Глава II. О кусочке мела
Глава II. О кусочке мела
Шут: …Любопытна причина, по которой в семизвездье семь звезд, а не больше.
Лир: Потому что их не восемь?
Шут: Совершенно верно. Из тебя вышел бы хороший шут…
В. Шекспир. Король Лир5). Акт 1, сцена 5
Ученые сделали множество необычных и прекрасных открытий. Возможно, самым прекрасным и самым необычным из них является открытие структуры самой науки. Наши научные достижения – не разрозненный набор изолированных фактов; одно научное обобщение находит свое объяснение в другом, которое в свою очередь вытекает из следующего. Прослеживая эти стрелки объяснений назад к их источникам, мы обнаруживаем поразительную сходящуюся структуру. Может быть, это и есть глубочайшая из всех истин, постигнутых нами при изучении Вселенной.
Рассмотрим кусочек мела. Это вещество знакомо большинству людей (особенно физикам, которые общаются друг с другом с помощью доски), но я выбрал мел в качестве примера потому, что он явился в свое время объектом полемики, ставшей знаменитой в истории науки. В 1868 г. Ассоциация британских ученых проводила свое ежегодное собрание в большом городе Норвич, главном городе графства на востоке Англии. Для ученых и студентов, собравшихся в Норвиче, это было волнующим событием. В те годы внимание общественности было привлечено к науке не только из-за ее очевидной важности для развития техники, но в еще большей степени из-за того, что наука изменяла взгляды людей на мир и их место в нем. Публикация девятью годами ранее сочинения Дарвина «О происхождении видов путем естественного отбора» резко противопоставила науку доминирующей религии того времени. На собрании присутствовал Томас Генри Хаксли – выдающийся анатом и яростный спорщик, которого современники прозвали «бульдогом Дарвина». Как это часто бывало и ранее, Хаксли воспользовался случаем, чтобы выступить перед гражданами города. Он назвал свою лекцию «О кусочке мела»[11]
Я представляю себе Хаксли стоящим на трибуне и держащим в руках кусочек мела, может быть отломанный им от тех залежей, которые простираются под городом Норвичем, или одолженный у знакомого плотника, а может, у какого-нибудь профессора. Он начал свою лекцию с описания того, как слой мела на глубине в несколько сотен футов простирается не только под большей частью Англии, но и под всей Европой и странами Леванта, вплоть до Центральной Азии. Мел в основном состоит из простого химического вещества, называемого на современном языке карбонатом кальция, однако микроскопическое исследование показывает, что в нем содержится бесчисленное множество скелетов крохотных существ, населявших те древние моря, которые покрывали когда-то Европу. Хаксли живо описывал, как в течение миллионов лет эти скелетики оседали на дно моря и спрессовывались в мел, как то здесь, то там в эти отложения попадали скелеты более крупных животных, похожих на крокодила, причем при переходе к более глубоким слоям мела эти животные выглядят все более непохожими на своих современных потомков, и следовательно они должны были эволюционировать все те миллионы лет, пока мел оседал.
Хаксли пытался убедить присутствующих, что мир гораздо старше, чем те шесть тысяч лет, которые отведены ему последователями Библии, и что новые живые существа появлялись и эволюционировали с самого начала. Все эти утверждения сейчас общеприняты – никто, имеющий хоть малейшее представление о науке, не сомневается в большом возрасте Земли или реальности эволюции. То, что я хочу обсудить, не имеет никакого отношения к конкретному разделу научного знания, а относится к тому, как все эти знания связаны друг с другом. Именно поэтому я, как и Хаксли, начну с кусочка мела.
Мел белый. Почему? Один ответ, который можно дать сразу, таков: мел белый потому, что он не какого-то другого цвета. Такой ответ безусловно понравился бы лировскому шуту, но на самом деле он не так уж далек от истины. Уже во времена Хаксли знали, что каждый цвет в радуге связан со светом определенной длины волны – более длинные волны соответствуют красному концу спектра, более короткие – голубому. Белый свет рассматривался как смесь света многих разных цветов. При падении света на непрозрачное вещество вроде мела только часть его отражается, а другая часть поглощается. Вещество определенного цвета, например зелено-синего, присущего многим соединениям меди (медно-алюминиевые фосфаты в турмалине) или синего, характерного для соединений хрома, имеет такой цвет потому, что вещество поглощает свет строго определенных длин волн; цвет, который мы видим в свете, отраженном от вещества, связан со светом тех длин волн, которые поглощаются не слишком сильно. Оказывается, что карбонат кальция, из которого и состоит мел, особенно сильно поглощает свет только в области инфракрасных и ультрафиолетовых длин волн, все равно не видимых глазом. Поэтому свет, отраженный от куска мела, имеет практически такое же распределение по длинам волн видимого света, как и свет, падающий на мел. Благодаря этому и возникает ощущение белизны, будь то у мела, облака или снега.
