В апреле 2001 года я и моя жена Лена перебрались в Америку. Мне предложили работу в Брукхэйвенской национальной лаборатории, расположенной в середине длинного острова (он так и называется — Лонг-Айленд), к востоку от Нью-Йорка.

Дом наш находится совсем близко от океана, наш любимый Нью-Йорк тоже относительно недалеко, если повезет, то на машине до Манхэттена добираешься за 1 час 15 минут. Мы шутим, что живем на «101-м километре» от столицы.

За девять лет моего отсутствия в Америке здешняя физика порядком изменилась. Она, в частности, здорово обрусела. «Русские» (а на Западе так называют всех выходцев из бывшего СССР без различия их этнического происхождения) всюду: в Принстоне, Йеле, Гарварде, Массачусетском технологическом институте, Колумбийском университете, Чикаго, Брукхэйвене, Техасе, Миннеаполисе, Юте, Висконсине, Сиеттле, Сан-Диего. И за пределами Америки — в Париже, в Карлсруэ, в Лондоне, в Кембридже, в Эдинбурге, в Риме, в Триесте, Реховоте, Тель-Авиве…

Отрадно, что за прошедшие двадцать лет выросло молодое поколение «русских» физиков, в которых живут традиции, заложенные Ландау и его сподвижниками. Многие представители этого поколения учились на Западе, хотя бы в аспирантуре. Тут многие учились у нас, стариков, или даже у наших учителей, которые и в восемьдесят лет не теряют бодрости и оптимизма. Так что можно сказать, что школа российской физики, хотя и оторвалась от родимой почвы, но не утратила своего духа. Не следует, впрочем, думать, что «русские» тут учат только «русских». У меня, например, защитилось десять аспирантов, из коих шесть британцев, один французский канадец, один итальянец, один албанец и один чилиец. Ни одного выходца из России. Повторю с гордостью, что самые удачные из них (пятеро) уже профессора, а самые неудачные (трое) — миллионеры.

Ну хорошо, вы не так бледно выглядите, скажет читатель, а есть ли среди вас гении, новые Ландау? Утверждаю, есть. Я лично знаю троих, и, кажется, есть и четвертый, молоденький. Самому старшему из гениев за шестьдесят, и как ученый он полностью сформировался в Союзе. Внешне он несколько напоминает Моцарта — есть в нем что-то искрометное, легкость, полет. Второму под шестьдесят, и с виду он несколько похож то ли на Карла Маркса, как его изображали на советских портретах, то ли на анархиста Бакунина. Третьему — за сорок, и учился он у «Бакунина». Похож на Жерара Депардье, каким тот был двадцать лет тому назад (его даже раз в аэропорту Кеннеди приняли за Депардье). Но еще больше он похож на главного героя фильма «Господин оформитель» — художника-символиста. Тут уж внутреннее сходство доходит до чрезвычайного. Нраву он не лилейного. А вот молоденький — очень скромный и застенчивый.

Как распознать гения в теоретической физике? Так же, как и в литературе. Теорфизика — та же литература, только говорит она на языке математики. И тот, кто понимает этот язык, получает от настоящих произведений такое же наслаждение, как, скажем, от стихов Пастернака (мне он, кстати, именно как физику нравится; он был в высшей степени наделен тем, что я называю «космическим чувством», такие стихи, как «Давай ронять слова…», я для себя считаю просто программными). А можно и с музыкой ее сравнить, как это и делал когда-то Пифагор («музыка сфер»).

С каждым из упомянутых выше гениев у меня связано какое-нибудь особое воспоминание.

«Моцарт» потряс меня лет двадцать пять назад, когда мы все были еще в Союзе. Помню, на одном из семинаров в институте Ландау он сказал, что теория струн (наиболее современная версия общей теории элементарных частиц) не может быть математически непротиворечиво сформулирована в пространстве-времени. Это означает, добавил он, что время должно появляться каким-то внешним актом (математически путем аналитического продолжения). Я понял это так, что из вечности во время Вселенную выводит какой-то акт сознания. Потрясающе…

«Бакунин» и «Депардье» изумляли меня красотой почти каждой своей работы, но самое большое потрясение пришло несколько лет назад, когда они показали, что систему огромного количества взаимодействующих частиц можно описать ОДНИМ дифференциальным уравнением.

А «молоденький» восхитил меня недавно. В январе 2012 года мы собрались на конференцию в Аспен, штат Колорадо, приятный такой курортный городок в горах (2400 метров над уровнем моря). И вот подходит ко мне молодой человек и объясняет, каким образом возможно научное знание (это про КАМ-теорему, я уже упоминал о ней в медитации про сильные взаимодействия). Говорят, в физике исчерпаны все проблемы и ничего интересного больше не происходит. И вот на тебе — речь идет просто о первоосновах.

 

Медитация

. Ускорители, бозон Хиггса и эволюция

Брукхэйвенская национальная лаборатория, где я работаю, является колоссальным заведением, расположенным в лесу, полном оленей, диких индеек и гусей, сусликов и, к сожалению, клещей. В лаборатории нашей находятся два огромных синхротрона (их теперь используют как большие — пару сотен метров в диаметре — рентгеновские аппараты для установления структуры разных сложных объектов типа биологических молекул) и колоссальный ускоритель элементарных частиц — релятивистский столкновитель тяжелых ионов (Relativistic Heavy Ion Collider — RHIC). С осознанием того, что обсуждалось нами в медитации про атомы, предназначение ускорителей несколько изменилось. RHIC нацелен главным образом на создание и изучение новых состояний вещества, возникающих при тех плотностях, которые существуют внутри атомных ядер. В огромном и откачанном до высокого вакуума его кольце разгоняют до скорости, близкой к скорости света, ионы тяжелых элементов и сталкивают их. При столкновении на краткий миг атомные ядра буквально входят друг в друга, протоны и нейтроны сливаются и образуется то, что называют кварк-глюонной плазмой. Плазма эта может быть разряженной или (в зависимости от энергии столкновения) более плотной. В последнем случае получается что-то вроде металла, где кварки играют роль электронов, а взаимодействие переносится не электромагнитными силами, как в металле, а глюонами (поле Янга-Миллса). Такой металл и похож и непохож на металлы, к которым мы привыкли, и изучать его страшно интересно. Даже я, не являясь ядерным физиком, приложил к этому руку, чем и горжусь. Разумеется, в ускорителе кварк-глюонная плазма существует только на краткий миг столкновения. Но, полагают, есть звезды настолько плотные, что кварк-глюонный металл там стабилен. Там, на звездах, наверное, и работает моя теория.

Пресса сейчас вовсю обсуждает тему бозона Хиггса, на открытие которой нацелен новый сверхмощный ускоритель, построенный под Женевой. Мощности RHIC’a на это не хватает, однако неоткрытый еще бозон Хиггса уже нашел практическое применение у нас на Лонг-Айленде. Читатель будет удивлен, узнав, что применяет бозон Хиггса (вернее, его идею, но ведь, как мы здесь обсуждали, мир микроскопических частиц ближе к миру идей, чем вещей) коммерческая компания ЛАЙПА, поставляющая в наши дома электроэнергию. Недавно эта компания уложила первый в истории сверхпроводящий кабель, сделанный из высокотемпературных сверхпроводников (я говорил о них в восьмой главе). Сверхпроводимость есть состояние вещества, характеризуемое двумя замечательными, неотделимыми друг от друга свойствами: (а) ток течет через сверхпроводник абсолютно без потерь и (б) магнитное поле не проникает в глубь сверхпроводника. Компанию ЛАЙПА интересует первое свойство, а тех, кто делает сверхбыстрые поезда на магнитной подушке или ищет бозон Хиггса, — второе.

