Ты – Космос. Как открыть в себе вселенную и почему это важно

Кванты и планы

Теория относительности была столь умопомрачительной, что массовому сознанию она представлялась последним и величайшим достижением физики. Но это было далеко от истины. История о том, что реально, а что нет, совершила еще один неудобный поворот, известный теперь как квантовая революция. Она не была независимой от работ Эйнштейна: скорее, это отросток формулы E = mc², утверждающей, что количество энергии внутри любой части материи равняется массе самого объекта, помноженной на скорость света в квадрате. В этом утверждении содержится огромный объем знаний, применимых к столь различным явлениям, как расщепление атома и черные дыры.

Равное – значит, такое же, и, следовательно, энергия есть то же, что материя, или масса эквивалентна энергии. Трудно представить себе нечто более поразительное, поскольку с позиции пяти чувств материя (песчаная дюна, буханка хлеба, эвкалиптовое дерево) совершенно не похожа на энергию (молния, радуга, магнетизм, движущий стрелку компаса). Спустя годы было доказано, что формула Эйнштейна все-таки верна. Но нельзя сказать, что разгаданы все ее загадки. Изобразив природу полностью преобразуемой, с материей, постоянно превращающейся в энергию, формула поставила вопрос: а как же это работает?

К неудовольствию верующих в реальность песчаных дюн, деревьев и радуг, оказалось, что строительные блоки природы – субатомные частицы – иногда ведут себя как материя, а иногда и как энергия. Самый известный пример – свет. Когда он ведет себя как энергия, он – волна. Волна имеет длину; таким образом, радуга или любая призма подтверждают то, что обычный солнечный белый свет – на самом деле смесь нескольких цветов, и у каждого из них своя длина волны. Но когда свет ведет себя как материя, он движется в виде частиц – фотонов, которые сами по себе суть порции энергии. «Порция» по-латыни – «квант»; это название и избрал Макс Планк, немецкий физик, начавший квантовую революцию в 1900 году и получивший Нобелевскую премию в 1918 году.

E = mc² значит, что реальность может быть сведена к одному уравнению (во что-то подобное и верил к концу жизни Эйнштейн), но его прорыв привел к столкновению с квантовой теорией, уравнения которой с относительностью несовместимы. С таким противоречием физики сталкиваются даже сейчас, и оно – причина разрыва в ткани повествования о том, что реально, а что нет. Это не то чтобы потрясающе сложно: речь о больших вещах в сравнении с малыми. Все большие вещи – от ньютоновского яблока до далекой огромной галактики – ведут себя так, как предписывает им эйнштейновская теория относительности. Малые же вещи, вроде кванта или субатомной частицы, подчиняются особому набору правил, достаточно странных, или, по определению Эйнштейна, «жутких».

В детали этого «жуткого поведения» мы вникнем позже, а сейчас нас волнует большое. К концу двадцатых годов все поняли, что относительность и квантовая теория невероятно успешны, каждая по-своему, но стало очевидно и другое: они не взаимосвязаны. Вопросом дня были гравитация и ее невероятные нелинейные (искривленные) эффекты. Эйнштейн произвел революцию в изучении гравитации, используя визуальные образы, чтобы получить новые ответы на вопросы. Мы уже рассматривали образ тела в свободном падении; есть и другие. К примеру, Эйнштейн представил себе пассажира, стоящего в лифте, который, ускоряясь, трогается вверх. Пассажиру кажется, что сам он становится тяжелее, но он не знает почему, поскольку не видит ничего за пределами лифта. С его точки зрения, дело может быть и в воздействии притяжения, и в эффекте ускорения. Оба объяснения верны, а поэтому, утверждает Эйнштейн, у силы притяжения никаких привилегий здесь нет.