Почему? Почему некоторые вещества сильно поглощают видимый свет определенных длин волн, а другие нет? Оказывается, ответ связан со сравнительными энергиями атомов и света. Ученые начали понимать это после работ Альберта Эйнштейна и Нильса Бора, сделанных в первые два десятилетия ХХ в. Эйнштейн в 1905 г. впервые понял, что световой луч состоит из потока колоссального количества частиц, позднее названных фотонами. У фотонов нет ни массы, ни электрического заряда, но каждый фотон обладает определенной энергией, величина которой обратно пропорциональна длине волны света. В 1913 г. Бор предположил, что атомы и молекулы могут существовать только в определенных состояниях, т.е. стабильных конфигурациях, обладающих определенной энергией. Хотя атомы часто сравнивают с миниатюрными Солнечными системами, все же существует принципиальное различие. Любой планете Солнечной системы можно придать чуть больше или чуть меньше энергии, просто подвинув ее чуть дальше от Солнца или, наоборот, придвинув к нему. Но состояния атома дискретны – мы не можем изменять энергии атомов иначе, как на определенную конечную величину. Обычно атом или молекула находятся в состоянии с наименьшей энергией. Но, поглощая свет, они перескакивают из состояния с наименьшей энергией в одно из состояний с большей энергией (при испускании света происходит обратный процесс). Если объединить идеи Эйнштейна и Бора, то получается, что свет может поглощаться атомом или молекулой, только если длина волны света принимает определенное значение. Эти определенные длины волн отвечают таким энергиям фотонов, которые как раз равны разности энергий между начальным состоянием атома или молекулы и одним из состояний с большей энергией. В противном случае при поглощении фотона атомом или молекулой не сохранялась бы энергия. Типичные соединения меди имеют зелено-синий цвет, потому что существует определенное состояние атома меди, обладающее энергией, на два электрон-вольта6) большей, чем энергия нормального состояния атома. Поэтому атом особенно легко перепрыгивает в состояние с большей энергией, поглотив фотон с энергией 2 эВ. Длина волны такого фотона равна 0,62 мкм, что соответствует красно-оранжевому цвету, так что после поглощения этого фотона оставшийся отраженный свет имеет зелено-синий оттенок[12]. (Приведенное рассуждение – не просто крайне сложный способ объяснить то, что мы и так знаем про зелено-синий цвет соединений меди; подобная структура энергетических состояний атомов меди проявляется и тогда, когда они получают извне энергию другими способами, например, от пучка электронов.) Мел имеет белый цвет потому что у молекул, из которых он состоит, оказывается, нет таких уровней энергии, куда можно легко перепрыгнуть, поглощая фотоны любого цвета из видимого света.