Оказалось (и это еще один пример тех замечательных аналогий между внешне несхожими явлениями природы, которые видны лишь математику), что теория сверхпроводимости и теория слабых ядерных взаимодействий (термин «слабый» является и названием и характеристикой их силы) имеют между собой много общего. Неудивительно поэтому, что механизм возникновения бозона Хиггса был открыт учеными, работавшими в разных областях физики, — Питером Хиггсом (физика частиц) и Филипом Андерсоном (физика конденсированного состояния). Фил так и пишет о себе: «открыл бозон Хиггса». Имея в виду эту аналогию, я буду называть оба необычных состояния Э-СП (электрическая сверхпроводимость) и СЯ-СП (слабая ядерная сверхпроводимость). Первой общей чертой Э- и СЯ-СП является то, что обе они возникают в результате фазового перехода. То есть для того, чтобы металл стал сверхпроводником, надо его охладить, причем, как правило, охладить довольно сильно, до температуры всего лишь на пару десятков градусов выше абсолютного нуля, что является дорогим удовольствием. Начиная с некоторой температуры, электрическое сопротивление материала резко падает до нуля; это и есть фазовый переход в новое, сверхпроводящее, состояние. ЛАЙПА решилась на коммерческое использование сверхпроводимости только после того, как появились материалы с относительно высокой температурой сверхпроводящего перехода, для достижения которой достаточно охладить кабель не дорогим жидким гелием, а дешевым жидким азотом. Подобным же образом СЯ-СП появилась только тогда, когда вещество Вселенной в ходе ее расширения остыло ниже некоторого порога. Все это, разумеется, произошло задолго до появления не только жизни, но даже и атомных ядер. Все мы, не подозревая об этом, живем внутри огромного сверхпроводника.

Разница между Вселенной и лонг-айлендским кабелем состоит в том, что кабель является идеальным проводником электрического тока, а Вселенная — электрослабого тока, переносимого слабыми ядерными взаимодействиями. Но подобно тому, как сверхпроводник выталкивает из себя магнитное поле, вакуум нашей Вселенной выталкивает из себя поле слабых ядерных сил. Отсутствию проникновения магнитного поля можно дать эквивалентную формулировку, а именно: фотон, частица, переносящая электромагнитное взаимодействие и летящая в вакууме со скоростью света (она и есть свет), в сверхпроводнике приобретает массу. Подобным же образом частицы — переносчики слабых ядерных взаимодействий ( W и Z -бозоны) приобретают массу в СЯ-СП-состоянии. В итоге эти взаимодействия становятся короткодействующими. Чтобы двум разделенным друг от друга в пространстве источникам слабых ядерных сил провзаимодействовать, им нужно переброситься массивным W- или Z-бозоном, а энергию для этого занять из вакуума. По соотношению неопределенности занять энергию Е = тс 2 , т — масса бозона, можно лишь на время t ~ h/тс 2 ( h — постоянная Планка), что означает, что бозон с массой т не пролетит дальше, чем на расстояние L ~ h/тс, что для слабых сил составляет 10 -17 — 10 -16 метра. Скажем для сравнения: глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник может составлять 10 -6 метра. В то время как для обычных сверхпроводников у нас есть многочисленные эксперименты, для слабых ядерных сил описанный сценарий все еще является только теорией. Чтобы теория не была просто байкой, созданной для объяснения задним числом уже имеющихся фактов, она должна предсказать какое-то явление, которое впоследствии было бы обнаружено. Вот бозон Хиггса и является таким побочным продуктом перехода Вселенной в «сверхпроводящее» состояние. Именно поэтому его так активно ищут.

Слабые ядерные взаимодействия, хоть и слабы, играют немалую роль в общей экономии Вселенной. Например, ими движим жизненно важный для атомных и термоядерных реакций процесс распада нейтрона. Время жизни нейтрона вне ядра равно семнадцати минутам, а распадается он на протон, электрон и электронное антинейтрино. Последняя частица (как и все другие виды нейтрино) не имеет электрического заряда и взаимодействует с окружающим миром только посредством слабых сил и гравитации, то есть очень слабо. Поэтому обнаружить нейтрино было тяжело, и нашли его только потому, что хорошенько поискали. А между тем, не знай мы про нейтрино, не построить бы нам теорию электрослабых взаимодействий и не получить бы за нее Стивену Вайн-бергу и Абдусу Саламу Нобелевскую премию. И еще много чего другого интересного мы бы не знали.

История открытия нейтрино поучительна. Нейтрон — тяжелая частица, незаряженный побратим протона, образующий вместе с последним атомные ядра, был открыт Джеймсом Чедвиком в начале 1930-х годов. Как я уже сказал, вне ядра нейтрон нестабилен и распадается. Те продукты распада, которые обнаружили сразу, являются заряженными частицами — протоном и электроном. Нейтрон нейтрален, электрон заряжен отрицательно, протон — положительно, в сумме их заряд равен нулю, все как положено. Зачем что-то еще? И если бы экспериментаторы не вели количественно точных измерений, никаких подозрений про «что-то еще» у них бы не появилось. «Не вводите сущности без достаточных оснований», — гласит философский принцип, называемый «бритвой Оккама». Основания для введения новой сущности возникли, когда стало понятно, что сумма импульсов протона и электрона не равна импульсу нейтрона. Недостающий импульс кто-то уносил с собой. Этот кто-то не имел электрического заряда и очень слабо взаимодействовал с остальным миром. Энрико Ферми дал ему имя «нейтрино», то есть «нейтрончик».

Лаборатория наша находится в центре острова, с юга омываемого Атлантическим океаном. С северной стороны находится большой спокойный залив, отделяющий Лонг-Айленд от штата Коннектикут. Залив этот всего лишь в трех минутах езды от моего дома, и я часто брожу по его берегам.

Вокруг много живности, главным образом птиц, но также кроликов, енотов, черепах. Природа и пейзаж напоминают мне места на Волге под Самарой, где я вырос. На самой кромке воды чуть ли не самым частым гостем является очень древний обитатель нашей планеты — подковообразный краб. Это жутковатое на вид, хотя и совершенно безобидное существо, достигающее довольно больших размеров (до сорока сантиметров в диаметре). По справкам, этому виду двести пятьдесят, а может, и триста миллионов лет, то есть он на десятки миллионов лет старше самых древних динозавров. Краб этот пережил две страшные планетарные катастрофы: чудовищную засуху пермского периода, когда, по оценкам, погибло восемьдесят процентов живых существ, населяющих землю, и катастрофу конца мелового периода (семьдесят миллионов лет назад), приведшую, в частности, к исчезновению динозавров.

Древнее существо это производит впечатление чего-то не приспособленного к жизни. Будучи перевернуто на спину, оно не может перевернуться обратно. Поэтому берега залива усеяны погибшими или погибающими крабами, беспомощно перебирающими лапками в воздухе. Так что на первый взгляд подковообразный краб — пример плохого инженерного решения, не то что ускоритель или синхротрон. Указывая на него, так и хочется, вослед Мефистофелю, воскликнуть: «Творенье не годится никуда!» Но вот «плохое» это решение служит уже триста миллионов лет. Оно совсем не плохое, так как это примитивное существо на деле доказало, что приспособлено к жизни лучше, чем миллионы других, которых ему удалось пережить. Поэтому к утверждению о том, что процесс усложнения живого движим лишь соображениями выживания, нужно, по-моему, относиться очень критически.

