Слабые взаимодействия обнаруживаются только при процессах радиоактивного распада. Сильные взаимодействия проявляются только в атомном ядре. В 60-е годы прошлого века Абдус Салаам и Стивен Вайнберг объединили теории слабых взаимодействий и электромагнетизма, что привело к пониманию их как одной силы. В 70-е годы другим физикам удалось показать, что сильные взаимодействия также могут рассматриваться как вариации этого нового "электро-слабого взаимодействия". Таким образом, в этой картине появился новый порядок - но на самом деле все, что совершили физики - это вписали две вновь открытые силы в систему уже существующих. Эту картину вполне можно было бы считать Великим Объединением - но в ней все еще отсутствует критически важная часть, а без нее окончательное объединение будет невозможным. И эта отсутствующая часть - гравитация.
В 80-е годы появилась теория об образованиях, которые получили название "суперструны". Она вызвала большой интерес, так как впервые появились основания надеяться, что удастся объединить гравитацию (теория относительности Эйнштейна) и теории электромагнетизма, а также сильные и слабые взаимодействия (ядерная физика и физика частиц). Суперструны включают в себя крошечные вибрирующие элементы, которые выступают в качестве строительных кирпичиков для всей материи Вселенной. Но это Третье Великое объединение оказалось дорогой, идти по которой было очень сложно - и в любом случае гораздо менее интересно, чем следовать первым двум объединенным теориям.
Великий вклад Исаака Ньютона заключался в том, что ему в конечном итоге удалось объединить землю и небеса; вклад Максвелла состоял в том, что он объединил такие повседневные явления, как магнетизм, электричество и свет. Теория суперструн, однако, не имеет ничего общего с нашей повседневной жизнью: она действует в экстремальных и странных для нас условиях, которые не являются обычными - и эти условия настолько далеки от возможностей современной физики, что не стоит в скором будущем ожидать каких-либо экспериментов в этой области.
Сегодня, несмотря на громадные суммы, которые тратятся на сложные устройства - к примеру, Европейской организацией ядерных исследований неподалеку от Женевы - никто на самом деле не верит, что Третье Великое объединение - теория, которая сможет объединить все силы природы - состоится в обозримом будущем. Можно много говорить о том, что её создание уже не за горами, но как показывает теория суперструн, даже если она появится, возможно, она не сможет сообщить нам много нового в дополнение к тому, что мы уже используем в своей повседневной жизни. И это весьма разочаровывает.
Тем не менее в 80-е годы прошлого века был сделан целый ряд драматических и удивительных прорывов, которые увели физику прочь от тех тенденций, которые доминировали в ней в течение 20 столетия.
На протяжении большей части прошлого века физики уходили все дальше от нашей повседневной жизни, от явлений, которые мы можем наблюдать собственными глазами. Все большие и большие ускорители, и все более сложные аппараты создавались для изучения причудливых эффектов, которые, по уверениям физиков, могу пролить свет на то, каким образом можно объединить теорию гравитации с теориями, разработанными на атомном уровне. Пока успеха не достигнуто.
В 80-е годы прошлого века целый ряд новых теорий - теория хаоса, фракталов, теория самоорганизации и теория сложности - снова позволили осветить нашу повседневную жизнь. Физики могут понять множество мелких деталей, проводя эксперименты на дорогостоящих исследовательских площадках - но они вряд ли смогут объяснить обычные явления; наука сегодня испытывает проблемы с тем, чтобы ответить на вопросы, подобные тем, которые задают дети - вопросы о форме, в которой предстает перед нами природа, о деревьях, облаках, горных хребтах и цветах.
Теории хаоса и фракталов привлекли большой интерес, так как в них содержатся совершенно новые взгляды, и они несут в себе полностью новые эстетические формы, особенно если говорить о фракталах в компьютерной графике.
Но фактически самым интересным аспектом этих новых направлений является то, что в них содержится серия важных концептуальных инноваций, которые могут нас привести к Третьему Великому объединению. Правда, это будет не теория, которая объединяет гравитацию и теорию атома, а соединение науки и повседневной жизни. Теория, которая с одинаковым успехом сможет объяснить возникновение Вселенной и повседневного сознания, теория, которая объяснит, каким образом концепция смысла, к примеру, соотносится с концепцией черных дыр.
Подобное объединение по своей важности легко будет соответствовать тому, что сделали Ньютон и Максвелл. Есть множество указаний на то, что так и будет. И все это благодаря задаче, которая была решена в 1980-е годы. Эта задача была предложена Джеймсом Кларком Максвеллом в 1867 году - задача демона Максвелла.
