Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

реальном существовании атомов или абстрактной связи между материей и формой, они никакого понятия не имели о том, почему происходят землетрясения или откуда берется молния, не говоря уже о таких астрономических явлениях, как фазы Луны или периодические появления комет, – хотя они пытались это понять.

Со времен древних греков мы прошли большой путь, однако есть еще многое, что нам предстоит понять и объяснить. Физика, о которой я расскажу в этой книге, – это в основном то, в чем мы уверены. Я все время буду пояснять, почему мы в этом уверены, и отмечать то, что еще требует уточнения. Естественно, я понимаю, что в какой-то своей части эта книга скоро устареет. Действительно, может случиться, что на следующий день после ее публикации будет сделано какое-нибудь открытие, которое заставит нас отчасти пересмотреть свои идеи. Но такова уж природа науки. В основном же все, о чем идет речь в книге, описывает мир таким, как он есть, и это уже, несомненно, установлено.

В следующей главе я исследую понятие масштаба. Ни одна наука не обращается так смело, как физика, с таким диапазоном масштабов, параметров времени и энергий, от мельчайшего мира квантов до огромного космоса или от мига до вечности.

После того как мы получим некоторое представление о масштабе явлений, с которыми имеет дело физика, мы пустимся в настоящий путь, начав с трех столпов современной физики: теории относительности, квантовой механики и термодинамики. Чтобы нарисовать картину мира, которую мы получили с помощью физики, мы должны сначала приготовить холст – а в данном случае это пространство и время. Все во Вселенной берет начало из событий, которые происходят где-то в пространстве в определенный момент времени. Однако, как мы увидим в главе 3, нельзя отделить холст от картины. Пространство и время сами по себе являются нераздельной частью реальности. Вы будете поражены, когда узнаете, насколько понимание пространства и времени у физиков отличается от обычного, бытового их понимания, поскольку оно опирается на общую теорию относительности Эйнштейна, которая описывает природу пространства и времени и определяет, как мы представляем себе космическую ткань. Когда готов холст, можно переходить к краскам. В главе 4 я расскажу, что имеет в виду физик под материей и энергией, основными элементами Вселенной; из чего они состоят, как они создаются и как себя ведут. Эта глава дополняет предыдущую, поскольку здесь речь пойдет и о том, как материя и энергия неразрывно связаны с пространством и временем, в которых они существуют.

В главе 5 мы погружаемся в мир чрезвычайно малого, подвергая его многократному увеличению, чтобы исследовать фундаментальные структурные элементы материи. Это квантовый мир, в котором материя ведет себя совершенно не так, как в нашей обыденной жизни, а наше понимание реально существующего становится не совсем однозначным. И все же… то, как мы понимаем квант, – это нечто гораздо большее, чем взлет воображения или просто интеллектуальная абстракция; без определенного знания законов, действующих для структурных элементов материи и энергии, мы не смогли бы построить современный высокотехнологичный мир.

В главе 6 мы снова уберем увеличение, оставим квантовый мир и посмотрим, что получится, если соединить много частиц в единое целое, формируя более крупные и сложные системы. Что имеют в виду физики, когда говорят о порядке, беспорядочности, сложности, энтропии и хаосе? Здесь я познакомлю вас с третьим столпом физики – термодинамикой, которая занимается исследованием тепла, энергии и свойств массивов материи. Перед нами неизбежно встанет вопрос: что же делает особенной жизнь как таковую? Чем живая материя так отличается от неживой? В конце концов, жизнь должна подчиняться тем же законам, что и все остальное. Другими словами, может ли физика помочь нам понять разницу между химией и биологией?

В главе 7 я исследую одно из самых сложных физических понятий – унификацию. Оно связано с тем, как мы искали и неоднократно находили универсальные законы, которые объединяют на первый взгляд несовместимые явления природы в рамках единой универсальной теории. В заключение этой главы я дам обзор первых попыток создания всеобъемлющей физической теории всего.

В главе 8 мы доберемся до границ того, что мы сейчас понимаем о физической Вселенной, и сможем наконец обратить свой взор на неизведанное. Я расскажу о некоторых тайнах физической Вселенной, над которыми сейчас бьются физики в разных странах мира, и о том, насколько мы близки к их раскрытию.

Предпоследняя глава посвящена тому, как взаимодействие теории и практики в физике привело к возникновению технологий, которыми мы активно пользуемся сегодня. Например, без квантовой механики мы не смогли бы понять работу полупроводников или изобрести силиконовый чип, на котором основана вся современная электроника, а я бы не печатал эти слова на своем ноутбуке. Я также попробую предсказать, как современные исследования в области квантовых технологий могут самым неожиданным образом революционизировать мир.

В последней главе я исследую понятие научной истины, особенно в нашем обществе «постправды», когда многие относятся к науке с подозрением. Как процесс научного исследования отличается от прочих видов человеческой деятельности? Есть ли такая вещь, как абсолютная научная истина? И если задача науки заключается в том, чтобы прояснить картину окружающего мира, то как ученым убедить остальных членов общества в ценности научного поиска, состоящего в формировании и проверке, а также отказе от гипотез, если данные их не подтверждают? Придет ли науке конец в один прекрасный день, когда мы узнаем все, что можно узнать? Или поиск ответов и далее будет заставлять нас работать над все более широким кругом проблем?

Во введении я обещал вам, что постараюсь не увлекаться философскими размышлениями, и все-таки именно этим я сейчас занимаюсь, а ведь я даже не завершил еще введение. Так что сейчас я сделаю глубокий вдох, и мы отправимся в путь, соблюдая всяческую осторожность и учитывая необходимый масштаб явлений.

Глава 2. Масштаб

В отличие от философии, логики и чистой математики физика является наукой одновременно эмпирической и количественной[5]. Она основывается на тестировании и верификации научных идей посредством воспроизводимых наблюдений, измерений и экспериментов. Хотя физики могут периодически выдвигать экзотические и диковинные математические теории, их подлинная эффективность и потенциал определяются тем, в какой мере они описывают явления реального