Жизнь в невозможном мире: Краткий курс физики для лириков

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 = тс², т — масса бозона, можно лишь на время t ~ h/тс² (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.

Приедается все, Лишь тебе не дано примелькаться. Дни проходят, И годы проходят И тысячи, тысячи лет. В белой рьяности волн, Прячась В белую пряность акаций, Может, ты-то их, Море, И сводишь, и сводишь на нет. (Б. Пастернак)

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.