...
В предыдущей главе мы обсуждали тайну человека, который, согласно светскому, секулярному подходу, был создан самой природой, без всяких внешних причин. В этой главе мы будем говорить о мире, в котором еще не было человека. И согласно Торе, и согласно науке, в начальную, достаточно продолжительную эпоху существования мира в нем не было ни человека, ни животных, ни растений – только неодушевленная материя. И сейчас неодушевленные предметы составляют бóльшую часть мира, и ни о какой жизни вне земного шара нам на самом деле ничего не известно. В этой главе мы сосредоточимся на первичной материи, из которой произошло все материальное, включая человеческое тело, будем обсуждать природу и ее законы. Однако следует понять, что цели этой главы, а также других частей книги очень определенны: они должны дать материал для продолжающегося обсуждения секуляризма, к которому мы возвращаемся, подводя итоги каждого раздела.
Область человеческого знания, описывающая, объясняющая и анализирующая законы природы и их следствия, – это наука, или, более точно, физика . Само слово физика впервые встречается у древнегреческого философа Аристотеля. Аристотель, живший в Древней Греции в 384–322 годах до н. э., много занимался проблемой движения. Надо сказать, что в те времена Греция считалась центром философии и математики. Без преувеличения можно утверждать, что во время зарождения современной науки, в XVI веке, уровень знаний о математике и о природе был более или менее таким же, как в Древней Греции. Так, Галилей, родившийся в 1564 году и считающийся пионером современной науки, изучал математику и естественные науки по сочинениям Евклида и Архимеда. Аристотель написал множество философских сочинений (тогда философия и наука не разделялись), которые оказали влияние на множество последующих поколений, в особенности в Средние века. Одна из его книг носила название " Физика" . Так родилось слово, означающее науку о материи.
Характерной чертой современной физики и вообще современной науки является тесная связь с опытом. Научные теории отбираются и провераются по принципу соответствия экспериментальным данным, что определяет их количественный характер. Поэтому научные теории, и в особенности физика, формулируются и выражаются на языке математики . Обычные человеческие языки – иврит, английский или французский не в состоянии выразить законы природы и описать различные ее явления.
Многие математические понятия уже проникли в наш язык, даже если мы не всегда осознаем это. Существуют примитивные языки, располагающие только понятиями один , два и много . Ясно, что такие языки не способны выразить сложные взаимосвязи между определенными группами предметов. Так, на примитивном языке как будто бы возможно сформулировать сообщение о том, что овец в одном стаде больше, чем в другом, однако уже нельзя сказать, что в первом стаде тридцать четыре овцы, на три больше, чем во втором. Иными словами, математические символы вошли в язык, чтобы дать возможность описывать сложные взаимосвязи, не поддающиеся описанию другими способами . Язык, располагающий арифметикой, словами для обозначения натуральных чисел, богаче того, в котором этих символов нет.
В общем, можно сказать, что для более глубокого понимания природы требуется более богатый язык. Без сомнения, современная наука смогла достичь очень глубокого понимания материальной реальности. Физические теории описывают разные стороны реальности настолько сложным образом, что необразованные люди совершенно не могут понять этих описаний, в точности так же, как говорящие на примитивном языке не могут воспринять информацию, передаваемую на языке, который включает в себя арифметику. А современный язык, содержащий современную математику, плод многотысячелетнего ее развития, способен описать гораздо более сложную и изощренную реальность, чем обычные, бедные языки, в которых нет средств для передачи современных математических описаний.
Здесь и скрыто различие – язык, на котором мы говорим, уже давно содержит в себе и арифметику, и другие математические понятия. Мы привыкли к этому и уже не обращаем на это внимания. С другой стороны, современная математика не вошла в разговорный язык, оставшись достоянием очень узкого слоя ученых и математиков. Но это не отменяет того факта, что математика составляет часть человеческого языка вообще, даже если большинство пока что не понимает ее.
В свете вышесказанного можно понять, почему так трудно объяснить строение природы и ее развитие. Самое близкое к истине описание, которое предоставляет современная физика, можно выразить лишь на математическом языке, которым физика пользуется. И все же возможно выделить несколько характерных свойств природы и ее законов. Для того чтобы сформулировать законы природы, физика использует определенные математические символы, которые, как правило, невозможно перевести на обычный язык. Однако у науки есть одно важное свойство: непременно должна быть связь между этими символами и результатами эксперимента. Как уже говорилось, наука характеризуется тем, что ее теоретические выводы всегда можно проверить экспериментально. Например, наука может предсказать, что в будущем в такой-то день состоится солнечное затмение. Ясно, что это предсказание можно будет проверить только тогда, когда наступит указанная дата.