"Призрак бродит по науке - призрак информации". Этими словами, намекающими на "Коммунистический манифест", физик Войцех Зурек открыл в 1988 году встречу в Санта Фе, Мексика. На этой встрече собрались 40 ведущих мировых физиков и несколько математиков, чтобы обсудить "Сложность, Энтропию и Физику информации".
Зурек говорил о ряде "глубоких аналогий" между очень различными полюсами физики - и между физикой и каждодневной жизнью. Аналогии между тем, как работает паровой двигатель, и теорией коммуникации, между измерением атомных явлений и теорией познания, между черными дырами Вселенной и уровне беспорядка в чайной чашке, между вычислениями в компьютере и основами математики, между сложностью биологических систем и расширением Вселенной.
Когда тот же состав физиков снова собрался на следующую конференцию двумя годами спустя, 79-летний американский физик Джон А. Вилер открыл собрание. В 1939 году Вилер создавал теорию расщепления ядра с Нильсом Бором. Именно Вилер дал название самому странному феномену эйнштейновской теории гравитации - черным дырам. Вилер, которому нравилось играть роль пророка, был большим специалистом во многих областях физики, которые обсуждались на встрече.
Сначала низенький кругленький человечек с приятным, постоянно счастливым лицом прошел через небольшую, но исключительно квалифицированную группу ученых, собравшихся в аудитории института Санта Фе 16 апреля 1990 года. Затем он заговорил: "Это не просто еще одна встреча. К концу недели я ожидаю, что мы сможем узнать, каким образом сложена Вселенная".
Затем Вилер перешел к тому, что поставил под сомнение несколько "священных коров" физики. "Не существует пространства, и не существует времени," - сказал он, начиная свою атаку на концепцию реальности. - "Там" нет никакого "там"…
"Идея одной Вселенной нелепа: Мир. Мы все являемся участниками и наблюдателями во Вселенной - и это чудо, что у нас формируется одинаковый взгляд на нее. Но к концу недели мы можем понять, каким образом создать все это из ничего", - сказал Вилер небольшой группе ученых.
С этим согласились не все. Та неделя не изменила нашего взгляда на Вселенную, но у всех появилось ощущение, что пришло время еще раз все обдумать. Ведущие ученые создали документы, в которых были тщательно проверены все фундаментальные идеи физики.
"Я хочу поговорить о том, о чем не говорится в учебниках, - объяснил Эдвин Т. Джейнс, еще один американский ученый-коротышка, который в 50-е годы сформулировал новые теоретические описания термодинамики, теорию, которая заложила основы энтропии и информации - центральных вопросов конференции 1990 года. - Или, возможно, говорится - в том смысле, что все формулы в учебниках есть, но они ничего не говорят нам о том, что означают эти формулы, - сказал Джейнс. - Математика, которую я намерен использовать, намного проще, чем то, на что все мы способны. Но проблемы носят не математический, а концептуальный характер".
Во время перерыва Томас Кавер, математик из Стэнфордского университета, спросил: "Все встречи физиков такие, как эта? Это же как съесть конфетку!"
На самом деле эта встреча была исключением. Подобные открытые встречи действительно случаются редко. Здесь можно было услышать тот же вопрос, который создавал вам проблемы с учителями в школе: "Что это значит? Как это понимать?". Здесь можно было слышать, как лучшие умы восклицают: "С чего бы моему автомобилю интересоваться тем, что я знаю о мире?"
Казалось, что физика получила новое рождение. И все это из-за первой серьезной темы, которая была поднята, когда Вилер задал тон всей встрече: демон Максвелла.
Тепло. Если человечество и располагает знаниями о чем-то, то это о тепле. Тепло тела. Летнее тепло. Нагреватели. Но до середины 19 века физики не могли дать точное определение, что же такое тепло. В Древней Греции Аристотель определял огонь как независимый и необъяснимый элемент, как и воздух, земля и вода, и тепло как одно из неотъемлемых качеств, комбинация которых определяет эти элементы.
В начале 1800-х годов превалировали сходные с этой идеи: тепло рассматривалось как особая субстанция, термическая материя, тепло, которое окружает все тела. Но точное определение того, что такое тепло, стало настоятельной потребностью после того, как Джеймс Ватт изобрел новый эффективный паровой двигатель в 1769 году, что не только привело к возможности индустриализации, но и породило многочисленные дискуссии относительно машин на основе бесконечного движения. По мере того как паровой двигатель продвигался по Европе, ученым попросту пришлось прийти к пониманию термодинамики.
