковской революцией, не были даже упомянуты в его книге.

Для Коперника, и даже для Кеплера и Галилея, Вселенная была конечной и сферической. Она была лишь настолько большой, чтобы умещать в себе орбиты шести известных планет, а дальние звёзды были огнями, являвшимися частью внешней сферы, которая была её последней границей. Нет доказательств, что кто-либо из этих главных действующих лиц революции когда-нибудь сомневался в том, что вселенная была создана шесть тысяч лет назад Богом, который находится по ту сторону звёздной сферы и наблюдает за происходящим. Более радикальные представления, которые привели нас к современному миропониманию, пришли после Коперника. Таинственный монах, склонный к мистицизму, — Джордано Бруно, — провозгласил, что космос бесконечен, что звёзды - это другие солнца, и что вокруг них есть другие планеты, на которых живут другие люди. Именно эта и другие ереси, гораздо более опасные для авторитета церкви, чем довольно незначительный вопрос о том, как истолковать Писание, чтобы допустить перемещение

Земли, и привели его к сожжению живьём на Площади Цветов в Риме в 1600 году. Коперник также не предполагал, что его основные идеи в течение следующих полутора веков сформируют новое видение вселенной: что всё в мире, на Земле и на небесах, состоит из атомов; и что всё движение управляется простыми и универсальными законами. Конечно, гораздо более долгий путь пролёг между новой картиной вселенной в том виде, в каком она окончательно синтезирована в великом труде Ньютона, "Началах", и работой Коперника, опубликованной почти ста пятьюдесятью годами ранее, чем между Коперником и его современниками. Коперник начал революцию, но сомнительно, что он одобрил бы её результаты.

Вторая великая революция в физике и космологии началась в первые годы нынешнего века. Она стартовала с появления теории относительности и квантовой теории, каждая из которых решительно ломает картину мира ньютоновской физики. Эти две теории были изложены в окончательной форме в 1916 и в 1926 году соответственно. Однако, несмотря на тот факт, что основные формулировки теории относительности и квантовой теории оставались неизменными в течение более чем шестидесяти лет, революция в миропонимании, необходимость в которой была ими создана, ещё не завершилась. Причина этого очевидна.

Аристотелевское миропонимание, низвергнутое Коперниковской революцией, описывало единую, цельную теорию природы, способную объяснить всё, что произошло или может произойти в такой вселенной, которая была известна человечеству на тот момент. Она объясняла, что есть пространство и время, какова форма космоса, что в нём содержится и как и почему происходят изменения. Ньютоново миропонимание, ставшее результатом Коперниковской революции, также было всеобъемлющей, единой теорией, применимой ко всему в космосе в его понимании того времени. Тем не менее, хотя Ньютоново миропонимание было низвергнуто в XX веке, его заместила не одна, а две теории. Эти две теории были крайне успешны в объяснении как прежних, так и новых феноменов, но ни одна из них не могла претендовать на универсальность. Причина этого для каждой из теорий — в существовании второй. Квантовой теории ещё не удалось успешно справиться с феноменом гравитации, тогда как теория относительности Эйнштейна может объяснить гравитацию, только игнорируя квантовую теорию и обращаясь с материей так же, как если бы Ньютоново миропонимание было ещё в силе.

Таким образом, революция, начавшаяся с создания квантовой теории и теории относительности, может быть завершена только их объединением в единую теорию, которая даст нам единую всеобъемлющую картину мира. В настоящее время создание такой теории является основной целью большинства трудов, проводимых физиками-теоретиками, и активно рассматривается множество различных идей. В последнее десятилетие был достигнут ряд выдающихся результатов, приблизивших нас к этой цели; однако остаётся фактом, что никому не удалось создать теорию, успешно объединяющую квантовую теорию и теорию относительности. Более того, до сих пор неясно, удастся ли этого достигнуть без радикальных изменений основных принципов какой-то, или обеих, из этих теорий.