Почему? Почему атомы и молекулы существуют только в дискретных состояниях, обладающих определенной энергией? Почему эти энергии такие, а не другие? Почему свет состоит из отдельных частиц, энергия которых обратно пропорциональна длине волны света? И почему атомы или молекулы особенно легко перепрыгивают в определенные состояния, поглощая фотоны? Все эти свойства света, атомов и молекул было невозможно понять вплоть до середины 1920-х гг., когда был развит новый подход в физике, известный как квантовая механика. В рамках квантовой механики частицы в атоме или молекуле описываются так называемой волновой функцией. Эта функция ведет себя в чем-то похоже на волну света или звука, но ее значение (точнее, значение ее квадрата) определяет вероятность обнаружения частицы в любом данном месте. Точно так же, как воздух в органной трубе может колебаться только в определенных модах, каждая из которых имеет свою длину волны, так и волновая функция частицы в атоме или молекуле может существовать только в определенных модах или квантовых состояниях, каждое из которых имеет свою определенную энергию. Когда уравнения квантовой механики применили для рассмотрения атома меди, обнаружилось, что один из электронов на далекой внешней орбите этого атома слабо связан и в результате поглощения видимого света может быть легко переброшен на следующую более высокую орбиту. Квантовомеханические вычисления показали, что энергии атома в этих двух состояниях отличаются на два электрон-вольта, что как раз равно энергии фотона красно-оранжевого света7). С другой стороны, у молекул карбоната кальция в куске мела нет подобных слабосвязанных электронов, которые могли бы поглотить фотоны какой-нибудь длины волны. Что же касается фотонов, то их свойства объясняются применением принципов квантовой механики к самому свету. Оказывается, что свет, как и атомы, может существовать только в определенных квантовых состояниях с определенной энергией. Например, красно-оранжевый свет длиной волны 0,62 мкм может существовать только в состояниях с энергиями, равными нулю или 2, 4, 6 и т.д. эВ, которые мы интерпретируем как состояния без фотонов или содержащие один, два, три и т.д. фотонов, энергия каждого из которых равна 2 эВ.
Почему? Почему уравнения квантовой механики, определяющие поведение частиц в атомах, таковы, каковы они есть? Почему вещество состоит из этих частиц, электронов и атомных ядер? Почему в этом веществе возникает излучение света? Большая часть этих вопросов была довольно загадочной и в 1920-е, и в 1930-е гг., когда квантовая механика была впервые применена для описания атомов и света. Достаточное понимание пришло лишь около пятнадцати лет тому назад8) в связи с успешным развитием так называемой стандартной модели элементарных частиц и сил. Ключевым предварительным условием этого нового понимания было объединение в 1940-х гг. квантовой механики с другой революционной теорией в физике ХХ в. – эйнштейновской теорией относительности. Принципы теории относительности и квантовой механики почти несовместимы друг с другом и могут сосуществовать лишь в рамках очень узкого класса теорий. В рамках нерелятивистской квантовой механики 1920-х гг. можно было вообразить почти любой характер сил, действующих между электронами и ядрами, но в релятивистской теории, как мы увидим, это не так: силы, действующие между частицами, могут возникать только за счет обмена другими частицами. Более того, вообще все частицы представляют собой сгустки энергии или кванты полей разного сорта. Поле, например электрическое или магнитное, есть некий вид напряжения в пространстве, напоминающий разные виды напряжений, возможные в твердом теле, с той разницей, что поле есть напряжение самого пространства. Каждому сорту элементарных частиц соответствует свой тип поля: в рамках стандартной модели имеется электронное поле, квантами которого являются электроны; электромагнитное поле (состоящее из электрического и магнитного полей), квантами которого являются фотоны; однако не существует поля, соответствующего атомным ядрам или частицам (протонам и нейтронам), из которых ядра составлены, но есть поля разных типов частиц, называемых кварками, из которых состоят протоны и нейтроны; есть и еще несколько полей, на которых мы сейчас останавливаться не будем. Уравнения полевой теории типа стандартной модели описывают поведение не частиц, а полей; частицы возникают как проявления этих полей. Обычная материя состоит из электронов, протонов и нейтронов просто по той причине, что все другие массивные частицы чудовищно нестабильны. Считается, что стандартная модель что-то объясняет не потому, что она представляет собой набор каких-то собранных в кучу обрывков, работающих по неизвестным причинам. На самом деле структура стандартной модели в значительной степени фиксируется начальным выбором набора полей, входящих в теорию, и общими принципами (вроде принципов теории относительности и квантовой механики), которые управляют взаимодействием этих полей.
Почему? Почему мир состоит только из этих полей, а именно полей кварков, электронов, фотонов и т.п.? Почему их свойства такие, как предполагается в стандартной модели? И почему именно для этой материи природа подчиняется принципам теории относительности и квантовой механики? К сожалению, ответов на эти вопросы пока нет. Комментируя современное положение дел в физике, теоретик из Принстона Дэвид Гросс перечисляет открытые вопросы: «Теперь, когда мы понимаем, как все это работает, мы начинаем спрашивать себя, а почему существуют именно кварки и лептоны, почему структура материи повторяется в трех поколениях кварков и лептонов, почему все силы обязаны своим происхождением локальным калибровочным симметриям? Почему, почему, почему?»[13] (Используемые Гроссом понятия объясняются в следующих главах нашей книги.) Именно надежда когда-нибудь найти ответ на эти вопросы и делает занятие физикой элементарных частиц столь увлекательным.