Как читатель, возможно, заметил, в этой книге я воздерживаюсь от изложения собственных научных теорий. Практически весь обсуждаемый мною естественно-научный материал взят из источников, признаваемых в академической среде бесспорными, в значительной мере даже из учебников. Факты эти давно известны, они лишь не осмыслены по причинам, о которых я предоставляю читателю судить самому. Сейчас я собираюсь нарушить это табу и высказать свое мнение касательно области, в которой я не являюсь специалистом.

Глядя на подковообразного краба или, например, на тараканов, которые тоже представляют собой почти оптимальную с точки зрения выживания конструкцию, думаешь о том, как странно устроена эволюция. Одни существа остаются неизменными на сотни миллионов лет, другие стремительно меняются. Изменения происходят то медленно, то чрезвычайно быстро. Первые микробы возникли практически сразу после того, как Земля остыла, и в течение почти трех миллиардов лет Землю населяли только одноклеточные существа, а потом вдруг, около 580–530 миллионов лет назад, почти разом (за несколько десятков миллионов лет) возникли все типы ныне существующих многоклеточных. Не один за другим (сначала моллюски, а потом позвоночные, как нас когда-то учили), а все одновременно. Почему так быстро? Почему все типы возникли сразу, а потом не прибавилось ни одного?

Дарвинисты утверждают, что изменения живых существ (эволюция) имеют единственным своим источником случайные мутации. Это утверждение несет в их мировоззрении огромную идеологическую нагрузку. Те особи, в которых мутации приводят к изменениям положительным в смысле выживания, производят больше потомства, и, таким образом, эти изменения закрепляются. Звучит разумно, роль мутаций и отбора я никогда не отрицал. Но вот это «единственно» меня всегда изумляло. Говорят, незачем вводить что-то еще, если теория и так все объясняет. А зачем было вводить в теорию частиц нейтрино, когда хватало вроде бы протона и электрона? И не ввели бы, если бы не было численных оценок, так как увидеть нейтрино было чрезвычайно трудно. Как же можно говорить, что теория все объясняет, если нет надежных математических расчетов, обосновывающих возможность случайной эволюции за период, установленный палеонтологией?

Взять, например, наших родственников приматов. Говорят, линия, приведшая в конце концов к нам, отделилась от линии, приведшей к шимпанзе, около семи миллионов лет назад. Наш геном отличается от генома шимпанзе на 1–5 %. Оценки показывают, что за семь миллионов лет в ДНК, ответственных за воспроизведение потомства, должно было произойти около миллиона выгодных для жизни мутаций. Итак, нужно уметь показать, что семь миллионов лет достаточно, чтобы случайные мутации изменили 1 % ДНК общего предка шимпанзе и человека. Говорят еще так: зачем все эти вычисления, какая еще сила может действовать в эволюции, кроме сил, известных физике. А их мы все знаем. Но это же, господа, просто догмат. Без надежных вычислений мы не знаем и не узнаем, нужно ли искать такую силу, как не знали о существовании слабых взаимодействий до того, как был посчитан дефицит импульса при распаде протона. Может быть, эта новая сила, ускоряющая эволюцию и придающая ей определенное направление, связана с присутствием внутреннего мира у существ с нервной системой, являясь как бы внешним выражением этого внутреннего мира. Сила эта, если существует, по-видимому, довольно слаба и для отдельной особи не может быть обнаружена, однако действие ее на протяжении поколений может быть вполне заметным. Чтобы доказать, что известных из физики сил достаточно для объяснения эволюции, нужно предъявить вычисления соответствующих времен. До тех пор пока этого не произошло, у дарвинистов нет теории, а есть лишь гипотезы. А выдает гипотезу за твердое знание не наука, а политика.

 

Медитация

. Мой сосед-миллиардер и Теория Всего

Сказать, что мне часто доводится встречать миллиардеров, было бы большим преувеличением. Однако одного из них мне в последнее время доводится созерцать достаточно часто. Зовут этого человека Джеймс Саймонс, он основатель хэдж-фонда Renaissance Technology, мимо которого я проезжаю каждый раз, когда направляюсь в магазин за продуктами. Встречаю я Саймонса, однако, не в магазине, а на семинарах по физике струн в новеньком — с иголочки — здании из стекла и металла, носящем его имя: Simons Center for Geometry and Physics. Джеймс Саймонс — математик, бывший когда-то профессором в университете Стони Брук, которому он недавно и подарил центр своего имени. Не знаю, останутся ли в истории финансовые махинации его фонда, на которых он и нажил свои миллиарды, но его математические достижения уже вошли в учебники. Математике и физике Саймонс (вместе с другим математиком по фамилии Черн) подарил член, который так и называется «член Черна-Саймонса». «Это который Саймонс? — Это тот, которого член » (правда, по-английски это не так здорово звучит: «Chern-Simons term»). Член этот обладает рядом замечательных свойств, пришедшихся очень по сердцу физикам, которые и эксплуатируют его вовсю последние лет двадцать.

Так вот, сколько-то лет назад профессор Саймонс оставил теоретическую математику и занялся, так сказать, математикой прикладной, основав Renaissance Technology. В фирме этой работает множество бывших физиков и математиков. Так как их глава понимал, чем его подчиненные занимаются, фирма эта ничуть не пострадала в нынешнем кризисе. Однако самому Саймонсу, по-видимому, занятия эти наскучили, он ушел из «Ренессанса» и, вместо того чтобы уехать на Гавайи, проводит время на семинарах в центре своего имени, на постройку и работу которого он пожертвовал шестьдесят миллионов долларов. Там я его и созерцаю.

Судя по тому, чем центр Саймонса занимается, у миллиардера-математика есть мечта. Построить не яхту в сто пятьдесят метров длиной, как у Абрамовича (уже осуществил), а создать Теорию Всего. Зачем? Дело в том, что ученым, в число которых на старости лет вернулся и Саймонс, не дает покоя то, что теории, описывающие разные аспекты нашего бытия, не до конца согласуются друг с другом. Ну, казалось бы, и что? Почему не может быть так, что звезды управляются одними законами, а муравьи другими? Ан нет, наука, оказывается, в такое не верит. Ее вера в том, что все в природе управляется единой системой законов и в этом кодексе нет никаких противоречий, а следовательно, никаких судебных конфликтов и разбирательств, какой закон в данном случае какому предпочесть, быть не может. То есть в наших знаниях противоречия эти, конечно, возникают, но ученые верят, что они есть лишь следствие нашего непонимания того, что происходит, или, другими словами, недостатка наших знаний. Эта вера двигала науку всегда, и все возникавшие противоречия с блеском разрешались.

Чтобы не быть голословным, приведу несколько примеров. Классическая механика Ньютона не предполагала, что скорость света чем-то выделяется среди других скоростей, а в электродинамике Максвелла скорость света в вакууме есть максимально возможная в природе скорость. Противоречие это было замечено в конце XIX века и лишило ученых покоя. Разрешилось оно в специальной теории относительности, созданной усилиями Эйнштейна не без помощи Лоренца и Минковского, показавшей, что механика Ньютона справедлива лишь для скоростей, много меньших скорости света. Для скоростей же, сравнимых со скоростью света, была сформулирована релятивистская механика, являющаяся обобщением механики Ньютона и плавно переходящая в последнюю на малых скоростях. На этом противоречия не кончились. Оказалось, что созданная почти одновременно с теорией относительности для описания микромира квантовая механика и специальная теория относительности не стыкуются. Это противоречие было разрешено Полем Дираком и опять-таки привело к смещению парадигмы в физике. Оказалось, что для разрешения противоречия необходимо допустить, что у известных нам частиц есть своего рода зеркальные двойники — античастицы. То есть ради какой-то нестыковки в уравнениях потребовалось, ни много ни мало, допустить существование целого нового мира! И, что самое удивительное, этот мир, вызванный к жизни необходимостью разрешения математического противоречия в теории, был вскоре открыт! Ныне мы даже пользуемся плодами этих открытий, например в медицине. Недавно мне делали скан всего организма; скан этот назывался позитронной эмиссионной томографией, и делается он при помощи позитронов — зеркальных двойников электрона.