Физика описывает законы природы через математические уравнения. Эти уравнения раскрывают характер законов природы: они относятся ко всем физическим телам, действуют везде в мире, и именно они определяют, как мир будет изменяться во времени. Физические тела и системы изменяются с течением времени согласно установлениям закона, но сам закон не изменяется и не зависит от времени и от расположения предмета в пространстве.
...
Начальные условия
Вот еще один важный аспект физического закона. У математического уравнения, выражающего этот закон, есть несколько, в сущности, бесконечно много решений. Как это понять? Уравнение, выражающее закон природы, не определяет исключительно, только лишь оно движение физических тел, движение материи. Обратимся к рис. 1, приведенному в одной из книг Исаака Ньютона. Из точки V запускаются различные физические тела в одном и том же направлении с различными начальными скоростями. После того как тело брошено, оно подвергается воздействию гравитационного поля Земли. Первое тело, брошенное с относительно небольшой скоростью, падает в точке D, наиболее близкой к точке запуска. Второе тело, которое двигалось с большей скоростью, падает в точке Е. Тело, брошенное с еще большей начальной скоростью, долетает до точки F, расположенной дальше всех.
Рис. 1 . Из точки V на земном шаре бросают тела с различной скоростью
...
Интересно, что возможна и настолько большая скорость, при которой тело вообще не упадет на Землю, а станет ее искусственным спутником. С математической точки зрения все эти траектории представляют собой решения математического уравнения, выражающего собой определенный закон природы. Эти траектории определяются не только самим законом природы (математическим уравнением), но и начальными условиями – скоростью и местом запуска. Определенный закон природы, таким образом, охватывает бесконечное количество возможных движений при различных начальных условиях. Законы природы не определяют начальных условий, это может быть сделано только в ходе эксперимента.
Таким образом, бесконечное множество возможных движений – с начальными условиями, характеризующими каждое из них, – определяет один и тот же закон природы и одни и те же выражающие его математические уравнения. Можно сказать, что закон природы – это реальность, не изменяющаяся при переходе от одной траектории к другой, от одних начальных условий к другим. Закон природы есть нечто постоянное – но существует много, бесконечно много возможных траекторий, "подчиняющихся" этому закону. Однако важно понять, что закон природы сохраняется и внутри одной определенной траектории, в каждой траектории. Что я имею в виду? Траектория физического тела представляет собой изменение этого тела во времени – в каждый момент времени оно находится в другом месте и движется с иной скоростью. Состояние тела зависит от времени, но закон природы неизменен – он постоянен и не зависит от времени. Подытоживая, можно сказать, что закон природы постоянен в двух "направлениях": (1) он постоянен в смысле неизменности при переходе от одной траектории к другой; (2) он остается постоянным в процессе изменения физической системы во времени. Система с течением времени изменяется, но закон природы остается неизменным. Можно сформулировать это и так: все физические тела в мире (физические системы) подчиняются одному и тому же закону природы (или одним и тем же законам природы), и этот закон природы не изменяется, а остается неизменным по ходу изменения самой системы.
Физика изучает законы природы в двух различных плоскостях: макроскопической и микроскопической. Макроскопическая действительность нам прекрасно известна. Это – все, что мы видим вокруг: здания, машины, столы и так далее, а также небесные тела, звезды, галактики и тому подобное. Речь идет о достаточно больших скоплениях материи, видных невооруженным глазом. Это – то, что мы можем увидеть и ощутить. Микроскопическую же действителность невозможно увидеть и ощутить, а во многих случаях даже невозможно вообразить. Речь идет об атомах и молекулах, элементарных частицах, таких, как электроны и протоны, а также о субэлементарных структурах – кварках и струнах [6] .
Исторически макроскопические системы стали объектом исследования науки с самого ее зарождения. Более трехсот лет назад Исаак Ньютон сформулировал основные законы механики и теории гравитации, во второй половине XIX века Джеймс Кларк Максвелл открыл и сформулировал теорию электромагнитного поля, а в начале XX века Альберт Эйнштейн завершил специальной и общей теорией относительности великолепное здание классической физики. Тогда же, в начале XX века, выяснилось, что область применимости классической физики ограничена макроскопическими системами, большими массами материи, а для описания микрокосма, микромира (то есть мира атомов и более мелких частиц) требуется иной подход, отличный от классической физики. Так зародилась квантовая физика, в заложение основ которой решающий вклад внес тот же Эйнштейн. Но прежде чем перейти к обсуждению квантовой физики, мы вкратце опишем характер физики классической.