Общеизвестно, что слово «почему» имеет весьма неопределенный смысл. Философ Эрнст Нагель приводит десять вариантов вопросов, в которых это слово употребляется в десяти разных смысловых значениях[14], например: «Почему лед плавает на воде?», «Почему Кассий организовал убийство Цезаря?» и «Почему у людей есть легкие?». На ум приходят и другие примеры, в которых слово «почему» употребляется в ином смысле, скажем, «Почему я родился?» В последнем примере использование слова «почему» похоже по смыслу на его использование во фразе «Почему лед плавает на воде?» и не предполагает какой-либо осознанной цели.
Но даже и в этом случае довольно сложно точно сказать, что же делает человек, пытаясь ответить на такой вопрос. К счастью, в этом нет необходимости. Научное объяснение есть некий способ поведения, доставляющий нам такое же удовольствие, как любовь или искусство. Наилучший способ понять, что же такое научное объяснение, это испытать особое чувство воодушевления, возникающее тогда, когда кто-нибудь (лучше всего, вы сами) добивается реального объяснения какого-то явления. Я совсем не имею в виду что можно заниматься научными объяснениями без всяких правил. Здесь существуют такие же ограничения, как в любви и в искусстве. Во всех трех случаях есть общепринятые истины, которые следует уважать, хотя, конечно, эти истины совершенно различны в науке, любви и искусстве. Я также не утверждаю, что совсем не интересно попытаться описать, как устроена наука, но думаю, что для работы в науке это не нужно, точно так же, как это не нужно в искусстве и в любви.
Как я уже упоминал, всякое научное объяснение имеет дело с дедукцией, выводом одной истины из другой. Но в объяснении заключено, с одной стороны, нечто большее, чем просто дедукция, а с другой стороны, нечто меньшее. Простой вывод одного утверждения из другого с помощью законов логики не обязательно содержит объяснение, и это ясно видно в тех случаях, когда оба утверждения могут быть выведены друг из друга. Эйнштейн пришел к заключению о существовании фотонов в 1905 г., исходя из успешной теории теплового излучения, предложенной пятью годами ранее Максом Планком; девятнадцать лет спустя Сатьендра Нат Бозе показал, что теорию Планка можно вывести из эйнштейновской теории фотонов. Объяснение, в противоположность выводу, дает поразительное ощущение направления. У нас возникает захватывающее чувство, что фотонная теория света более фундаментальна, чем любое другое утверждение, касающееся теплового излучения, и поэтому именно она является объяснением свойств такого излучения. Точно так же Ньютон вывел свои знаменитые законы, частично пользуясь ранее установленными законами Кеплера, описывающими движение планет Солнечной системы[15], но тем не менее мы утверждаем, что законы Ньютона объясняют законы Кеплера, но не наоборот.
Разговоры о более фундаментальных истинах очень нервируют философов. Можно сказать, что более фундаментальные истины это те, которые в определенном смысле более всеобъемлющи, но и здесь трудно дать точные формулировки. Однако ученые оказались бы в плохом положении, если бы ограничились использованием только тех понятий, которые уже получили удовлетворительное философское объяснение. Ни один работающий физик не сомневается, что законы Ньютона более фундаментальны, чем законы Кеплера, или что теория фотонов Эйнштейна более фундаментальна, чем теория теплового излучения Планка.
И все же научное объяснение может быть и чем-то меньшим, чем дедукция, так как мы можем утверждать, что какой-то факт объясняется некоторым принципом, хотя мы не в силах вывести этот факт из данного принципа. Используя законы квантовой механики, мы можем вывести различные свойства простейших атомов и молекул и даже оценить уровни энергии сложных молекул, вроде молекул карбоната кальция в меле. Химик из Беркли Генри Шефер говорит, что «при разумном применении общепринятых методов теоретической физики ко множеству задач о поведении молекул, даже таких больших, как молекула нафталина, получаемые результаты можно рассматривать точно так же, как добытые в заслуживающем доверия эксперименте»[16]. И все же никто реально не смог решить уравнений квантовой механики и вывести детальный вид волновой функции или точное значение энергии такой действительно сложной молекулы, как молекула белка. Тем не менее мы ничуть не сомневаемся, что правила квантовой механики «объясняют» свойства таких молекул. Частично такая уверенность базируется на том, что с помощью квантовой механики можно рассчитать детальные свойства простейших систем, вроде молекул водорода, а частично – на том, что у нас есть математические правила, позволяющие вычислить все свойства любой молекулы с любой желаемой точностью, если только предоставить нам достаточно мощный компьютер и достаточное количество машинного времени.
