Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Мы, люди, балансируем между Микромиром и Макромиром, содержим в себе первый, воспринимаем второй и постигаем оба.

С небес на землю

Когда я завершал эту книгу, произошло неприятное событие, которое вернуло меня с небес на землю. Мой ноутбук, который был для меня почти как придаток мозга, был украден. Я был опустошен.

Но затем произошло чудо. У меня была резервная копия всех моих данных, и через несколько дней у меня был новый ноутбук со всеми восстановленными данными – изображениями, словами, расчетами, музыкой и т. д. Все это было закодировано в виде чисел – в строках нулей и единиц – настолько точно, что их можно было восстановить без ощутимой разницы. Мне пришло в голову, что едва ли можно желать более материальной, прямой и впечатляющей демонстрации истинности утверждения Пифагора:

Все вещи суть числа.

Это красивая реальность, за которую я приносил – и приношу – благодарность.

Дополнительность как мудрость

По-твоему, я противоречу себе?

Ну что же, значит, я противоречу себе.

Я широк, я вмещаю в себе множество разных людей.

Уолт Уитмен. Листья травы

Илл. 42. Герб, придуманный Нильсом Бором

Наше исследование Природы показало нам множество новых перспектив. Нелегко согласовать их с каждодневным опытом, так же как и друг с другом. В результате погружения в квантовый мир, где противоречие и истина близко соседствуют друг с другом, Нильс Бор извлек урок дополнительности: ни один из взглядов не исчерпывает действительность; различные точки зрения могут быть ценными, хотя и взаимоисключающими.

Знак инь-ян – подходящий символ для взаимодополнительности, и он был принят в этом качестве Бором. Две его стороны равны, но они разные; каждая содержит другую и содержится в другой. Возможно, не случайно Нильс Бор был очень счастливо женат.

Будучи понятой, дополнительность – это мудрость, которую мы открываем вновь и подтверждаем как в материальном мире, так и вне его. Это мудрость, которую я постиг и предлагаю вам. Давайте рассмотрим некоторые взаимно дополнительные пары:

Упрощение и Изобилие

• Основные строительные блоки Природы немногочисленны и очень просты, их свойства полностью определяются уравнениями высокой степени симметрии.

• Мир объектов обширен, бесконечно разнообразен и неистощим.

Более глубокое понимание основ не может отменить богатство опыта. Оно может освещать и освещает опыт новым светом, что дает нам возможность обогащать его дальше.

Один мир и Многие миры

• Мозг одного человека – минимальное вместилище человеческого мышления. Он располагается внутри отдельной черепной коробки индивидуального живого тела здесь, на планете Земля. Большинство людей большую часть времени – когда они не философствуют и не занимаются астрономией – размышляют о событиях, которые происходят в маленькой области пространства вблизи поверхности Земли. Именно здесь вершится история человечества – великие войны, великое искусство и миллиарды захватывающих «обычных» жизней.

• Если смотреть на нее даже из ближнего космоса, Земля – это просто крошечное пятнышко отраженного света (илл. 43).

Недавние успехи в космологии позволяют думать, что часть Вселенной, которую мы можем в настоящее время исследовать даже самыми мощными инструментами, является всего лишь небольшой частью мультивселенной, далекие части которой могли бы выглядеть совершенно иначе. Если бы это стало точно известно, это подкрепило бы мысль, которая уже неоднократно звучала прежде: «мир», данный в ощущениях каждого человека, – лишь один из миллиардов таких же (по одному на человека по крайней мере); Земля – лишь одна из планет нашего Солнца; наше Солнце – лишь одна из миллиардов звезд в нашей Галактике по имени Млечный Путь; наша Галактика – лишь одна из миллиардов в видимой Вселенной.

Существование окружающей необъятности не умаляет меня, вас или человечество в целом. Оно может окрылять и окрыляет наше воображение.

Илл. 43. Земля, как она видна с Марса

Объект и Человек

• Я и вы – это набор кварков, глюонов, электронов и фотонов.

• Я и вы – это думающие люди.