Вместо этого притяжение должно быть включено в череду трансформаций природы: так и только так преобразовываться будет не одна лишь материя в энергию или энергия в материю. Притяжение из силы постоянной величины стало искривлением пространства-времени, варьирующим от места к месту. Представьте, что вы идете зимним днем по заснеженной равнине и, внезапно поскользнувшись, падаете в дренажную канаву, которой не увидели под снегом. Вы движетесь быстрее, чем когда шли по снегу, и ваш вес увеличивается по мере того, как вы оказываетесь ближе ко дну канавы. Примерно таким же образом пространство искривляется вокруг больших предметов вроде планет или звезд, и, когда свет, идущий по прямой, натыкается на подобный предмет, траектория света, по теории Эйнштейна, тоже искривляется. (Подтверждение этому было поистине восхитительным, но об этом мы еще поговорим дальше.)

Одним движением Эйнштейн превратил гравитацию из силы в явление космической геометрии. Но при квантовом подходе к проблеме ученые-физики все еще рассматривают силу притяжения как одну из четырех фундаментальных сил природы. Три другие – электромагнетизм, слабое и сильное ядерные взаимодействия – ведут себя, по наблюдениям, так же, как свет: то как волна, то как частица. Но гравитационных волн или гравитационных частиц, так называемых гравитонов, в природе никто не обнаруживал. В газетные заголовки попадали заявления о гравитационных волнах, образовавшихся во Вселенной сразу после Большого взрыва, однако они не были ничем подтверждены.

Большинство физиков признает, что в истории реальности существует некий раскол. Следствие же этого раскола – примечательная возможность. Наш разум, в том числе поток наших ежедневных помыслов, может влиять на реальность «где-то там». Потому, возможно, малые вещи и ведут себя не так, как ведут себя большие. К примеру, попробуйте представить себе лимон, «увидеть» его неровную желтую поверхность, маслянистую кожуру. А теперь вы видите нож, которым этот лимон разрезают пополам. Капельки лимонного сока выступают наружу, когда нож проходит сквозь бледную плоть лимона…

Ну как, у вас потекла слюна от этой визуализации?

Предсказуемая реакция. Даже мысленный образ лимона может вызвать такую же реакцию организма, какую вызывает настоящий лимон. Вот так событие «здесь» может вызвать событие «там». Молекулы, передающие сообщение от мозга к слюнным железам, ничем не отличаются от подобных молекул в камнях или деревьях. Тело, в конце концов, тоже физический объект. Мы постоянно проецируем свой разум на материю. Каждая мысль вызывает физические изменения в мозге и далее – вплоть до изменений активности генов. Микровольты электричества стреляют по миллиардам нейронов, в то время как в синапсах, или промежутках между клетками мозга, протекают химические процессы. Эти явления не подчиняются общему готовому шаблону. Все сдвигается в соответствии с тем, как именно вы познаете мир.

Разум выше материи – это утверждение разрушило все научные планы, показав, что наблюдение – просто взгляд! – не пассивно. Если оглядеть комнату, где вы сейчас сидите, окажется, что вещи, которые вы видите – стены, мебель, светильники, книги, не изменяются. Ваш взгляд, казалось бы, совершенно пассивен. Но если говорить о происходящем «здесь», это не так! Зрительная оболочка вашего мозга меняет активность, когда ваш взгляд натыкается на те или иные предметы. Если вам случится увидеть в углу мышь, в вашем мозге произойдет вспышка активности. Все принимают как должное то, что вне нашего мозга видеть что-либо – обязательно пассивный процесс. Здесь-то квантовая механика всех и расстраивает.

Если перейти от больших вещей к малым и наблюдать протоны, электроны, другие субатомные частицы, то возникнет загадочный феномен, называемый «эффектом наблюдателя». Мы уже упоминали, что субатомные частицы существуют в двух аспектах – как частицы и как волны, но тем и другим одновременно они быть не могут. Согласно квантовой теории, когда фотон или электрон никто не наблюдает, он ведет себя как волна. Свойство волн – то, что они распространяются повсюду; нет никакого точно заданного направления, куда должен идти фотон в волноподобном состоянии. Но как только электрон или фотон оказывается под наблюдением, он ведет себя как частица, имеет местоположение, а также и другие свойства, такие как заряд и импульс.