Первый решительный вклад был сделан в 1824 году французом Сади Карно, который под влиянием скорее всего своего отца Лазаря Карно, имевшего опыт в сфере инженерии тепловых машин, а не в результате знания физических теорий, сформулировал описания паровых двигателей, которые десятилетиями позже стали описаниями первого и второго законов термодинамики.
Первый закон термодинамики касается общего количества энергии в мире. Это количество является постоянным. Энергия не появляется и не исчезает, когда мы ее "потребляем". Мы можем конвертировать энергию угля в горячий пар или нефти в тепло - но задействованная при этом энергия просто переходит из одной формы в другую.
Это входит в противоречие с повседневным значением слова "энергия", которое мы применяем по отношению к тому, что мы потребляем. Мы говорим: "Страна имеет определенный уровень энергопотребления". Но на самом деле это не имеет смысла, если брать во внимание определение энергии, которое дают физики. Страна переводит одну форму энергии в другую. Нефть в тепло, к примеру. Но общее количество энергии остается неизменным.
Однако наш повседневный язык вовсе не настолько глуп, так как очевидно: когда мы обогреваем свои дома, нечто все же расходуется - вернуть обратно нефть нам не удастся.
Так что, когда мы "потребляем" энергию, что-то все же происходит, даже если первый закон термодинамики и утверждает: количество энергии в мире - величина постоянная, и энергия не может быть использована. Ведь второй закон термодинамики объясняет, что энергия может быть использована.
Второй закон термодинамики говорит нам, что энергия может появляться в более или менее пригодной для использования форме. Некоторые формы энергии позволяют нам проделать огромное количество полезной работы с помощью машины, которая может иметь к ней доступ. Мы можем выполнять такие виды работы, как обогревание жилища, обеспечение энергии для движения поезда или работы пылесоса.
Энергия существует во многих формах, и несмотря на то, что количество этой энергии остается постоянным, формы, в которых она представлена, определенно не остаются таковыми. Некоторые формы энергии могут применяться для выполнения различных видов полезных работ. Одна из наиболее полезных форм энергии - это электричество. Другие формы не могут быть использованы с такой же легкость. К примеру, тепло, как правило, не применяется для чего-либо за исключением обогрева.
Но, разумеется, тепло можно применять и для решения более специфических задач, нежели просто "обогрев". Тепло может служить в качестве движущей силы парового локомотива. Но снабжать локомотив энергией за счет тепла будет не столь же эффективно, как используя электричество в качестве источники энергии. Если применять тепло, то требуется большее количество энергии, причем эта энергия будет отличаться низким качеством.
Паровые двигатели заставили людей осознать, что энергия может присутствовать и при этом не быть доступной. Тепло - это форма энергии, которая не отличается столь же высокой доступностью, как электричество. Чтобы заставить поезда двигаться, нам потребуется конвертировать большее количество тепловой энергии. Мы не потребляем при этом больше энергии, так как потребить энергию невозможно, что бы мы ни делали и ни говорили. Но при использовании энергии в форме тепла тратится понапрасну гораздо большая ее часть, нежели при использовании ее в форме электричества. Другими словами, конвертируется больше энергии.
Очень точно это описывает второй закон термодинамики. Он говорит нам, что каждый раз, когда мы конвертируем энергию ("потребляем" энергию, как мы привыкли говорить), она становится менее доступной - с ее помощью мы можем сделать меньше работы. Дело обстоит именно так, говорит нам второй закон: любая конверсия энергии приводит к тому, что энергия становится менее доступной, чем была до этого. (Есть несколько очень специфических случаев, когда энергия может быть конвертирована с возможностью обратной конверсии, но их можно встретить в основном в учебниках, а не в обычной жизни).
Энергия в мире - величина постоянная, но она становится все менее и менее ценной - менее и менее доступной - по мере того, как мы ее используем все больше и больше.
Итак, законы термодинамики утверждают, что энергия - это постоянная величина, но она становится все менее и менее доступной. В конце 19 века эти два закона привели к тому, что люди начали верить: мир ожидает зловещее будущее. Ведь чем больше энергии мы конвертируем, тем менее доступной она становится, и в конце концов вся энергия превратится в тепловую - наименее доступную из всех форм.
Люди назвали это "тепловой смертью" Вселенной: вся энергия в конце концов превратится в нечто однородное и едва теплое, и из подобной энергии уже нельзя будет извлечь никакой пользы.