Определенный и Свободный

• Я и вы – это материальный объект, подчиняющийся законам физики.

• Я и вы – мы способны делать выбор. Я и вы – мы ответственны за него.

Преходящее и Вечное

• Состояние мира – в вечном движении, и любой объект в нем подвержен изменениям.

• Понятия существуют вне времени, и, поскольку все вещи суть числа, они избавляют нас от его влияния.

На переднем крае физики и космологии эта дополнительность играет очень важную роль. В настоящее время мы делаем непростое разделение между законами физики и начальными условиями, которое должно быть преодолено. Понимание мира любым конечным наблюдателем развивается, но пространство – время в целом, которое является самой естественной ареной для описания мира, этого не делает. Квантово-механическая волновая функция системы в целом может быть постоянной во времени, в то время как ее части, рассматриваемые отдельно, испытывают относительные изменения. (Для экспертов: это регулярно происходит для энергетических собственных функций сложных систем.) Что-то вроде этого вполне могло бы быть верным и для мира в целом. Изменение без изменения, великий и плодотворный принцип симметрии, был бы тогда полностью воплощен, как парадоксально настаивал Парменид:

Одна история, одна дорога теперь

Осталась: вот эта. И на ней есть знаки

Во множестве, что бытие – это несотворенное и неразрушимое

Целое, единое и непоколебимое, и завершенное.

Заключительная взаимодополняющая пара завершает нашу медитацию:

Красивое и Некрасивое

• Материальный мир воплощает красоту.

• Материальный мир вмещает нищету, страдания и раздор.

Размышляя о любом аспекте, мы не должны забывать о другом.

Благодарности

Семя этого проекта было посажено в 2010 г., когда я принял предложение Дарвиновского колледжа в Кембридже прочитать лекцию о квантовой красоте. Я бы хотел поблагодарить Кристофера Джонсона и компанию 3Play Media за подготовку чрезвычайно полезной расшифровки этой лекции, а Зоуи Лейнхардт, Филипа Дэвида и в особенности Лорен Аррингтон за их предложения и помощь в подготовке лекции в качестве главы для коллекции Beauty.

Я бы хотел поблагодарить взрастившего мою книгу из семени Джона Брокмана, который постоянно поощрял меня развивать и расширять идеи, выраженные здесь, и привлек к ним внимание издательства Penguin Press.

Скотт Мойерс и Мэлли Андерсон из Penguin Press были моими помощниками с самого начала, обеспечивая мудрое сочетание энтузиазма, конструктивной критики и творческих идей, которые вдохновляли меня писать больше и переписывать уже готовое. Мэлли хладнокровно провела проект через последние стадии, доведя его до совершенства. Я также благодарен художникам и техническому персоналу Penguin Press за их профессионализм и готовность посвятить себя идеалу создания прекрасного проекта.

Ал Шейпир сделал полезные комментарии по первым черновикам.

Моя жена и подруга жизни Бетси Дивайн прочитала всё и высказала много предложений, сделавших язык книги более прямым и сильным. Она также предложила и отстояла идею создания словаря терминов; без ее вмешательства этого раздела в его нынешнем виде просто не было бы. Бетси оказала поддержку и провела меня через все взлеты и падения, которые неизбежны в таком большом предприятии, как написание подобной книги.

Я благодарен моему родному Массачусетскому технологическому институту за надежную поддержку, которая сделала эту авантюру возможной, а также Университету штата Аризона за поддержку на завершающей стадии. Самая важная часть книги была написана во время моей поездки в Китай, особенно – во время волшебной недели на Западном озере. Влияние этой недели можно почувствовать во многих местах, начиная с фронтисписа. Я бы хотел поблагодарить Винсента Лю, Бяо У и Сюн Хунвэя за организацию этой поездки.

Хронология

I: Доквантовая физика

Ок. 525 г. до н. э. Пифагор (570–495 гг. до н. э.) разрабатывает численные законы геометрии и музыкальной гармонии.

Ок. 369 г. до н. э. Друг Платона (429–347 гг. до н. э.) Теэтет разрабатывает теорию правильных платоновых многогранников.