Теория Дирака положила начало тому, что сейчас именуется квантовой теорией поля, но не положила конец противоречиям. На очереди два следующих: между общей теорией относительности (которую можно также назвать теорией гравитации) и квантовой теорией поля — и между биологией и квантовой механикой.

Начнем с первого противоречия. Его суть состоит в том, что мы до сих пор не знаем, как включить квантовую теорию поля и гравитацию в общую схему. Согласно логике квантовой теории гравитационные силы должны переноситься частицами (для них даже название есть — гравитон), наподобие того, как электромагнитные силы переносятся фотонами или слабые взаимодействия W- и Z-бозонами. Логика логикой, а конкретных вычислений мы предъявить не можем. В практическом отношении это противоречие, казалось бы, не очень важно. Недостаток наших знаний мешает нам описать то, что происходило со Вселенной ближе к ее началу, чем 10 -43 секунды. Ну, скажет скептик, обсуждать такие вопросы — это как рассуждать о том, сколько ангелов уместится на острие меча. Такое только схоласты в Средние века обсуждали. Ну и говорите, что хотите, а нам это интересно — нас такие вопросы занимают потому, что мы верим: в знании нашем не должно быть никаких прорех.

Какие у нас, однако, основания думать, что гравитация подчиняется законам квантовой механики? Таковые имеются, и за их открытие в 2011 году была дана Нобелевская премия по физике. Читатель, наверное, слышал, что премия была присуждена за открытие того, что расширение Вселенной не замедляется, как думали раньше, а ускоряется. Ускорение это объясняют присутствием особой силы «антигравитации», которая, как ни странно, свойственна «пустому» пространству. Как мы уже обсуждали в медитации про «пустоту», ничего совершенно пустого квантовая теория не допускает; из вакуума постоянно возникают и в нем исчезают частицы. Полагают, что такое мельтешение и ответственно за ту «темную энергию», которая наполняет, по-видимому, пустое пространство. Когда-то Эйнштейн предположил существование такой формы энергии, следуя соображениям, ничего общего не имеющим с квантовой теорией, в которую он к тому же и не верил. Эйнштейна, воспитанного в традициях классической греческой философии Аристотеля с ее верой в вечность мироздания, раздражало то, что его теория предсказывала, что Вселенная имеет начало во времени. Для утверждения вечности сущего Эйнштейн ввел в свою теорию так называемый космологический член, приписывая тем самым энергию «пустому» пространству. Через несколько лет, когда оказалось, что Вселенная таки не стационарна, а расширяется, Эйнштейн отказался от космологического члена, назвав его «величайшим просчетом в своей жизни». Однако, как сейчас выяснилось, «темная энергия» все-таки существует, хотя плотность ее намного меньше того, что первоначально предполагал Эйнштейн, что, кстати, является одной из величайших загадок современной физики. Как ни мала величина космологической постоянной, ее вполне достаточно для того, чтобы мы могли убедиться: квантовые эффекты в гравитации существуют.

Не могу удержаться, чтобы не сделать небольшое отступление и не рассказать об этом знаменитом «просчете» Эйнштейна и о том, как сформировались современные взгляды на развитие Вселенной. На протяжении этой книги я много раз упоминал: ученые считают, что Вселенная имела начало во времени. Несмотря на то что осознание этого факта пришло к Эйнштейну и другим гигантам науки в 1920-е годы, после того, как астроном Хаббл открыл эффект красного смещения, консенсус среди широкой научной общественности установился только в 1960-е годы. Решающим фактором послужило открытие так называемого реликтового излучения или, проще говоря, света, дошедшего до нас с сотворения мира. Может быть, читатель помнит, как в «Братьях Карамазовых» Смердяков издевался над простой верой воспитавшего его слуги Григория: «Свет создал Господь Бог в первый день, а солнце, луну и звезды на четвертый день. Откуда же свет-то сиял в первый день?» Вот этот-то свет, сиявший в первый день, когда еще не было ни звезд, ни планет, и «увидели» в 1965 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Открытие это совершилось при испытаниях новой огромной антенны, созданной совсем не для астрофизических целей. При испытаниях антенны Пензиас и Вильсон, к огромному своему раздражению, обнаружили, что не могут добиться хорошего качества приема на интересовавших их частотах из-за постоянного шума. Сначала думали, что источником шума являются недостатки конструкции антенны, потом грешили на голубей, потом думали, что его источником является расположенный поблизости город Нью-Йорк. Однако оказалось, что излучение идет из космоса и приходит равномерно со всех сторон. Вскоре выяснился еще один удивительный факт: спектральный состав этого излучения совпадал с излучением абсолютно черного тела с температурой примерно 2,7 градуса по шкале Кельвина (-270 °C). Означать это могло только одно: наблюдаемое инфракрасное излучение есть продукт материи, равномерно заполнявшей Вселенную и находившейся когда-то в термодинамическом равновесии сама с собой и с излучением (так и определяется в физике понятие «абсолютно черного тела»). Надо ли говорить, что мир сегодняшнего дня ничем такое состояние не напоминает. Каждая звезда и планета имеют свою температуру (правильнее сказать, среднюю, поскольку температура внутренних частей и поверхности разная), свет сам с собой практически не взаимодействует и поэтому прийти в состояние термодинамического равновесия не может. Между тем, как было замечено теоретиками Гамовым, Альфером и Германом еще в 1948 году, теория Большого взрыва предсказывает, что когда-то вещество Вселенной находилось именно в таком состоянии. То есть, до достижения Вселенной возраста в 400 000 лет (по нашим нынешним стандартам), ее вещество представляло собой плазму, совершенно непрозрачную для излучения. Вот это и было тем, что физика называет абсолютно черным телом. «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет. И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил Бог свет от тьмы» (Быт 1, 3–4). Отделение света от тьмы (вещества) произошло, когда температура материи упала ниже порога ионизации атомов водорода (около 3 000° К). С этого момента излучение (свет), продолжая оставаться в термодинамическом равновесии, фактически перестало взаимодействовать с веществом. По мере расширения Вселенной это оставшееся от «горячих» времен излучение остывало (при адиабатическом, то есть в отсутствие внешних источников тепла, расширении произведение Т 3 V, где Т— температура по шкале Кельвина, a V — объем, остается постоянным, поэтому чем больше объем, тем меньше температура излучения) и к настоящему времени из горячего превратилось в крайне холодное. Вещество же, будучи в первое время после разделения просто горячей смесью водорода и гелия, развивалось далее своим путем, постепенно теряя однородность и структурируясь, формируя звезды (ставшие источниками своего собственного света), планеты и т. д.