Практика использования паровых двигателей ясно показывает, что тепло можно использовать для выполнения работы только в том случае, если присутствует разница - разница между двумя температурами. Только потому, что бойлер парового двигателя значительно горячее, чем окружающая температура, он может привести поезд в движение. Полезную работу за счет использования тепла можно получить только в том случае, если горячее удастся снова охладить. Но когда мы охлаждаем что-то горячее до температуры окружающей среды, это неминуемо будет иметь последствия: мы не сможем разогреть это снова без использования энергии. Как только ваш кофе остывает (после того, как вы нагрели его с помощью электричества, на котором работает ваша плитка), оно никогда не нагреется снова само по себе (пока вы снова не включите электричество). Разница в уровне температур уничтожается необратимо.
Таким образом, второй закон термодинамики говорит нам, что мы живем в мире, где все стремится к подобию, однородности, серости и умеренной температуре - к тепловой смерти Вселенной. Если бы дело обстояло не так, профессия инженера была бы гораздо более счастливой. В конце концов, в мире предостаточно энергии, и она никуда не исчезает. Мы могли бы снова и снова использовать одну и ту же энергию. Мы могли бы без всякого промедления создать машины на принципе вечного движения. Но извините, так не получится. Это говорит нам второй закон термодинамики.
В 1859 году прусский физик Рудольф Клаузевиц дал этому явлению название - энтропия. Энтропия - это мера, определяющая количество доступной энергии. Чем больше энтропия, тем меньше энергии мы можем использовать. Два закона термодинамики можно выразить другим способом: согласно первому закону, энергия постоянна, а согласно второму - энтропия постоянно возрастает. Каждый раз, когда мы конвертируем энергию, энтропия системы, в которой конвертируется энергия, растет.
Но это так и не объясняет, что же такое на самом деле тепло - зато частично объясняет то, почему тепло является настолько особенной формой энергии: в тепле много энтропии, намного больше, чем в электрическом токе.
Но вскоре развилось и понимание того, что такое тепло. Самый значительный вклад в это внесли Джеймс Кларк Максвелл и Людвиг Больцман. Они осознали, что старая идея может быть сформулирована более точно: идея о том, что тепло является одной из форм движения внутри материи. Предпосылкой для этого стала теория атомов - идея о том, что материя состоит из огромного числа крошечных частиц, которые находятся в постоянном движении.
Атомная теория в конце прошлого века не была еще признана повсеместно - но сегодня ясно, что вся материя состоит из атомов, которые находятся в постоянном движении. Атомы объединяются в небольшие группы - молекулы, и каждый вид материи состоит из определенного типа молекул, созданных из различного числа существующих 92 видов атомов. Но существуют различные виды движения. Твердые тела поддерживают постоянную форму, несмотря на то, что их молекулы находятся в движении; жидкости более податливы и принимают форму дна того сосуда, в котором они находятся; газы полностью мобильны, заполняя весь контейнер. Существуют три состояния, или фазы, в которых может находиться материя: твердое, жидкое и газообразное. (На самом деле есть еще и четвертое состояние - плазма, в котором атомы разбиваются на частицы. В повседневной жизни это состояние материи знакомо нам в качестве огня).
Разница между этими тремя состояниями не настолько велика, как можно было бы подумать. На примере одного вещества, H2O (которое состоит из атома кислорода - О- и атомов водорода - Н -, последних содержится два на молекулу) мы знакомы со всеми тремя состояниями вещества: лед, вода и пар. При низких температурах молекулы передвигаются очень медленно. Структура поддерживается в постоянной форме. Если температура немного повышается, молекулы начинают двигаться быстрее и могут меняться местами друг с другом, но они все еще держатся вместе. При температуре выше 100 градусов Цельсия все молекулы разделяются и начинают свободно перемещаться в форме пара - как газ. Переход между этими тремя состояниями или фазами носит название "фазовый переход". При всех движениях, которые совершаются при повышении тепла, молекулы движутся хаотично, туда-сюда. Движение, вызванное выделением тепла, не имеет направления.
Но тепло - это не единственная форма движения материи: электрический ток также является проявлением движения. Но в случае электричества не все молекулы движутся беспорядочно. У электрического тока имеется одна составляющая атомов молекулы - отрицательно заряженный электрон - который движется в определенном направлении. При возникновении электрического тока наблюдается больше порядка, чем при хаотическом тепловом движении. Аналогично атмосферный ветер является иным, нежели тепло, проявлением: огромное количество молекул движется в определенном направлении, вместо того, чтобы просто топтаться на месте друг вокруг друга. Вот почему ветряные мельницы являются разумным способом производства электричества, в то время как атомные и работающие на нефти электростанции не столь элегантны - ведь на них применяется топливо, которое нагревает воду, движущую турбины. Обходной путь с использованием горячей воды - это высокая цена, которую приходится платить за излюбленные игрушки инженеров.