Успешное объединение квантовой теории и теории относительности обязательно станет(по причинам, которые я подробно объясню далее) теорией вселенной как единого целого. Она расскажет нам, как ранее это сделали Аристотель и Ньютон, что есть пространство и время, что есть космос, из чего сделаны вещи и каким законам они подчиняются. Такая теория вызовет радикальные перемены — революцию — в нашем понимании того, что есть природа. Она будет иметь обширные последствия и, скорее всего, вызовет или внесёт вклад в изменение нашего понимания себя самих и нашего отношения к остальной вселенной.

В какой вселенной мы будем жить после завершения этой революции? В данный момент, когда базовая форма теории, которая завершит революцию, ещё неизвестна, мы мало о чём можем сказать с уверенностью в ответ на этот вопрос. В то же время, несомненно представляется возможным, я бы даже заметил, необходимым, поразмышлять об этом. Так как мы не можем можем открыть то, чего мы не можем постичь, создание новой теории должно привлечь или, может быть, должно последовать за попытками представить себе результат. Эта книга и является одной из таких попыток.

Так как эта книга откровенно спекулятивна, я хочу внести предельную ясность, чтобы не вводить читателя в заблуждение касательно её назначения и того, на чём она основана. Человек, который пишет эту книгу, — физик-теоретик, в течение многих лет вовлечённый в попытки создания теории, объединяющей квантовую теорию и теорию относительности. Он достиг определённых успехов, как учёный, но в целом не смог создать теорию, достигшую этой цели, как и все остальные, вступившие в эту борьбу. Таким образом, то, что держит в руках читатель, не является, строго говоря, научным трудом. Чтобы обоснование было понятнее, будет рассмотрено множество положений из физики частиц, космологии, теории относительности и квантовой теории. Многое из этого является частью устоявшихся научных взглядов, но будут и новые идеи и гипотезы, которые ещё не были в достаточной мере проверены, чтобы считаться частью науки. Я попытаюсь ясно обозначить, что есть что

Однако целью этой книги является попытка обозначить то ви́дение, которое формировалось у меня в сознании в течение почти двадцати лет, когда я изучал и работал над проблемой объединения квантовой механики с теорией относительности. Это ви́дение пока не было воплощено в полноценную теорию; если бы я смог это сделать, я бы писал книгу совершенно другого рода. Оно придало мотивацию многим моим работам в качестве физика, но, сразу должен признать, мои успехи в создании математической основы для реализации идей, которые я здесь опишу, в сравнении с целями данной работы, весьма скромны.

Таким образом, то, что я представляю в этой книге — откровенно умозрительные предположения, фантазии, если хотите. Вдохновение для этих фантазий было почерпнуто из различных источников и проблем, некоторые из них относятся к физике и математике, некоторые — к биологии, другие — к философии. Подобным образом, эта книга адресована нескольким группам читателей, включающим заинтересованных наукой людей, философов, биологов и астрономов, а также моих коллег по теоретической физике. Не сомневаюсь, что мне необходимо обратиться к широкой аудитории, так как число людей, знакомых как с научными идеями, так и с философскими источниками, которые я буду использовать в своих обоснованиях, довольно невелико. Поэтому, чтобы это книга стоила написания, мне придётся объяснить философскую подоплёку учёным и научные проблемы философам. После чего будет необходимо добавить совсем немногое, чтобы сделать книгу доступной каждому, кто интересуется окружающим миром, что я и сделал. Так как точка зрения, которую я буду представлять, является моей личной, я надеюсь, читатель не будет против, если я иногда буду включать в повествование что-то из моей биографии и моего развития.

Я делаю это, рискуя показаться эгоцентричным, особенно той части моей аудитории, которая относится к учёным. Рассказывать о собственных размышлениях в рамках научного дискурса не принято. Для этого есть достаточные основания, и, хотя я отказываюсь от объективного, беспристрастного взгляда на то, каким должен быть учёный, я думаю, что требование объективности и обезличенности, являющееся нормальной научной практикой, имеет смысл. Оно выражает своего рода сдержанность, убеждение в том, что, если наша мысль в конечном счёте чего-то стоит, с ней согласится любой учёный, невзирая на какое бы то ни было личное развитие, которое он претерпел.

