Краткая история физики: Разные правила для разных миров

Наука — язык для описания окружающего мира, а также нашего взаимодействия с ним и со всей Вселенной. Но это всего лишь один язык в ряду множества других языков (когда-то люди описывали мир в терминах алхимии или духовных традиций), возникших задолго до современной науки. Может быть, другие языки кажутся сейчас не такими совершенными, но они работали. Меня удивляет, когда спрашивают: «Что же люди делали до появления науки? Что они знали о мире?» Хочется крикнуть в ответ: «Они знали о мире много, очень много!»

В далеком прошлом знали, откуда произошла жизнь, знали причины болезней и то, как их лечить, умели рассчитывать лунные и солнечные циклы и еще многое другое. Единственное, чего тогда не знали — это современного строгого научного языка. Но последнее обстоятельство ничуть не мешало жившим тогда людям весьма толково объяснять, как устроен мир и почему он устроен именно так, а не иначе. И, между прочим, человеческая цивилизация просуществовала более 5000 лет, прекрасно обходясь без открытий нашей нынешней науки.

Началом научной эры принято считать XVII век. В 1687 году Исаак Ньютон издал свой знаменитый труд «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), в котором формализовал математический аппарат, казавшийся ему наилучшим средством описания мира. С тех пор на протяжении более двух столетий ньютоновская концепция природы была основой научного метода, называемого сегодня «классической физикой». Вместе с теорией электричества и магнетизма Максвелла и теорией относительности Эйнштейна классическая физика достаточно успешно описывала весь видимый мир вплоть до движения планет и галактик. Она позволила нам рассчитывать орбиты искусственных спутников и высадить человека на Луне.

Однако в начале XX столетия исследования привели физиков в мир атома, где законы Ньютона не работают (ранее наши технологии просто не позволяли нам наблюдать за атомами или поведением частиц при зарождении новых звезд в далеких галактиках). В результате выяснилось, что традиционная классическая физика не дает удовлетворительных объяснений не только событиям микромира, но и тому, что происходит в макромире. И тогда возник язык квантовой физики, объясняющий явления, не умещающиеся в рамки наших привычных представлений о реальности.

Определение квантовой физики заложено в самом ее названии. Квант — это «неделимое количество электромагнитной энергии». Иными словами, кванты — это то, из чего состоит мир. Квантовая физика довольно быстро обнаружила, что вещи внешнего мира, выглядящие вполне твердыми, на деле отнюдь не таковы. Чтобы пояснить эту мысль, приведу следующее простое сравнение.

Сидя в кинотеатре и глядя на экран, мы отдаем себе отчет в том, что разворачивающиеся перед нами события по сути иллюзорны. Трагедии и мелодрамы, от которых у нас учащается сердцебиение, — не что иное, как набор отдельных картинок, быстро сменяющих одна другую, так что создается впечатление непрерывного действия. Наши глаза видят череду картинок, а мозг увязывает их в единое движение. Квантовая физика доказывает, что почти так же устроен и весь мир. Когда мы, например, видим в воскресной спортивной программе, как футболист бьет ногой по мячу или как фигурист совершает сложный прыжок, в терминах квантовой физики каждое из этих действий представляет собой серию отдельных событий, происходящих подряд и очень быстро. Подобно тому как реалистичный кинофильм выстраивается из картинок, все в этом мире складывается из мелких коротких вспышек света, называемых квантами. Дело в том, что кванты вспыхивают с такой скоростью, что мозг (если только он не находится в состоянии глубокой медитации) привычно усредняет их пульсацию, создавая иллюзию непрерывного движения, совсем как в выпуске спортивных новостей.

Можно сказать, что квантовая физика изучает в очень мелком масштабе действие сил, лежащих в осно-нании материального мира. Сегодня в физике есть два основных научных направления, каждое из которых придерживается своих взглядов на мироустройство, — классическая физика и квантовая. И у каждого из них свои методы и теории.

Ученые потратили много усилий, чтобы объединить эти научные направления и приблизиться к созданию единой теории. Для этого им необходимо было признать существование субстанции, которая заполняет пространство, кажущееся пустым. Но что это за субстанция?

Хроника долгого пути к единой теории

1687 год — Ньютоновская физика. Исаак Ньютон публикует сформулированные им законы движения. Начинается новая наука. Вселенная рассматривается как большая механическая система, где время и пространство абсолютны.

1867 год — Физика теории поля. Джеймс Максвелл предположил, что существуют силы, не укладывающиеся в концепцию Ньютона. Совместные исследования Джеймса Максвелла и Майкла Фарадея приводят к открытию, что Вселенная — это взаимодействующие между собой энергетические поля.

1900 год — Квантовая физика. Макс Планк создает теорию, согласно которой мир — это вспышки энергии — квантов. Эксперименты на квантовом уровне показывают, что материя состоит не из твердых частиц, а из возможностей и вероятностей. Это застав ляет предположить, что реальность, в итоге, не так уж реальна.

1905 год — Теория относительности. Альберт Эйнштейн низвергает своей теорией ньютоновскую парадигму. Он утверждает, что время относительно. Ключевой вывод теории относительности состоит в том, что пространство и время не разделены.

1970 год — Физика теории колебаний. Физики пришли к выводу, что теории, описывающие мир как тонкие вибрирующие нити энергии, могут быть использованы для непротиворечивого описания как квантового, так и видимого мира. Научное сообщество увидело в этой идее возможность объединить все существующие научные теории.

20...? год — Новая универсальная теория физики.

Однажды физики найдут способ объяснить голографи-ческую природу всего, что мы наблюдаем в повседневности и в квантовом мире. Они смогут наконец вывести уравнения, унифицирующие все физические теории.