Возвращаясь к основной теме, скажу, что на место Теории Всего, обещающей примирить квантовую теорию с гравитацией, претендует ныне так называемая теория струн. «…Туман. Струна звенит в тумане…» Читатель, в попытках понять Вселенную физика все время возвращается к геометрии и музыке. «Физика есть геометрия», — говорил, вторя великому Платону, последний ученик Эйнштейна Джон Уилер. «В споре Платона и Демокрита о структуре материи был прав Платон», — написал в одном из своих эссе основатель квантовой механики Вернер Гейзенберг. О музыке сфер, звучащей во Вселенной, говорили Пифагор и его ученики.

Попробую объяснить, в чем суть проблем, стоящих перед Теорией Всего. Все они в конечном итоге сводятся к тому, что наши представления о микромире основаны на неудачной концепции, а именно концепции частиц, унаследованной нами от древнего атомизма. Чтобы примирить эту концепцию с требованиями теории относительности, нам приходится предположить, что частицы есть точечные объекты, то есть буквально не имеют размера. Такое предположение диктуется тем соображением, что пространственные размеры меняются при изменении системы отсчета, а законы природы меняться НЕ ДОЛЖНЫ. В итоге получается, что мы хотим составить предметы, имеющие размер, из чего-то, размера не имеющего. Немудрено, что, введя в квантовую теорию такую абсурдную концепцию, как точечные взаимодействующие частицы, мы сразу получаем массу математических трудностей (интегралы расходятся, появляются бесконечности и т. д.). Особенно сурово все это выглядит, когда мы пытаемся квантовать гравитацию.

Первоначальная идея теории струн была чрезвычайно проста. Она сводилась к следующему рассуждению. Как показал Ричард Фейнман, общим решением уравнений квантовой механики является так называемый интеграл по траекториям, где волновая функция системы представляется суммой комплексных экспонент от (2π iS/h), где 5 есть классическое действие для данной траектории, a h — постоянная Планка (более подробные объяснения даны в приложении). Поскольку траектории представляют собой линии, получается, что мы суммируем по линиям в четырехмерном пространстве-времени. Так как действие для релятивистской частицы пропорционально интервалу между двумя точками на траектории (см. Приложение), а интервал не зависит от выбора системы координат, то такое представление удовлетворяет главному принципу физики об универсальности законов природы (по-ученому это называется принципом общей ковариантности). Итак, рассуждали ранние «струнщики», поскольку проблема в том, что линии не имеют толщины, давайте заменим их на поверхности и будем суммировать по поверхностям, а вместо действия как длины (интервала) будем считать его пропорциональным площади поверхности. Это похоже на то, что частицы как бы приобрели размер, стали либо колечками (замкнутые струны), либо отрезками (открытые струны), но размер этот не фиксирован, так как мы суммируем в волновой функции по поверхностям самых разных размеров, форм и топологий. Предполагается (это разумеется, должно следовать из теории), что в среднем размер этот чрезвычайно мал (порядка планковской длины ~ 10 -35 метра; для сравнения: размер ядра атома водорода ~ 10 -15 метра). Выглядит все это на первый взгляд не так сложно, но на поверку эта простота оказалась обманчивой. Настолько обманчивой, что, несмотря на колоссальные усилия последних тридцати лет, теоретически соединить гравитацию и квантовую механику пока не удалось. Тут нам, я чувствую, без финансовой помощи Саймонса не обойтись.

Однако чего же все-таки Саймонс и те, кто вплотную занимаются теорией струн, от нее ожидают? Неужели, если она в конце концов будет построена, мы получим Теорию Всего? Во-первых, оговорюсь сразу: если мы даже соединим квантовую теорию поля с гравитацией, никто не станет пользоваться этим для, например, синтеза новых лекарств в фармакологии или расчета свойств металлических сплавов. Это не означает, что у такой теории не будет практических следствий, следствия могут быть, и самые неожиданные. Однако, думаю, они, скорее всего, будут косвенными. Возникнут, например, какие-то новые отрасли математической физики, которые позволят установить более глубокие связи в отраслях уже существующих и лучше их понять. На этих страницах я много говорил о том, что в физике нет изолированных разделов, что все взаимосвязано, и повторю это опять. Помимо этого, и это, думаю, и вдохновляет «струнщиков» всего более, Теория Всего установит внутреннюю согласованность и непротиворечивость физики. Что ж, за это стоит побороться.

Но будет ли эта грядущая теория действительно Теорией Всего? Как насчет живого — эмоций, чувств, сознания, наконец? Многим биологам ни теория струн, ни даже квантовая механика не нужны, так как они верят, что мозг есть просто вычислительная машина, действующая по детерминистским законам классической физики. Даже квантовым эффектам они не находят там места. Некоторые же ученые, как, например, Пенроуз (я обсуждал его взгляды и критику теории искусственного интеллекта в посвященной ему главе), как знаменитый американский теоретик биологии Стюарт Кауфманн или авторы недавно опубликованной в Оксфорде книги «Quantum Enigma» («Квантовая загадка») Брюс Розенбаум и Фред Кюттнер, напротив, считают, что квантовые эффекты должны играть решающую роль в работе мозга. Пенроуз при этом идет даже настолько далеко, что считает: для объяснения сознания нам нужно понять, как гравитация соединяется с квантовой механикой, то есть опять-таки без Теории Всего не обойтись.

Проблема внутреннего мира животных и человека и другая, более высокая — человеческого сознания являются наиболее сложными научными проблемами. Распространено мнение, что внутренний мир как-то так сам собой возникает, когда его материальный носитель достигает определенной степени сложности. При этом некоторые полагают, что система эта не должна даже быть «живой», и в этом смысле и силиконовый компьютер начнет что-то чувствовать, если сделать его достаточно сложным. Другие, как тот же самый Пенроуз, утверждают, что, чтобы чувствовать и мыслить, система должна быть именно живой, что конкретное физическое устройство организма важно, и связывают это с тем, что процессы в организмах, в отличие от процессов в компьютерах (с их точки зрения), управляются квантовой механикой.

Мне кажется, споря о том, как возник внутренний мир, забывают, что он такое, и, в частности, о том, что он фундаментально отличается от мира внешнего, объективного. Строго говоря, мир внешний, который мы склонны называть «реальностью», есть интеллектуальная конструкция, плод наших умозаключений. Мы не воспринимаем его непосредственно; мир, в котором мы живем, есть мир наших чувств, эмоций и, наконец, сознания. Допустим, однако, что внешний мир есть; допустим, что наши тела являются его продуктом; допустим даже, что наш внутренний мир не может существовать без определенного рода тела. Пусть так. Но при всем том не ясно ли, что внутренний мир не есть мир внешний, что он есть совершенно другое качество, невыразимое во внешних терминах? Может быть, это качество неотделимо от мира внешнего или, как его еще называют, материального, как одна сторона монеты от другой. Если это так, то вопрос о его происхождении снимается или, скорее, он равносилен вопросу о происхождении материального мира. Тогда, однако, придется признать, что внутренний мир есть и у камней и вообще сознание разлито во всей природе. Если же думать, как, по-видимому, думают все те, кто полагает, что внутренний мир присущ лишь системам (или организмам) достаточно сложным, что внутренний мир возникает на каком-то этапе развития мира материального, то как же это происходит? Почему у живого мозга есть внутренняя сторона, а у кристалла или даже у мертвого мозга ее нет? Здесь перед нами как бы возникновение из ничего — никакой аналогии для возникновения внутреннего мира, кроме возникновения самой Вселенной, я подыскать не могу. Кстати, как я уже упоминал в медитации «Антропный принцип», слово «сотворил» употребляется в первой главе Книги Бытия всего три раза. Бог сотворил только три вещи: «небо и землю», «душу животных пресмыкающихся» и человека. Первое можно понимать как материальный мир, второе — как мир эмоций и чувств, присущий существам с нервной системой, а третье — как рефлектирующее сознание, присущее только человеку.