Тем не менее, я пойду на этот риск по двум причинам. Во-первых, я думаю, что это сделает книгу интереснее для далёких от науки людей, которые, не разделяя правил формального научного монолога, легче воспримут личную историю, чем ритуализированное проявление безличности. Во-вторых, я считаю, что будет неплохо, если те, кто далеки от науки, познакомятся с нами ближе, как с людьми. Это прояснит, кто мы на самом деле, чем мы занимаемся и, учитывая, какой авторитет приобрела наука в нашем обществе, думаю, ничего плохого в этом нет. Тем не менее, позвольте также подчеркнуть, что существует столько разных путей, которыми люди приходят в науку, сколько и идей и точек зрения относительно науки. Типичных учёных не бывает.

В моём случае взаимоотношения с физикой начались в начале семидесятых, когда я был старшеклассником, влюблённым в рок-н-ролл, революционную политику в моём тогдашнем понимании и свою девушку. Также я изучал математику, не потому, что мне это действительно нравилось, но потому, что моя школа решила, что я недостаточно сообразителен, чтобы изучать углублённый курс математики, и, чтобы доказать им обратное, я прошёл трёхлетнюю программу углублённого изучения математики за год. Изначально это было очередным способом продемонстрировать неправильность их представлений об образовании, и, хотя это и не было столь антиправительственно, как рок-н-ролл или издание подпольной газеты, я постепенно осознавал, что это не менее интересно.

В одиннадцатом классе я договорился, чтобы Бакминстер Фуллер выступил в моей школе и, послушав его, страстно захотел изучать архитектуру. В течение следующего года в моей комнате появились солома, ёршик для чистки труб и выдуманные купола, висячие строения и прочие экзотические конструкции. Я особенно гордился искривлёнными вытянутыми геодезическими куполами; то есть, зданиями, сконструированными из разного вида криволинейных поверхностей. Сверхразвитое чувство ответственности заставляло меня задумываться, как возможно просчитать давление на эти криволинейные поверхности, чтобы убедиться, что они не упадут на каких-нибудь несчастных будущих посетителей, и, сходив в библиотеку, я выяснил, что мне необходимо нечто под названием "тензорное исчисление". Мне повезло, что, благодаря моей недоброжелательности, я достаточно изучил математику, чтобы понимать, что написано в книгах по этой теме. Также удачей оказалось (такого рода удачи и составляют нашу жизнь), что тензорное исчисление использует именно ту математику, на которой Эйнштейн построил свою теорию пространства и времени, так что каждая книга по этой теме заканчивалась главой по теории относительности.

Чтобы изучить теорию относительности подробнее, я вернулся в библиотеку и нашёл там сборник эссе, посвящённых Эйнштейну, под редакцией Пауля Шлиппа. Предисловием в нём была единственная попытка Эйнштейна написать автобиографию, озаглавленная "Автобиографические заметки". Хотя он быстро перешёл к научной автобиографии, в её начале есть несколько страниц, на которых он описывает, своё взросление и причины, по которым он пошёл в науку.

И вот, в тот момент я был весьма разочаровавшимся молодым человеком: моя группа распалась, моя девушка бросила меня, а что касается нашей прекрасной революции... нужно ли говорить? Эйнштейн писал о подобной меланхолии (теперь я уверен, что на то была причина) и описывал науку как сверхъестественный зов, под действием которого человек может подняться над ничтожностью, мимолётностью и трудностями человеческой жизни и ненадолго встретиться с красотой и истиной, кроющейся под настоящей, вечной природой нашего мира. Это была сильная штука для неудавшегося шестнадцатилетнего рок-музыканта, и в тот момент мне пришло на ум, что, если уж я ничего больше не могу сделать со своей жизнью, может быть, я смогу заняться этим. Именно тогда я твёрдо решил стать физиком-теоретиком. В остальной части эссе Эйнштейн осуждает печальную ситуацию в теоретической физике, как он её видел в 1950-м.