Иногда мы вправе говорить, что можем что-то объяснить, даже если не уверены, что когда-либо сможем это вывести с помощью дедукции. До сих пор мы не знаем, как использовать стандартную модель элементарных частиц для вычисления детальных свойств атомных ядер, и у нас нет уверенности, что мы когда-нибудь узнаем, как сделать такие вычисления, даже имея в своем распоряжении компьютеры неограниченной мощности[17]. (Это связано с тем, что силы, действующие внутри ядер, слишком велики, чтобы можно было использовать определенные вычислительные приемы, хорошо работающие в случае атомов или молекул.) И все же мы не сомневаемся, что свойства атомных ядер таковы, каковы они есть, потому что нам известны принципы стандартной модели. В данном случае слова «потому что» не имеют ничего общего с нашей способностью реально вывести что-то, а отражают лишь наши взгляды на устройство природы.
Людвиг Витгенштейн, отрицавший саму возможность объяснения какого-либо факта с помощью любого другого факта, предупреждал, что «в основе всего современного взгляда на мир лежит иллюзорная точка зрения, что так называемые законы природы представляют собой объяснения естественных явлений»[18]. Подобные предупреждения мало меня трогают. Говорить физику, что законы природы не являются объяснениями природных явлений, это все равно, что внушать тигру, преследующему добычу, что нет разницы между мясом и травой. То, что мы, ученые, не знаем, как объяснить в приемлемой для философов форме, что же мы на самом деле делаем, занимаясь поисками научных объяснений, не означает, что то, что мы делаем, совершенно бесполезно. Конечно, мы можем пользоваться помощью философов-профессионалов, чтобы понять, что мы делаем, но с ней или без нее мы будем делать одно и то же.
Похожую цепочку «почему?» можно выстроить для любого физического свойства куска мела – для его хрупкости, плотности, сопротивления электрическому току. Но попробуем проникнуть в лабиринт объяснений через другой вход, рассматривая химию мела. Как говорил Хаксли, мел главным образом состоит из карбоната кальция. Хотя Хаксли этого прямо и не утверждал, он, вероятно, знал, что это химическое соединение состоит из элементов кальция, углерода и кислорода в совершенно определенных весовых пропорциях, соответственно, 40, 12 и 48 %.
Почему? Почему мы обнаруживаем, что кальций, углерод и кислород образуют именно это химическое соединение только в таких пропорциях, и не существует других соединений, содержащих такие же элементы во многих других возможных пропорциях? Ответ был найден химиками XIX в. с помощью атомной теории, причем до того, как были получены прямые экспериментальные свидетельства существования атомов. Веса атомов кальция, углерода и кислорода относятся как 40 : 12 : 16, а молекула карбоната кальция состоит из одного атома кальция, одного атома углерода и трех атомов кислорода, так что отношение весов этих элементов в карбонате кальция как раз равно 40 : 12 : 48.