 

Медитация

. Разумная конструкция

Читатель, мы возвращаемся к теме, с которой и начиналась эта книга. Помнишь стихи Лермонтова, приведенные в первой медитации, где поэт говорит о том, как через созерцание природы ему открывается Бог?

В наши дни такой подход усиленно оспаривается и в качестве главного аргумента приводится теория Дарвина. Споры вокруг этой теории не утихают по обе стороны океана.

С одной стороны выступают люди религиозного мировоззрения, которые указывают на сложную организацию окружающего нас мира, где каждая часть, по-видимому, соответствует другой части с точностью, почти что непостижимой для человеческого ума и уж во всяком случае невоспроизводимой. По мнению теистов, сие есть свидетельство того, что мир создан и управляется могучим интеллектом, бесконечно превосходящим интеллект человека, хотя в чем-то и сходным с ним (как я уже говорил ранее, без этого сходства мы не смогли бы оценить красоты и сложности представленной нам картины мироздания).

С другой стороны выступают, скажем так, прогрессисты, которые говорят, что то кажущееся совершенство или, вернее сказать, высокая степень организации, которую мы наблюдаем в окружающей нас природе, есть плод невообразимо долгого процесса, состоящего из длинной цепочки проб и ошибок, в которой неудачные экземпляры безжалостно отбраковывались.

Действительно ли принятие эволюции исключает теизм? Или же она исключает только такой теизм, который настаивает на том, что мир был создан за шесть человеческих земных дней? Я уже говорил ранее, что даже в далеком прошлом находились мыслители (например, святой Августин или Филон Александрийский), которые не усмотрели бы здесь никакого противоречия. Если обратиться к не столь давним временам, то можно вспомнить современника Дарвина Владимира Соловьева, который, будучи человеком весьма религиозным, с энтузиазмом воспринял дарвинизм.

Попробуем разобраться в этом. Во-первых, правильно ли здесь уделять такое внимание эволюции животного мира? Безусловно, живые организмы являют собой наиболее разительный пример сложности и целесообразности. Следует, однако, заметить, что проблема происхождения и развития жизни является все-таки частным случаем более общей проблемы возможности возникновения сложно организованных систем из систем, организованных просто. А между тем не только история развития жизни, но и вся история мироздания, насколько она нам известна, представляется движением от простого к сложному. История жизни есть лишь часть этого более общего движения. И возникает она не на пустом месте, поскольку от Большого взрыва до первых микробов нужно было пройти длинный путь — например, создать всю периодическую систему элементов. Поскольку элементы тяжелее водорода и гелия формируются в ходе термоядерных реакций, идущих в недрах звезд, для их создания было необходимо, чтобы образовались, отгорели и взорвались несколько их поколений. Этот процесс занял около десяти миллиардов лет, на протяжении которых появлялись все более сложно организованные формы материи, не ведая никакого дарвиновского отбора (до возникновения жизни никто не вымирал за неприспособленностью). Процесс усложнения, который многими принимается за некую данность, мог оборваться на каждом шагу. Так, можно представить себе Вселенную, в которой нет ничего сложнее атомов, и даже такую, где нет ничего сложнее элементарных частиц. Возникновение и относительная устойчивость любой организованной формы материи (атомов, простых молекул, органических молекул, клеток, живых организмов) требует строгого соблюдения баланса различных сил, действующих во Вселенной. Дарвинизм делает сильный упор на роль случайностей в процессе развития жизни. Однако случайность и необходимость всегда выступают в природе вместе, и всякий раз, когда выпячивается что-то одно, получается однобокая, искаженная картина.

Однажды я присутствовал на чрезвычайно интересном докладе, где докладчик, физик по образованию, обсуждал проблему свертывания белков (protein folding), используя как пример образование молекул РНК. Молекулы эти играют первостепенную роль в функционировании живых организмов, выполняя, среди прочего, роль курьеров, переносящих инструкции по изготовлению белков от мест, где хранится информация о том, какие белки нужны организму, до мест, где эти белки производятся. Информация о всех белках и способах их производства хранится в огромных молекулах, называемых ДНК, каждую из которых можно сравнить с поваренной книгой, где записаны рецепты производства разнообразных блюд. РНК же является как бы страничкой из этой книги; нужно, скажем, изготовить борщ или гуляш, так вместо того, чтобы тащить на кухню всю книгу, копируют страничку с соответствующим рецептом и посылают на кухню. Тонкость состоит в том, что страничку посылают в сложенном (или, скорее, скомканном) виде, так оказывается удобнее. Проблема в том, как складывать (или комкать), а потом разворачивать (разглаживать) такие странички. РНК и есть проблема сворачивания белков, в которой пытался разобраться автор доклада. По ходу дела он показывал картинки типичных молекул РНК в их свернутом виде. Впечатление было как от чего-то безнадежно сложного, в чем человеческому уму нет и не будет никакой возможности разобраться. Тем не менее автор довольно успешно справился с этой задачей и на протяжении всего лишь часа представил математическую модель, довольно детально описывающую образование таких структур. Принципы этой модели чрезвычайно просты (не буду на них останавливаться), результат весьма сложен. Никаких физических законов, за исключением известных даже школьнику (во всяком случае, в мое время их в школе учили), для объяснения процесса не требуется. С другой стороны, на протяжении почти всего процесса никаких повторных попыток, никакого отбора не требовалось, сложнейшие структуры складывались «сами», следуя закону Кулона и элементарным правилам квантовой химии (ионная и ковалентная связь и т. п.). Отбор понадобился только на последней стадии, так как молекул производится слишком много и надо выбрать те, что подходят для жизни. Ну вот как будто мы пришли в супермаркет в незнакомой стране, на полках стоит масса товаров, этикетки читать не умеем, но, в общем-то, видно, что вот тут — джемы, а тут — сыры. Понятно, что мы не сразу выберем наилучшее, будут ошибки, но самое главное, что есть из чего выбирать. А почему? Почему материя может образовывать устойчивые сложные формы так, что жизни есть из чего выбирать?

После доклада мне пришла в голову мысль, что ситуация эта, то есть сочетание простоты исходных принципов и чрезвычайной сложности, нетривиальности и многообразия возможных результатов, совершенно типична для устройства природы.

И хотя Теория Всего, в смысле знания основных принципов построения Вселенной, еще не построена, но принципы ее развития на каких-то определенных (и важных для нас) участках поняты уже достаточно хорошо. Формулируешь простые принципы, а дальше все катится как будто бы само, от простого к сложному, от элементарных частиц до биологических молекул, а далее от молекул до микробов, от микробов до человека. Правда, подробностей последних процессов мы еще не знаем, но, как показывает пример приведенного выше доклада, вполне возможно, что и эта задача будет со временем решена. Так где же здесь intellectuel design (разумная конструкция), когда тут все просто — толкнул и покатилось? Однако ведь нужно же сконструировать так, чтобы катилось? Не всякое колесо доедет от гоголевского города NN до Казани, а тут нужно, чтобы катилось 13,5 миллиардов лет (такова современная оценка возраста Вселенной). Не всякие принципы позволяют такое непрерывное развитие осуществить. Простота, которую мы здесь наблюдаем, есть не та, что хуже воровства, а простота гениальная.

