Характер Физических Законов

Например, ядра, содержащие несколько элементарных частиц - протонов и нейтронов, представляют собой чрезвычайно сложные системы. У них есть так называемые энергетические уровни, они могут находиться в различных состояниях или условиях, характеризуемых уровнем энергии, и эти уровни различны для разных ядер. Математическая задача определения значений различных энергетических уровней очень сложна, и мы умеем решать ее лишь частично. Точное положение уровней, очевидно, является следствием невероятно сложных процессов, а поэтому нет ничего особенно загадочного в том, что у азота с его пятнадцатью элементарными частицами в ядре одному уровню соответствует энергия 2,4 МэВ, другому - 7,1 МэВ и т.д. Но что, действительно, замечательно, так это то, что весь характер нашей Вселенной в значительной степени зависит от точного значения одного энергетического уровня одного ядра. Как оказывается, один уровень ядра ¹²С равен 7,82 МэВ. И именно это делает нашу Вселенную такой, какая она есть.

Дело здесь вот в чем. Если начинать с водорода, а, по-видимому, сначала практически вся Вселенная состояла из водорода, то по мере сближения атомов водорода под действием сил притяжения и по мере повышения температуры водорода возникают условия для ядерных реакций, в результате которых может получиться гелий. Затем гелий может частично вступить в реакцию с водородом и образовать несколько новых, более тяжелых элементов. Но новые элементы немедленно распадутся вновь на гелий и водород. В связи с этим некоторое время ученые никак не могли понять, откуда же взялись остальные элементы нашей Вселенной. Ведь если начать плясать от водорода, то процессы превращения, протекающие в звездах, не могут дать что-нибудь иное, кроме гелия и пяти-шести других элементов. Столкнувшись с этой проблемой Хойл и Солпитер [9] увидели здесь только один выход - если в результате соединения трех атомов гелия может образоваться атом углерода. Нетрудно подсчитать, насколько часто возникает такая возможность в звездах. И представьте себе, получилось, что такая вероятность вообще равна нулю, если только у углерода случайно не окажется энергетического уровня, равного 7,82 МэВ. Если же такой уровень есть, то три атома гелия, соединившись в атом углерода, начнут снова распадаться в среднем немного позже, чем при отсутствии у углерода энергетического уровня в 7,82 МэВ. И тогда этого времени хватает для других преобразований, для образования новых элементов. Так что если бы у углерода оказался энергетический уровень, равный 7,82 МэВ, то мы могли бы понять, откуда взялись все элементы периодической таблицы.

9

Фрэд Хойл - английский астроном из Кембриджского университета.

Эдвин Солпитер - американский физик-теоретик и астрофизик из Корнеллского университета.

Вот путем такого обратного рассуждения, рассуждения от противного, было предсказано, что у углерода должен быть уровень, равный 7,82 МэВ. А лабораторный эксперимент подтвердил, что это действительно так. Поэтому существование в нашем мире всех других элементов очень тесно связано с тем обстоятельством, что у углерода оказалось именно это значение энергетического уровня. Но точное значение энергетического уровня углерода кажется нам, знающим законы физики, случайным результатом очень сложного взаимодействия 12 сложных частиц. Поэтому пример углерода может служить прекрасной иллюстрацией того факта, что понимание физических законов еще не обязательно гарантирует вам непосредственное понимание важнейших явлений нашего мира. Подробности реального существования очень часто весьма далеки от основных законов.

Мы можем анализировать явления нашего мира, выделяя в нем разные уровни, устанавливая некоторую иерархи о понятий и представлений. Это - метод анализа. Я не собираюсь точно определять разные уровни, но попытаюсь лишь пояснить на примерах, что я имею в виду, когда говорю об иерархии понятий и представлений.

Скажем, на одном конце нашей иерархической лестницы мы расположим основные законы физики. Затем мы придумываем новые термины для некоторых близких понятий, которые, как нам это кажется, можно в конце концов объяснить на базе основных законов. Например, термин "теплота". Теплота, как предполагают, это результат хаотического движения атомов, и когда мы называем что-нибудь горячим, просто подразумеваем, что имеется некоторая масса атомов в состоянии интенсивного хаотического движения. Но сплошь и рядом, обсуждая тепловые свойства, мы забываем о хаотическом движении молекул - точно так же, как, говоря о леднике, мы не обязаны думать о шестиугольных кристаллах льда и снежинках, которые падали когда-то раньше. Другой пример того же рода, это пример с кристаллом соли. Если смотреть в самый корень, то это система огромного числа протонов, нейтронов и электронов. Но мы обходимся одним понятием "кристалл соли", который несет в себе целый образ совокупности элементарных взаимодействий. Точно такому же кругу идей принадлежит и понятие давления.