Почему? Почему атомы разных элементов имеют те значения веса, которые мы наблюдаем, и почему молекулы состоят из совершенно определенного количества атомов каждого сорта? Уже в XIX в. знали, что число атомов каждого сорта в молекулах, подобных карбонату кальция, определяется числом электрических зарядов, которым обмениваются друг с другом атомы в молекуле. В 1897 г. Дж.Дж. Томсон обнаружил, что носителями этих электрических зарядов являются отрицательно заряженные частицы, названные электронами. Эти частицы много легче, чем атомы в целом, и именно они перемещаются по проводам в обычных электрических цепях, когда течет ток. Элементы отличаются друг от друга числом электронов в атоме: один у водорода, шесть у углерода, восемь у кислорода, двадцать у кальция и т.д. Когда к атомам, из которых состоит мел, применили законы квантовой механики[19], то выяснилось, что атомы кальция и углерода охотно отдают, соответственно, два и четыре электрона, а атом кислорода легко подхватывает два электрона. Таким образом, три атома кислорода в каждой молекуле карбоната кальция могут подхватить шесть электронов, предоставляемых одним атомом кальция и одним атомом углерода; баланс сходится. Электрические силы, порождаемые этим обменом электронов, и удерживают молекулу от развала на составные части. А что можно сказать об атомных весах? После работ Резерфорда в 1911 г. мы знаем, что почти вся масса атома содержится в маленьком положительно заряженном ядре, вокруг которого обращаются электроны. После некоторых затруднений, к 1930 г. физики поняли, что атомное ядро состоит из двух сортов частиц, имеющих почти одинаковые массы, а именно из протонов с положительным электрическим зарядом, равным по величине отрицательному заряду электрона, и нейтронов, не имеющих заряда. Ядро атома водорода состоит из одного протона. Число протонов должно всегда равняться числу электронов[20], чтобы атом оставался нейтральным, а нейтроны нужны потому, что сильное притяжение между ними и протонами существенно для удержания ядра от развала. Нейтроны и протоны весят почти одинаково, а вес электронов много меньше, так что с хорошей точностью можно считать, что вес всего атома просто пропорционален полному числу протонов и нейтронов в его ядре: один (протон) у водорода, двенадцать у углерода, шестнадцать у кислорода и сорок у кальция. Эти цифры соответствуют атомным весам, которые были известны, но не имели объяснения во времена Хаксли.
Почему? Почему существуют протон и нейтрон, заряженная и нейтральная частицы почти одинаковой массы и много тяжелее электрона? Почему они притягиваются друг к другу с такой силой, что им удается образовать атомные ядра, в сотни тысяч раз меньшие по размерам, чем сами атомы? Объяснение всему этому вновь содержится в сегодняшней стандартной модели элементарных частиц. Легчайшие кварки имеют названия u и d (от слов up и down), их заряды равны +2/3 и ?1/3 (в единицах, где заряд электрона принят равным ?1); протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка и поэтому имеют заряд 2/3 + 2/3 ? 1/3 = 1; нейтроны состоят из одного u-кварка и двух d-кварков, так что их заряд равен 2/3 ? 1/3 ? 1/3 = 0. Массы протона и нейтрона почти равны, так как они порождаются главным образом большими силами, удерживающими кварки вместе, а эти силы одинаковы для u– и d-кварков. Электрон много легче, так как он не испытывает воздействия этих сил. Все кварки и электроны являются сгустками энергии различных полей и их свойства вытекают из свойств соответствующих полей.
Итак, мы опять столкнулись со стандартной моделью. На самом деле любые вопросы о физических или химических свойствах карбоната кальция сходятся через цепочку «почему?» к одной общей точке: к современной квантово-механической теории элементарных частиц, т.е. к стандартной модели. Но физика и химия – очень легкие предметы. Что, если взять что-нибудь позаковыристей, например биологию?
Наш кусочек мела не является идеальным кристаллом карбоната кальция, но в то же время это и не бесформенная каша из отдельных молекул, как в газе. Как объяснял Хаксли в своей лекции в Норвиче, мел состоит из скелетов крохотных живых существ, которые при жизни поглощали из воды древних морей соли кальция и углекислый газ и использовали эти химические вещества как сырье для строительства маленьких оболочек из карбоната кальция вокруг своих нежных тел. Не нужно особого воображения, чтобы понять, зачем им это потребовалось, – море не самое безопасное место для беззащитных комочков белка. Но это само по себе не объясняет, почему растения и животные развили в себе органы вроде оболочки из карбоната кальция, помогающие им выжить; нуждаться не значит иметь. Ключ к пониманию этого нашли Дарвин и Уоллес, для популяризации и защиты работ которых столь много сделал Хаксли. В живых существах происходят наследуемые изменения, иногда благоприятные, иногда не очень. Те организмы, которым посчастливилось претерпеть благоприятные изменения, имеют больше шансов выжить и передать эти полезные характеристики своему потомству. Но откуда берутся эти изменения и почему они наследуются? Ответ на эти вопросы был наконец дан в 1950-е гг. и свелся к раскрытию структуры очень большой молекулы ДНК, которая служит шаблоном для построения белков из аминокислот. Молекула ДНК образует двойную спираль, хранящую генетическую информацию, зашифрованную последовательностью химических структур вдоль каждой из нитей спирали. Генетическая информация передается в тот момент, когда двойная спираль расщепляется и каждая из двух ее нитей воспроизводит собственную копию; наследуемые изменения возникают тогда, когда по случайным причинам изменяются те химические структурные единицы, из которых построена нить спирали.