Поясню свою мысль на примере. Дети часто играют в кубики, ставя их друг на друга, все выше и выше, пока башня не обрушится. Ставишь три, четыре, пять, шесть кубиков друг на друга, все держится, башня растет, а потом уже нужно быть очень осторожным — чуть-чуть заденешь, и обрушится, а потом уже и осторожность не помогает, башня рушится, и все тут. В этой детской игре действует общий закон: чем сложнее система, тем она нежнее, неустойчивее. Чтобы разрушить атомное ядро, нужны температуры в миллиарды градусов, чтобы отделить электрон от ядра в простейшем из атомов (атоме водорода) нужно уже «только» около 27 000 градусов; чтобы расплавить кусок железа, нужны лишь тысячи градусов, чтобы убить микроб, нужна сотня; человеческий организм может существовать лишь в узком интервале температур вокруг 36,5 °C, исчисляемых несколькими градусами.

Организм — по необходимости сложная система, и простой она в принципе быть не может, даже на уровне микроорганизмов, не говоря уже о разумной жизни. Это потому, что телу необходимо самообновляться, а следовательно, хранить где-то информацию о самом себе. Поэтому для жизни необходимо как минимум, чтобы существовали молекулы огромной длины (хранилища информации ДНК могут содержать миллиарды атомов), способные соединяться и функционировать совместно. Откуда же такие молекулы взялись, если вначале были лишь одни элементарные частицы, и как им удается быть устойчивыми? Добавьте к этому то, что молекулам этим нужно не просто быть, а нужно еще что-то делать, выполнять определенные функции. То есть нужно быть активными, но при этом не развалиться на куски. Такой баланс между активностью и устойчивостью предполагает соблюдение определенных условий. Например, простые живые организмы можно заморозить в холодильнике на тысячи лет, они не умрут, но и жить не будут. То есть тут условия баланса не соблюдаются. А как же получилось, что такие условия вообще существуют? Не в том смысле, что они существуют на планете Земля или где-нибудь еще (во Вселенной места много), а существуют в принципе?

Вот именно этот вопрос я и хочу обсудить, так как считаю, что именно здесь и происходит истинное чудо. Если на время оставить за пределами рассмотрения вопросы о происхождении материи и Вселенной как таковой, то принципы ее организации, на уровне нашего непосредственного восприятия, очень просты. А именно на этом уровне вполне годится модель, в которой есть атомы, состоящие из тяжелых ядер и легких электронов; их образование и динамика, равно как и формирование более сложных структур, как то: молекул, жидкостей и твердых тел, определяется законами квантовой механики и электромагнитным взаимодействием. Сложности, описанные в медитации «Слово „атом“ и его судьба», не будут нас касаться, если мы не будем заглядывать в глубь атомных ядер.

Если мы согласимся на такие правила игры, то на этом уровне все законы отлично известны. И коль скоро это так, то оказывается, что свободных параметров в задаче об организации материи практически не остается. И получается, что из весьма простых начальных посылок формируется невероятно сложный конечный результат — мир, в котором мы живем.

Чтобы не быть голословным, попробую нарисовать более развернутую картину. Пусть нам даны все элементы таблицы Менделеева в количестве достаточном, ну хоть в форме какого-то пылевого облака, из которых мы можем слепить планету какого угодно типа (ну хоть типа Земли) и поместить ее на соответствующее расстояние от какой нам нравится звезды (ну хоть типа нашего Солнца). Так что в наших руках создать какие угодно условия, в смысле температур и давлений. Вопрос номер один: по каким принципам будет организовываться вся эта пылевая материя? Вопрос номер два: что нужно для того, чтобы на сформировавшейся планете смогла возникнуть жизнь, а еще лучше, жизнь разумная? Как ни покажется это самонадеянным некоторым из читателей, наука полагает, что ответ на вопрос о принципах организации материи ей известен. Хотя ответа на вопрос о возникновении жизни не существует во вполне удовлетворительной форме, тут тоже есть что сказать.

Итак, в нашем облаке пыли есть вся таблица Менделеева. Это значит, у нас есть атомы всех сортов (откуда это все взялось, нас здесь не касается). Как известно, атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного облака электронов, это ядро окружающего. Всякий заряд в природе кратен элементарному заряду, обозначаемому в физике латинской буквой е; заряд электрона — е, а заряд ядра атома элемента, несущего номер I в таблице Менделеева, есть +Ze. Вот, например, водород стоит в таблице на первом месте, значит, Z= 1, а кислород на 8-м, значит Z=8. Что еще нам нужно знать про ядра? Нужно знать, какая у них масса. Каждое ядро состоит из положительно заряженных протонов количеством Z и незаряженных нейтронов, количество которых может быть разным. Ядра с одинаковым Z, но разным количеством нейтронов, называются изотопами данного элемента. Например, водород может существовать в трех формах: собственно водород (один протон, нет нейтронов), дейтерий (один протон, один нейтрон) и тритий (один протон, два нейтрона). Как правило, только один, от силы два изотопа данного элемента являются долгоживущими, остальные неустойчивы относительно радиоактивного распада. Массы протона и нейтрона известны, их отношение М n /M p = 1,0084. Еще нам нужна масса электрона, вернее, ее отношение к массе протона: т e /М р = 1/1684. Теперь представим, что наше облако как-то сжалось, образовав планету, и из газа отдельных атомов начинают формироваться разные структуры: молекулы, жидкости, кристаллы — всё, всё, всё, что нас окружает и что нам необходимо для жизни, включая наши тела. Чтобы все это произошло и вещество не разлетелось по сторонам, нужна, конечно, сила гравитации, но, предположим, она есть в количестве достаточном. Это все, что нам надо про нее знать, так как на поведение материи на малых расстояниях гравитация влияния не оказывает. Она нужна для большой картины, для того, чтобы Вселенная как целое не развалилась, а мы здесь обсуждаем, так сказать, тонкие детали. Нас интересует, что нужно, чтобы из ядер и электронов что-то соорудить. Тут нужна организующая сила, которой является сила электромагнитная. В своем наиболее элементарном проявлении она необычайно проста: два точечных заряда Q 1 и Q 2 взаимодействуют с силой, направленной вдоль соединяющей их линии, величина которой обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна произведению зарядов. Закон Кулона. Следовательно, заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположного знака притягиваются. Оговорюсь, что закон Кулона предполагает, что заряды не движутся относительно друг друга; если они движутся, то возникает еще дополнительная более слабая сила (сила Лоренца), но это уже детали.

Теперь необходимо знать, как под действием этих сил материя будет двигаться. Это описывает квантовая механика, которая на уровне доступных нашим чувствам макроскопических объектов плавно переходит в хорошо знакомую по школе классическую механику Ньютона. Не углубляясь в подробности, скажу, что всей организацией материи заведует еще одно число, постоянная тонкой структуры α = 1/137 (равенство здесь является приблизительным), составленная из заряда электрона, постоянной Планка и скорости света. Объясню ее смысл на примере. Допустим, у нас есть простейший атом — атом водорода (Z =1, один электрон). Как учит нас квантовая механика, энергия электрона в атоме водорода может принимать только дискретные значения; они известны: Е п = — (т e с 2 ) α 2 /2n 2 , где n — целое число (1, 2, 3…), a с — скорость света. Возьмем какой-нибудь другой атом, например, атом гелия (Z =2, два электрона). Спектр его энергий будет опять-таки дискретный, и, хотя такого простого выражения, как для спектра атома водорода, у нас и не имеется, все эти энергии будут опять-таки пропорциональны величине — (т e с 2 ) α 2 . Нечто подобное имеет место для всех решительно атомов (для дотошного читателя я даю точную формулировку, а именно, энергии электронов в атоме с атомным номером Z даются в виде бесконечного ряда по четным степеням постоянной тонкой структуры: Е п = — (т e с 2 ) α 2 [А 1 (n,Z) + α 2 A 2 (n,Z) + α 4 A 3 (n,Z) +…], где коэффициенты А 1 , А 2 … есть некие числа).