Оставим на потом специфику принципа неопределенности, формулы, управляющей отношениями волн и частиц. Сконцентрируемся на том, что очень скромные вещи «там» можно изменить, если просто на них смотреть (а это уже умственное действие). Обыденному сознанию трудно это принять, потому что мы привыкли считать, что смотреть – действие пассивное. Но вернемся к мыши в углу. Когда вы ее замечаете, она зачастую замирает и тут же быстро убегает в норку, как будто хочет пережить возможное нападение. Ваш взгляд вызвал такую реакцию просто потому, что мышь поняла, что вы на нее смотрите! Может ли фотон или электрон почувствовать взгляд ученого, наблюдающего за ним?

Сам такой вопрос может быть нелепым для ученых, которые в подавляющем большинстве считают, что разума в природе не было, по крайней мере до тех пор, пока не появилась и не развилась человеческая жизнь. Природа, согласно научной мысли многих столетий, вещь одновременно безумная и случайная. Но как тогда мог такой выдающийся современный физик, как Фримен Дайсон, сказать вот это:

«Атомы в лаборатории – вещь странная: они ведут себя не как инертные вещества, но как активные существа. Они делают непредсказуемый выбор из альтернативных возможностей согласно законам квантовой механики. Похоже, что разум, проявляющийся в способности делать выбор, в какой-то мере присущ каждому атому»?

Заявление Дайсона – дерзость вдвойне. Он утверждает: атомы делают выбор, что уже есть признак разума. Он говорит о том, что Вселенная сама по себе разумна! Это своего рода связь между поведением малых и больших вещей. Вместо того, что атомы тотально отличаются от деревьев, облаков, слонов и планет, утверждается, что они только кажутся разными. Если посмотреть на частички пыли в лучах света, их движение покажется совершенно беспорядочным; так их и опишет физика движения тела. Но понятнее все сделает другая визуализация.

Представьте, что вы сидите на смотровой площадке Эмпайр Стейт Билдинг, а с вами рядом – физик. Вы оба смотрите на улицу под вами. На каждом углу одни машины сворачивают направо, а другие – налево. Случайная модель? Да, ответит физик. Статистический массив можно отразить на карте, чтобы показать, что за некоторый период времени налево и направо будет поворачивать примерно одинаковое количество машин. При этом никто не сможет достоверно предсказать, направо или налево повернет следующая машина: вероятность – 50:50. Но вы знаете: внешнее здесь обманчиво. У каждого водителя в каждой машине есть свои причины свернуть направо или же налево, а следовательно, ни один из поворотов не случаен. Нужно просто знать разницу между вероятностью и выбором.

В науке значение вероятности столь абсолютизировано и привязано к выбору, что в применении к физическим объектам это оказывается абсурдом. Посмотрим на нашу планету. Все элементы на Земле, которые по тяжести равны железу или тяжелее него (в том числе многие тяжелые металлы и радиоактивные элементы, такие как уран и плутоний), возникли во время взрывов гигантских звезд, известных как сверхновые.

Без таких взрывов даже невероятного тепла внутри обычной звезды, вроде нашего Солнца, недостаточно, чтоб связать атомы в более тяжелые элементы. Когда сверхновая взрывается, эти элементы становятся межзвездной пылью. Пыль собирается в облака, и, в случае нашей Солнечной системы, эти облака в конечном счете становятся планетами. Расплавленное ядро Земли состоит из железа, но внутри него существуют токи, несущие часть железа вблизи поверхности планеты. Немного железа даже вымывается в океаны и верхние слои почвы. Оттуда нам достается то железо, которое делает кровь красной и позволяет дышать, получая кислород из воздуха.

Хотя плавающие пылинки в лучах солнечного света в точности подобны звездной пыли, которая там и сям плавает среди галактик, некоторые из звездных пылинок обрели уникальную судьбу и сделались важной стороной земной жизни. Вы, будучи человеком, действуете с целью, значением, направлением и намерением – то есть абсолютно не случайно. Как случайное становится намеренным? Как из бессмысленной пыли получилось человеческое тело, с помощью которого мы достигаем всего значимого в жизни?

Ответом на вопрос, если Фримен Дайсон прав, будет разум. Если разум – связь между большим и малым, то делить события во Вселенной на случайные и неслучайные – значит упускать суть. Она в том, что разум может существовать повсюду, и наши жизни – отражение этого факта.