Раз мы спустились на уровень химии, то остальное уже довольно ясно. Конечно, ДНК слишком сложна, чтобы мы могли для объяснения ее структуры использовать уравнения квантовой механики. Но эта структура достаточно успешно объясняется обычными законами химии, и никто не сомневается, что будь у нас достаточно мощный компьютер, мы смогли бы в принципе объяснить все свойства ДНК, решив уравнения квантовой механики для электронов и ядер нескольких обычных химических элементов, свойства которых, в свою очередь, объясняются стандартной моделью. Итак, мы опять оказались в той же общей точке всех наших стрелок объяснений.
Я пока что не касался важного отличия биологии от физических наук, а именно присутствия элемента историзма. Если под «мелом» мы подразумеваем «вещество, из которого состоят белые скалы в Дувре» или «предмет в руках Хаксли», тогда утверждение, что мел состоит на 40 % из кальция, на 12 % из углерода и на 48 % из кислорода должно объясняться смесью универсальных и исторических причин, включающих события, происходившие в истории нашей планеты или в жизни Томаса Хаксли. Те утверждения, которые мы надеемся объяснить с помощью окончательных законов природы, относятся к типу универсальных. Одной из таких универсалий является утверждение, что (при достаточно низких температуре и давлении) существует химическое соединение, состоящее из кальция, углерода и кислорода точно в тех пропорциях, которые указаны выше. Мы полагаем, что такие утверждения верны везде во Вселенной и в любые моменты времени. Точно так же можно высказать универсальные утверждения о свойствах ДНК, однако существование живых существ на Земле, использующих ДНК для передачи случайных изменений от поколения к поколению, зависит от определенных исторических событий: есть такая планета как Земля; жизнь и обмен генетической информацией как-то начались; было достаточно времени на эволюцию.
Не только биология содержит элемент историзма. Это же верно и в отношении многих других наук, например геологии и астрономии. Возьмем еще раз наш кусочек мела и спросим, откуда на Земле взялись достаточные запасы кальция, углерода и кислорода, чтобы обеспечить сырье для постройки защитных панцирей, из которых потом образовался мел? Ответ прост – этих элементов полно во Вселенной. Но почему это так? Мы вновь должны апеллировать к смеси универсальных и исторических принципов. Мы знаем, как использовать стандартную модель элементарных частиц, чтобы проследить ход ядерных реакций в рамках общепринятой модели «Большого взрыва» Вселенной и вычислить, что материя, сформировавшаяся за первые несколько минут существования Вселенной, состояла на три четверти из водорода и на одну четверть из гелия и содержала лишь ничтожные следы других элементов, главным образом очень легких (например, лития). Это и было тем сырьем, из которого позднее в недрах звезд образовались более тяжелые элементы. Расчеты последующего хода ядерных реакций в звездах показывают, что больше всего возникло тех элементов, ядра атомов которых наиболее прочны. Среди таких элементов есть кальций, углерод и кислород. Звезды выбрасывают вещество в межзвездную среду за счет разного рода процессов, включающих звездный ветер и взрывы сверхновых. Звезды второго поколения, вроде Солнца и его планет, как раз и образовались из этого межзвездного вещества, обогащенного элементами, входящими в состав мела. Но такой сценарий все же зависит от предположения исторического характера, а именно что действительно произошел более или менее однородный Большой взрыв, в котором образовалось около десяти миллиардов фотонов на каждый кварк. Было предпринято множество попыток объяснить такое предположение в рамках возможных космологических теорий, однако сами эти теории базируются на других предположениях исторического характера.
