Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Чтобы замкнуть круг, нам надо понять, почему электроны в атомах обычно находятся всего лишь в одном из бесконечно большого количества состояний. Здесь нам поможет пункт третий. Вариант с самой низкой энергией – так называемое основное состояние – как раз и является тем, который мы обычно обнаруживаем, потому что атомы сидят на голодном энергетическом пайке.

Почему атомы жаждут получить энергию? В конечном счете потому, что Вселенная огромна, холодна и расширяется. Атомы могут переходить из одного состояния в другое, испуская свет и теряя энергию – или поглощая свет и приобретая энергию. Если бы поглощение и излучение были сбалансированы, в игре было бы много различных состояний. Это происходило бы в горячей и закрытой системе. Свет, выделенный в одно время, был бы поглощен позже, и сбалансированное равновесие сохранялось бы. Но в большой, холодной, расширяющейся Вселенной излученный свет уходит в обширные межзвездные пространства, унося с собой энергию, которая не возвращается.

Так мы находим, что динамические уравнения, которые сами по себе не могут быть источником структуры, но делают это с помощью джиу-джитсу («искусство мягкости» по-японски), сосредоточивая мощь других принципов. Они руководят ограничивающими силами квантовой механики и космологии. Космология объясняет бедность атомов энергией, а квантовая механика показывает, как энергетический голод порождает определенную структуру.

Изображение и вдохновение

Я считаю вклейку CC выдающимся произведением искусства. На ней использованы кое-какие ловкие трюки с тенями и перспективой, чтобы передать ощущение трехмерности того, что, в сущности, является двумерным изображением. Также в ней используется изображение в разрезе и богатый выбор представляемых поверхностей (а именно поверхностей равной вероятности), чтобы выявить затейливую структуру.

Атомы водорода имеют только один электрон. Продвинувшись на один шаг по шкале сложности, мы перейдем к гелию, у которого два электрона. Квантовый атом с двумя электронами – намного более сложный объект для визуализации, и я не видел, чтобы это было когда-либо сделано хорошо. Трудность задачи состоит в том, что для каждого возможного положения одного электрона волновая функция второго является другим трехмерным объектом. Поэтому на самом деле естественное место обитания для всей волновой функции системы с двумя электронами – это пространство 3 + 3 = 6 измерений. Достаточно трудно представить такой объект так, чтобы это было понятно для человеческого мозга. Идеи, которые я упоминал в связи с расширением пространства цветового восприятия, здесь бы тоже могли пригодиться.

Честолюбивые ученые-художники в духе Брунеллески и Леонардо да Винчи видят в этой трудной задаче возможность для творчества. Они стремятся открыть глубинные аспекты реальности, которые одновременно прекрасны и расширяют границы сознания. Вклейка CC, как я надеюсь, – это знак того, что скоро все получится.

Убедительные изображения атомов в своем соединении закономерности и изменчивости станут похожи по своим качествам на мандалы. И еще они откроют нам страшную и волнующую перспективу проникновения в суть таинственной духовности: Се Есть Ты. Потому что, знаете, это так и есть.

Симметрия I: два шага Эйнштейна

Создав две свои теории относительности – специальную и общую, Альберт Эйнштейн (1879–1955) принес в науку новый стиль размышления о фундаментальных принципах природы. Для Эйнштейна красота в особой форме симметрии начинает жить своей собственной жизнью. Красота становится творческим принципом.

Таинственное происхождение

Описывая свой подход к науке, Эйнштейн произнес слова, которые звучат совершенно донаучно и возвращают нас во времена древних греков, которыми он восхищался:

Что меня интересует по-настоящему, так это был ли у Бога какой-то выбор при сотворении мира.

Предположение Эйнштейна о том, что Бог – или создающий мир Мастер – мог не иметь выбора, потрясло бы до глубины души Ньютона или Максвелла. Тем не менее оно прекрасно подходит к пифагорейским поискам всеобщей гармонии или понятию неизменного Идеального, восходящего к Платону.

Если у Мастера не было выбора, то почему? Что могло ограничивать Творца, создающего мир?