Его общая теория относительности произвела революцию в нашем понимании того, что его пространство и время, но не смогла создать картину мира, объясняющую большинство известных феноменов. В частности, ей нечего было сказать об атомах, частицах, составляющих атом и их взаимодействии со светом, электромагнитными полями, и прочих силах, скрепляющих атом. Так как ведущим направлением физики XX века, по крайней мере, с экспериментальной точки зрения, была атомная и ядерная физика, это означало, что для большей части физики общая теория относительности была, в лучшем случае, не к месту. Но, что было хуже для Эйнштейна, что в теории, оказавшейся успешной в атомной и ядерной сфере, он не видел большого смысла. Эта теория, квантовая механика, обязана своим рождением Эйнштейну, ??? Но окончательная форма теории, к которой она пришла к 1926 году, по его мнению, не соответствовала критериям фундаментальной физической теории.

Хоть он и вынужден был признать, что она работает, он не мог принять её, и растущий успех квантовой механики означал, что Эйнштейн сам по себе становился всё более и более неуместным — маргинализированным, выражаясь современным языком. Несомненно, Эйнштейн провёл последние двадцать лет своей жизни в напрасных попытках открыть теорию, так называемую единую теорию поля, которая вытеснит квантовую механику. Эйнштейн прекрасно понимал, что ему не удаётся этого достигнуть, и в этом эссе он убедительно передал мысль о том, что, пока не появится некая теория, которая сможет объединить успехи теории относительности и квантовой теории, мы не получим физической теории, на которую можно положиться для получения полной картины того, что есть мир. И, так как главной задачей физики является предоставление такой картины, то без неё, невзирая на все экспериментальные успехи теории относительности и квантовой теории, у нас нет, по большому счёту, физической теории вообще.

Таким образом, два дня спустя после того, как я взял книгу Шлиппа из библиотека, у меня была не только профессия, у меня была миссия. Я непременно изучу физику, стану физиком-теоретиком, а затем займусь проблемой взаимоотношений между квантовой теорией и теорией относительности. Если уж в обществе революции не произошло, может быть, хотя бы здесь я смогу сделать вклад в какого-то рода революцию.

Перед поступлением в колледж я устроился на работу на несколько месяцев в качестве подмастерья по работе с листовым металлом в Лос-Анджелесе. Было жаркое и непостоянное лето, я был уверен в моём намерении стать учёным, но я провалил химию, не получил допуск к занятиям по физике и, в конце концов, ушёл из школы, чтобы учиться самостоятельно. Я хорошо справлялся с работой, за исключением одного случая, когда я на грузовике въехал задом в "Кадиллак" босса, но бизнес шёл вяло, и мы часто сидели без дела. Не думаю, что я полностью влился в компанию, но они были милы со мной и никто не возражал, когда я проводил незанятые дни, сидя на солнце и читая книги с названиями вроде "Лекции по квантовой механике" или "Что есть жизнь?". Во время одного из таких душных дней я записал три вопроса, которым я надеялся посвятить себя и найти ответы:

1. Что есть вселенная?
2. В контексте ответа на первый вопрос, что такое живое существо? Что есть жизнь?
3. В контексте ответов на первые два вопроса, что такое человек? Кто мы такие? Я попытался изложить в этой книге то, что я выяснил с тех пор по первым двум из этих вопросов.

Отрывок из книги Ли Смолина "Жизнь космоса"

Просмотров: 579
Рейтинг: 5.0/1
Добавлено: 14.10.2014

Темы: Коперник, Ньютон, Теория относительности, квантовая физика, Ли Смолин, физика, Бакминстер Фуллер, Эйнштейн, наука, вселенная
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]