Важнейшей чертой классической физики является ее детерминизм . Это означает, что законы макромира однозначно определяют все будущие изменения физической системы. Кроме того, есть возможность восстановить ее прошлое, при условии, что мы знаем все о системе на некоторый момент времени в настоящем или прошлом. Эти законы выражены в уравнениях классической физики. Различные решения этих уравнений выражают различные движения (с различными начальными условиями) различных физических (макроскопических) тел. Еще одно понятие, относящееся к детерминистскому миру, – это причинность, что означает, что одна и та же причина всегда вызывает одни и те же следствия. Законы природы связывают между собой причину и следствие. Так, например, если бросить камень, это приведет к его падению. Закон природы, связывающий бросание камня с его падением, называется законом тяготения: всякое тело, брошенное вверх, сила гравитации притягивает к земле. Следует отметить, что не раз мыслители прошлого и настоящего приписывали черты законов природы всему, что есть в мире, и утверждали, что мир детерминистичен – все установлено изначально, и что в нашем мире властвует всеобъемлющая причинность – у всего есть причина, и одна и та же причина ведет к одним и тем же следствиям. Однако не стоит забывать, что законы физики – это лишь отражение законов природы – истинных ее законов, управляющих миром; и это отражение остается верным, как правило, лишь приблизительно.
Как уже было сказано, классическая физика не отражает всей истины, она лишь близка к истине. Когда речь заходит о частицах, из которых состоят все материальные тела, эти частицы "подчиняются" квантовым законам, самой заметной чертой которых является как раз отсутствие детерминированности. Это означает, что квантовые законы не определяют однозначно, что будет происходить с квантовой системой в будущем, даже если мы обладаем исчерпывающей информацией о ее состоянии в определенный момент времени. Квантовая теория дает только шансы, вероятности того, что с квантовой системой произойдут те или иные возможные события. Например, если атом находится в возбужденном состоянии (то есть в состоянии с высокой энергией), он способен светиться, или, более точно, испустить фотон, минимальную порцию света. Квантовая теория может предсказать, что рано или поздно этот атом испустит фотон, но не способна сказать, когда это произойдет. Квантовая теория способна предоставить лишь распределение вероятностей того, что испускание фотона произойдет в тот или иной момент. Однако если речь идет об отдельном атоме, эти вероятности лишены смысла – их можно проверить экспериментально лишь на большой группе атомов. Другими словами, между причиной – атомом в возбужденном состоянии и следствием – испусканием фотона имеется связь, но слабая и неоднозначная. Фотон будет испущен, но не существует закона, который определил бы момент его появления. Получается, что предсказания квантовой теории не являются ясными и однозначными.
Теперь сосредоточимся на характере материи, любой материи, с квантовой точки зрения. Классическая физика добилась успеха в описании движения классических тел, но само существование предметов, физических тел, осталось для классической физики загадкой. Только квантовая физика дает последовательное описание материи – твердой, жидкой и газообразной, а также молекул, атомов и элементарных частиц. В наши цели не входит изложение этих теорий, однако стоит обсудить их принципиальные понятия, основные элементы, из которых состоит мир.
Всякое физическое тело состоит из физического поля, или физических полей , и элементарных частиц . Эти сущности совершенно не похожи на то, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни. Здесь я должен добавить несколько слов о терминологии. Выше мы говорили о материи, о материальных телах. Все знают (или думают, что знают), что такое материя. Материя – это камень, стул, стол, органы нашего тела; материя – это все, что можно определить в пространстве (включая жидкости и газы). Материальный предмет можно увидеть, почувствовать, толкнуть его и ощутить толчок от него. А физическое поле – мы будем говорить о нем ниже – это такая физическая реальность, которую обычно нельзя увидеть и ощутить, и она не имеет определенных размеров, а распространяется по всему пространству.
Теперь постараемся понять, что такое физическое поле. Сегодня физика знает различные виды физических полей, однако первой физической теорией, которая ввела в физику последовательное и подробное описание поля, была электромагнитная теория Максвелла, описывающая электромагнитное поле. Кроме того, электромагнитное поле встречается в нашей жизни настолько повсеместно, что мы с трудом можем представить себе жизнь без окружающих нас электромагнитных устройств: электрических лампочек, радиоприемника, телевизора, микроволновой печи и так далее. Как же определить это поле в понятиях, доступных нам? Рассмотрим, например, поля, создаваемые электрическими зарядами, положительным и отрицательным (рис. 2).