Жизнь проста. Как бритва Оккама освободила науку и стала ключом к познанию тайн Вселенной - Джонджо МакФадден

Общая теория относительности вполне допускает, что вы можете принять за центр своей системы любую точку Вселенной и, исходя из этого, выполнять вычисления. Однако не из всех точек легко вести наблюдения. Поскольку Солнце обладает самой большой массой, его гравитационное влияние значительно превосходит гравитационное влияние других объектов Солнечной системы. Поместить его в центр системы – значит в один прыжок перенестись с берега на воображаемый корабль Галилея, откуда проще наблюдать за всеми происходящими на нем перемещениями. Вполне допустимо совершить метафорический прыжок обратно, сделав Землю центром системы, однако при этом придется начертить гораздо больше кругов (рис. 34). Птолемей не ошибался, благодаря его гению появилась эффективная система, однако он слишком все усложнил, и, чтобы найти более простые решения, потребовалась бритва Оккама.

Рис. 34. Орбита Венеры в гелиоцентрической (слева) и геоцентрической (справа) системах за 32 года. В центре гелиоцентрической орбиты находится Солнце, орбита представляет собой идеальную окружность, как видно на рисунке слева. В центре геоцентрической орбиты находится Земля

Очень многое в физике, и в науке в целом, связано с поиском правильного ракурса или перспективы, которая позволила бы проще взглянуть на мир. Специальной теории относительности удалось это сделать, представив время и пространство как единое целое, и тем самым рассеять первое облако лорда Кельвина. Следующее изменение ракурса позволило избавиться от второго облака, и мир стал проще, но вместе с тем и загадочней.

17

Квант простоты

Человек – это квант…

Уильям Оккам (ок. 1320)[423]

В 1874 году двадцатилетний абитуриент Макс Планк (1858–1947) приезжает в Мюнхенский университет, чтобы обсудить перспективы карьеры в области теоретической физики. Профессор Филипп фон Жолли (1809–1884) пытается отговорить его от этого намерения, утверждая, что в физике уже все открыто и ему лучше выбрать другое направление. Однако это не останавливает Планка, и он поступает в университет, а в 1877 году переезжает в Берлин и работает над докторской диссертацией в Университете Фридриха Вильгельма[424], где он начинает интересоваться термодинамикой. В 1900 году Планк получает должность профессора теоретической физики в области термодинамики в Берлинском университете и решает заняться проблемой, которую Кельвин назвал одним из облаков на небосклоне науки, а именно спектром светового излучения атомов внутри абсолютно черного тела, который не могла объяснить теория термодинамики. Планк предложил формулу, которая точно описывала наблюдаемый спектр излучения, однако последствия этого открытия оказались ошеломляющими. В основе термодинамики лежит принцип теплового движения – хаотичного движения атомов с разной скоростью. Когда атомы замедляются, предполагается, что они должны излучать свет в непрерывном диапазоне частот. Однако уравнение Планка подразумевает, что энергия излучения абсолютно черного тела высвобождается не сплошным потоком, а дискретно, отдельными порциями. Планк назвал эти порции энергии квантами (от лат. quantum – «сколько»), обозначающими часть от общего количества.

Конечно же, я повторюсь, сказав, что о квантовой механике написано много книг и что невозможно отдать должное этой фундаментальной физической теории XX века, посвятив ей всего несколько страниц моей книги. По этой причине я остановлюсь лишь на нескольких аспектах квантовой механики, которые наглядно показывают роль упрощения, и, по моему мнению, уместнее всего будет начать разговор об этой странной науке с позиции союзника теории бритвы Оккама – номинализма. Вы, наверное, помните, что основополагающий принцип номинализма Оккама заключается в том, что абстрактные понятия, такие как, например, отцовство, существуют в нашем сознании в форме слов или мыслей, то есть как нечто придуманное, а не реально существующее. Поскольку у них нет эквивалентов в мире конкретных предметов, Оккам предлагал избавляться от них в философии и науке.

Однако что считать конкретным и абстрактным в науке? Мы уже убедились в том, что некоторые понятия, например движение, относительны: один и тот же предмет можно рассматривать как движущийся в одной системе координат и как неподвижный в другой. Исходя из этого, Оккам утверждал, что движение, или импетус, не обладает свойством вещности. Следуя этой логике, даже гравитация – это не более чем фикция в общей теории относительности. Так что же тогда реально?

Представьте, что вы стоите у бортика катка и собираетесь точно определить местоположение вашей подруги Алисы, которая сейчас находится где-то на катке. Чтобы усложнить задачу, представьте, что свет на катке выключен и вы не видите вашу подругу. К счастью, вы захватили с собой светящиеся мячи-прыгуны и наугад бросаете их в темноту. Большинство из них летит в пустоту, падая где-то на просторах катка, но некоторые мячики возвращаются обратно, по всей видимости отскочив от вашей подруги, и вам удается их поймать. Зная положение, откуда вы бросали мячики, направление броска и в какой точке вы их поймали, вы можете точно определить в темноте местоположение Алисы, применив принцип триангуляции.

Однако, следуя теории Ньютона, каждое действие должно вызывать равное противодействие. Когда мячик касается Алисы, он сообщает ее телу какое-то количество (квант) импульса, и ее тело слегка отклоняется назад. Таким образом, ее положение до и после эксперимента не будет одинаковым. В макроскопическом мире найти решение этой загадки легко – надо просто включить свет, и вы увидите, где находится Алиса.

Немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976) увидел эту ситуацию иначе: если вместо Алисы представить элементарную частицу, например электрон, то малейшее прикосновение к ней частицы света, или фотона, сообщит ей некое малое количество импульса, под действием которого она изменит свое местоположение[425]. На основе своей догадки Гейзенберг сформулировал знаменитый принцип неопределенности, согласно которому неопределенность значения импульса частицы, умноженная на неопределенность значения пространственной координаты, всегда больше или равна половине значения еще одной фундаментальной постоянной (как и скорость света), известной как постоянная Планка. Величина этой постоянной очень мала[426], и в макроскопических системах ею можно пренебречь, однако она устанавливает предел точности измерения, показательный даже для микросистем.

Несмотря на недостаток знаний, конечно же, вы можете представить, что точное положение электрона так же реально, как и местонахождение Алисы на неосвещенном катке. Однако в отличие от макромира в квантовом мире отсутствует эквивалент «включения света», поскольку свет состоит из фотонов, а они воздействуют на все, что мы захотим измерить. Невольно напрашивается вопрос, похожий на вопрос Уильяма Оккама по поводу реальности форм, или идей, Платона, универсалий Аристотеля или природы движения: насколько реальным может считаться точное положение или импульс, если их нельзя измерить?

Реально существующие вещи должны оказывать воздействие на мир – так, пожалуй, следует сформулировать минимальный критерий оценки реальности. Все вымышленное, в том числе формы, универсалии, призраки, демоны, не оказывает реального воздействия. Это