Во-первых, возможно, что Мастер в душе был художником. Тогда его ограничивало желание красоты. Я люблю предполагать (и предполагаю), что Эйнштейн по ходу дела размышлял над нашим Вопросом – воплощает ли мир прекрасные идеи – и вложил всю свою веру в ответ: «Да!»

Красота – это расплывчатое понятие. Но начнем с того, что настолько же расплывчатыми являлись когда-то и понятия «сила» и «энергия». Из диалогов с Природой ученые узнали, как усовершенствовать значения слов «сила» и «энергия», чтобы применять их в соответствии с важными аспектами реальности.

Также, изучая произведение Мастера, мы приходим к более ясному пониманию «симметрии» и в конечном счете «красоты» – понятий, которые отражают важные аспекты реальности, оставаясь верными духу своего использования в обычном языке.

Специальная теория относительности: Галилей и Максвелл

Если Эйнштейн был новым воплощением Пифагора, то он многому научился за прошедшее время (благодаря множеству циклов реинкарнации). Эйнштейн, конечно, не отвергал открытий Ньютона, Максвелла и других героев научной революции и не отказывался от проявленного ими уважения к наблюдаемой реальности и конкретным фактам. Ричард Фейнман называл Эйнштейна «гигантом, чья голова находилась в облаках, но ноги стояли на земле».

В своей специальной теории относительности Эйнштейн примирил две идеи своих предшественников, которые, казалось, противоречили друг другу.

• Наблюдение Галилея о том, что движение системы как целого с постоянной скоростью не меняет законы Природы. Эта мысль является фундаментальной для астрономии Коперника и глубоко входит в механику Ньютона.

• Скорость света возникает из уравнений Максвелла как прямой результат основных законов Природы и не может меняться при переходе из одной системы в другую. Это однозначное следствие из электродинамической теории света Максвелла – теории, подтвержденной экспериментами Герца и многих других.

Между этими двумя идеями есть противоречие. Наш опыт говорит, что видимая скорость любого объекта изменится, если вы сами находитесь в движении. Ахилл догонит черепаху и даже обгонит ее. Почему с лучами света должно быть по-другому?

Эйнштейн разрешил это противоречие. Критически проанализировав действия, которые требуются для синхронизации часов, находящихся в различных местах, и то, как процесс синхронизации изменяется при общем движении с постоянной скоростью, Эйнштейн вскоре понял, что «время», приписываемое некоторому событию двигающимся наблюдателем, отличается от «времени», которое замечает фиксированный наблюдатель, причем различие зависит от места самого события. При описании событий, которые они наблюдают совместно, время, измеряемое одним наблюдателем, оказывается смешением пространства и времени другого, и наоборот. Как раз эта «относительность» пространства и времени была новшеством специальной теории относительности Эйнштейна. Оба допущения, которые легли в ее основу, были хорошо известны и общепризнаны до его работы, но никто не воспринимал их оба достаточно серьезно, чтобы потребовать их согласования и провести его.

Поскольку в уравнениях Максвелла содержится скорость света, второе допущение специальной теории относительности – о том, что скорость света инвариантна относительно преобразований Галилея, – прямо следует из основного мотива Эйнштейна – необходимости сохранить как уравнения Максвелла, так и галилееву симметрию. Но это намного более слабое допущение.

На самом деле Эйнштейн сумел полностью изменить порядок аргументации, показав, что можно вывести всю систему четырех уравнений Максвелла из одного из них, применив преобразования Галилея, чтобы восстановить общий случай. (Приведя заряд в движение, вы получаете токи, а приведя в движение электрические поля, вы получаете магнитные поля. Следовательно, закон, управляющий созданием электрических полей неподвижными электрическими зарядами, после галилеевых преобразований дает общий случай[65].) Этот потрясающий трюк нес в себе предчувствие будущего. Симметрия, а не дедукция из известных законов, стала основным принципом и начала свою собственную жизнь. Теперь можно было ограничивать еще неизвестные законы, требуя от них симметрии.