Массы протона и нейтрона будут входить в выражения для энергий молекул.

Есть простая и наглядная аналогия того, что здесь выражено несколько формальным языком. А именно, каждый атом похож на музыкальный инструмент. Инструмент этот издает звуки только определенного тона, это его спектр. У атомов водорода одна музыка, у атомов углерода другая, у кальция — третья и т. д. Когда атомы объединяются в молекулы (а не каждый с каждым еще и пожелает объединиться, а если объединятся, то могут и размежеваться, да еще и с большим шумом, на этом вся взрывчатка основана), возникает новый тон и т. д. Существенная разница между нашими музыкальными инструментами и атомами в том, что каждый инструмент имеет систему настройки. Задача о согласном звучании инструментов в оркестре решается путем настройки каждого инструмента. А вот у атома ручки настройки нет. То есть на весь оркестр из 10 28 атомов, составляющих наше тело, есть ТРИ ручки, регулирующие три числа: М п /М р ,т е /М р , α.

Теперь представь, читатель, что тебе дана задача из всех этих атомов построить живую клетку. Она состоит из множества атомов разных сортов (сортов этих на самом деле не так уж много, активную роль в деятельности клетки играют всего лишь около десятка элементов), объединенных в молекулы. Все это должно соединиться, не распасться, но и не держаться слишком прочно друг за друга, так как жизнь — штука динамическая, должен происходить обмен веществ, то есть молекулы должны относительно свободно перемещаться, набирать энергию в одном месте, отдавать ее в другом. Короче говоря, создать надо из всех наличных деталей (атомов) работающий организм. Или, по приведенной выше аналогии, нужно из отдельных инструментов создать оркестр. И менять ты, читатель, можешь только три параметра: М п /М р ,т е /М р , α, которые определяют силу мириад разных химических связей, пространственную структуру молекул (а эта структура определяет их роль и функции в организме). И все потому, что только от этих чисел отношения энергий и зависят. (По правде говоря, вряд ли и эти-то числа можно менять, так как они, возможно, фиксированы другими соображениями. Однако забудем об этом на минуту.) То есть, оперируя всего тремя параметрами, нужно добиться того, чтобы существовали такие условия (хотя бы в принципе существовали, о реализации их даже речи здесь не идет!), при которых молекулы практически произвольной длины были бы: а) относительно устойчивы; б) могли бы активно реагировать и обмениваться энергией с другими молекулами. Совершенно не очевидно, что поставленная таким образом задача имеет решение. Напротив, общее правило таково, что задачи, в которых количество условий, которым нужно удовлетворить, превосходят количество параметров, которые можно менять, НЕ ИМЕЮТ решения. То есть само существование мира, в котором возможна жизнь, противоречит разумным ожиданиям (другое дело, что мы об этом, как правило, не задумываемся, принимая просто за данность). Математик и философ Лейбниц когда-то говорил, что, хотя мы не живем в наилучшем из миров, мы живем в наилучшем из возможных миров. Парадоксально заостряя эту мысль, я бы сказал, что мы живем в НЕВОЗМОЖНОМ мире.

Не слишком ли я сгущаю краски, сократив количество «рычагов управления» только до трех? Казалось бы, остается еще некая свобода выбирать то, из чего живые молекулы строить. На самом деле свободы этой практически нет, так как их свойства диктуются их функцией. А именно: для изготовления длинных молекулярных цепей годятся только четырехвалентные элементы (таких элементов два — углерод (химический символ С) и кремний (Si)).

#i_007.png

Схематическая картина атома углерода.

Ядро в центре, серые облака изображают собой валентные связи

Две из четырех связей каждый атом такого элемента тратит на то, чтобы соединиться с такими же, как он, атомами в цепочку. Две оставшиеся связи он протягивает, как руки, навстречу окружающему миру, и на них садятся другие атомы. Получается как бы строчка, на которую садятся буквы-атомы или целые молекулы.

#i_008.png

Три эквивалентных атома, соединенных в цепочку.

На торчащие «рожки» могут сесть другие атомы

Так что для хранения информации в клетках нужны именно такие элементы, какими в нашем мире являются углерод или кремний, именно с такими свойствами. И еще в качестве топлива нужен такой элемент, как наш кислород. Кстати, также нужно, чтобы энергии, выделяемые при разных химических реакциях, сопровождающих живые процессы, не разрушали сами клетки, в которых они происходят, и т. п. То есть нужен баланс, баланс и еще раз баланс, как в оркестре, а рычагов настройки только три…

Надеюсь, из всего сказанного понятно, что по-настоящему глубокие вопросы о самой возможности существования жизни были решены не отбором, а элегантным, невероятно простым по исходным посылкам и непостижимо сложным по следствиям выбором исходных принципов построения мироздания. То, что задача о построении Вселенной, в которой возможны такие сложные структуры, как ДНК, вообще имеет решение, есть факт отнюдь не очевидный. Если мы ему не удивляемся, то только по привычке воспринимать этот мир как нечто, полученное даром. Отбор же, в какой бы форме он ни осуществлялся, по Дарвину или как-нибудь еще, есть только, так сказать, наведение марафета. Оперирует он уже на весьма сложных структурах, чье существование никаким отбором не определяется. Да и случаен он лишь во вполне ограниченном смысле, так как случай здесь накладывается на неслучайную матрицу этих самых исходных (для биологии) структур.

Вполне возможно, что через то, что воспринимается нами как случай, выражается та свобода, которая предоставлена творению. Допустим, процесс отбора пошел бы несколько иным путем, так что разум воплотился бы не в существо, подобное обезьяне, а в дельфина или даже в осьминога. И что же? Это существо так же творило бы, спорило, а может быть, и воевало. Образ Божий ведь не форма тела. А форма тела — это уже детали, «прах земной».

Многих верующих невероятно волнует то, что теория эволюции утверждает, что «человек произошел от обезьяны». Им это кажется абсолютным скандалом. Я никогда не понимал, почему это должно кого-то волновать. Во-первых, происходить от кого-либо не означает быть им. Я не являюсь повторением своего отца, хотя и происхожу от него, так же как мой сын не является повторением меня. Между нами и нашими обезьяноподобными предками дистанция неизмеримо большего размера, чем между отцами и детьми. Обезьяны, несмотря на свое несомненное сходство с людьми во многих отношениях, так же, несомненно, отличаются от людей. Это означает, что на пути от обезьяны к человеку произошло что-то поистине грандиозное, что и определило эту разницу. Тех, кто думает, что наше происхождение от обезьяны делает нас хуже, я хочу спросить: какова альтернатива? Вы предпочитаете быть слепленным непосредственно из элементов таблицы Менделеева в обход эволюционного процесса? Прямо буквально из пыли? Чем это было бы лучше?

Короче говоря, накал страстей вокруг теории эволюции я считаю недоразумением. Правы ли дарвинисты во всем или в чем-то ошибаются, есть вопрос частный и не имеющий отношения к разумности мироздания и существованию Божества. Вопрос этот должен решаться научными методами.

Я уверен, что человек может спокойно созерцать мир, не боясь внутреннего конфликта между верой и разумом, и повторять вслед за Лермонтовым:

FB2Library.Elements.Poem.PoemItem