Теперь, если сделать по нашей лестнице еще один шаг вверх и перейти на следующий уровень, мы столкнемся со свойствами веществ, которые характеризуются, например, "коэффициентом преломления", определяющим, насколько отклоняется луч света, проходя через вещество, или "коэффициентом поверхностного натяжения", объясняющим, почему вода имеет тенденцию оставаться в виде единого целого, причем и то и другое описывается определенными числами. Напомню - теперь для того, чтобы выяснить, что в конце концов все это сводится к взаимодействию атомов и т. п., нам пришлось бы спуститься на несколько ступеней вниз, пройдя через ряд все менее сложных законов. Тем не менее мы свободно рассуждаем о "поверхностном натяжении" и при этом нас не интересует его внутренний механизм.

Продолжим наше восхождение по иерархической лестнице. От воды можно перейти к волнам, а затем уже и к понятию "шторм", причем слово "шторм" обхватывает невероятное число различных явлений. К тому же классу принадлежат и другие собирательные понятия: "солнечное пятно" или "звезда". И очень часто нет никакого смысла докапываться до исходных механизмов всех составляющих явлений. По правде говоря, это и невозможно сделать, так как чем выше мы поднимаемся по нашей иерархической лестнице, тем больше ступеней отделяет нас от основных законов, а каждая из этих ступеней не очень надежна. Мы еще не продумали все с самого начала и до самого конца.

Продолжая подъем по иерархической лестнице сложности, мы добираемся до таких вещей, как "сокращение мускулов" или "нервные импульсы" - невероятно сложные явления физического мира, связанные с исключительно сложной организацией материи. А затем мы доходим и до таких понятий, как "лягушка".

Все дальше и дальше, и вот уже перед нами понятия "человек", "история", "политическая целесообразность" и другие понятия, которыми мы пользуемся для того, чтобы разбираться в событиях на еще более высоком уровне.

А затем наступает черед таким вещам, как "зло" и "красота", и "надежда"...

Какой же конец этой лестницы ближе к богу, если мне позволена будет религиозная метафора? Красота и надежда - или основные законы? Мне, конечно, кажется, что для нас важнее всего понять внутреннее структурное единство мира; что все науки, да и не только науки, любые интеллектуальные усилия направлены на понимание взаимосвязей между явлениями, стоящими на разных ступенях нашей иерархической лестницы, на то, чтобы найти связь между красотой и историей, историей и человеческой психологией, психологией и механизмом мозга, мозгом и нервными импульсами, нервными импульсами и химией и так далее, как вверх, так и вниз. Сегодня мы еще не можем (и что толку притворяться будто это не так) провести непрерывную линию от одного конца до другого, ибо мы лишь вчера увидели существование такой иерархии.

И мне не кажется, что вопрос правильно поставлен. Выбрать один из этих концов и, отталкиваясь отсюда, надеяться достичь полного понимания, было бы ошибкой. Ни понимание природы зла, добра и надежды, ни понимание основных законов в отдельности не могут обеспечить глубокого понимания мира. Поэтому неразумно, когда те, кто изучает мир на одном конце иерархической лестницы, без должного уважения относятся к тем, кто делает это на другом конце. (На самом деле этого и нет, но люди уверяют нас, что именно так обстоит дело.) Вся огромная армия исследователей, работающих на всех ступенях нашей лестницы от одного края до другого, постоянно совершенствует наше понимание мира, и мы постепенно постигаем все колоссальное переплетение иерархий.

Лекция 6. Вероятность и неопределенность - квантовомеханический взгляд на природу

На первых шагах истории экспериментальных исследований или каких-нибудь других исследований, преследующих научные цели, разумные объяснения наблюдаемых явлений основывались на интуиции, которая сама базируется на простейшем опыте соприкосновения с обыденными объектами. Но по мере того как мы пытаемся расширить наши представления и добиться лучшего соответствия между нашими объяснениями и тем, что мы наблюдаем, по мере того как наше объяснение становится все более и более широким и нас начинает интересовать все более широкий круг явлений, то, что еще совсем недавно было простым наблюдением, становится физическим законом. При этом с ним происходит странная вещь: часто он становится все более и более внешне нелогичным и все дальше и дальше расходится с тем, что подсказывает интуиция.

Приведем лишь один пример. В теории относительности утверждается, что если вы считаете, что два события произошли одновременно, то это всего лишь ваша личная точка зрения, а кто-то другой с тем же основанием может утверждать, что одно из этих явлений произошло раньше другого, так что понятие одновременности оказывается чисто субъективным.

Конечно, иначе и быть не может, поскольку в нашей повседневной жизни мы имеем дело с огромными скоплениями частиц, очень медленными процессами и другими очень специфичными условиями, так что наш опыт дает нам лишь очень ограниченное представление о природе. Из непосредственного опыта можно почерпнуть сведения лишь об очень малой доле естественных явлений. И только при помощи очень тонких измерений и тщательно подготовленных опытов можно добиться более широкого взгляда на вещи. А тогда мы начинаем сталкиваться с неожиданностями. Мы наблюдаем совсем не то, что мы могли бы предположить, совсем не то, что мы себе представляли. Нам приходится сильнее напрягать свое воображение не для того, чтобы, как в художественной литературе, представить себе то, чего нет на самом деле, а для того, чтобы постичь то, что действительно происходит. Вот об этом-то я и хочу поговорить сегодня.