Неясно, всегда ли сохранится различие между универсальными и историческими элементами в наших науках. Современная квантовая механика, так же как и механика Ньютона, ясно отличает условия, описывающие начальное состояние системы (не имеет значения, подразумевается ли вся Вселенная или только ее часть), от законов, управляющих последующей эволюцией этой системы. Однако возможно, что когда-нибудь начальные условия возникнут как часть законов природы. Простой пример того, как это может быть, дает так называемая теория стационарной Вселенной, предложенная в конце 1940-х гг. Германом Бонди и Томасом Голдом, а также (в несколько ином варианте) Фредом Хойлом. В этой модели все галактики разбегаются друг от друга (это иногда выражают несколько неточно словами, что Вселенная расширяется9)), но несмотря на это происходит непрерывное рождение материи, которая заполняет расширяющиеся межгалактические пустоты с такой скоростью, что Вселенная поддерживается в неизменном состоянии и выглядит всегда одинаково. У нас нет приемлемой теории того, как могло бы происходить такое непрерывное рождение материи, но вполне возможно, что если бы подобная теория у нас была, мы смогли бы с ее помощью показать, что расширение Вселенной происходит с такой равновесной скоростью, что рождение материи в точности компенсирует расширение. Это напоминало бы экономическую теорию, согласно которой цены сами подстраиваются так, чтобы предложение уравновесило спрос. В такой теории стационарной Вселенной нет нужды в начальных условиях, так как нет самого начала, а вместо этого факт существования Вселенной можно вывести из условия, что она не меняется.
Первоначальная версия космологии стационарной Вселенной была достаточно надежно исключена благодаря разным астрономическим наблюдениям, главным среди которых было открытие в 1964 г. микроволнового излучения, как полагают, оставшегося от того времени, когда Вселенная была много плотнее и горячее. Может быть, теория стационарной Вселенной возродится при переходе к бо?льшим масштабам в какой-нибудь будущей космологической теории, которая будет рассматривать сегодняшнее расширение Вселенной всего лишь как флуктуацию в вечной, в среднем неизменной, но постоянно флуктуирующей Вселенной. Существуют и более тонкие возможности, что начальные условия когда-нибудь смогут быть выведены из окончательных законов. Джеймс Хартль и Стивен Хокинг предложили один такой вариант, в рамках которого слияние физики и истории объясняется применением законов квантовой механики ко Вселенной в целом. В наши дни квантовая космология вызывает большие споры среди ученых; концептуальные и математические проблемы очень сложны, и пока что не видно, что нам удалось продвинуться к каким-то определенным выводам.
В любом случае, если начальные условия возникновения Вселенной должны быть включены в законы природы или если их можно вывести из этих законов, все равно практически мы никогда не сможем исключить элементы историзма и случайности из таких наук, как биология, геология или астрономия. Даже в очень простой системе может возникнуть явление, называемое хаосом, препятствующее всем попыткам предсказать будущее этой системы. В хаотической системе почти одинаковые начальные условия через какое-то время приводят к совершенно разным результатам. Возможность возникновения хаоса в простых системах была известна еще в начале ХХ века; математик и физик Анри Пуанкаре показал, что хаос может развиться даже в такой простой системе, как центральная звезда и две ее планеты. Уже давно установлено, что темные щели в кольцах Сатурна возникли как раз в тех местах, откуда любая вращающаяся вокруг планеты частица выбрасывается благодаря своему хаотическому движению. Новым и удивительным в изучении хаоса стало не открытие, что этот хаос существует, а то, что определенные виды хаотических движений демонстрируют почти универсальные свойства, поддающиеся математическому анализу.
Существование хаотического движения не означает, что поведение системы вроде колец Сатурна не до конца определяется законами движения и тяготения и начальными условиями, а означает лишь то, что мы не можем рассчитать практически эволюцию некоторых явлений во времени (например, орбиты частиц в темных щелях колец Сатурна). Несколько более строго, существование хаоса в системе означает, что при любой точности, с которой мы задаем начальные условия, неизбежно наступит момент времени, после которого мы потеряем всякую возможность предсказать, как будет вести себя система. При этом все же остается верным утверждение, что в какой бы далекий момент времени в будущем мы ни захотели предсказать поведение физической системы, подчиняющейся законам Ньютона, существует определенная точность задания начальных условий, при которой мы способны это сделать. (Приведем такую аналогию: всякий автомобиль, едущий по дороге, когда-нибудь сожжет весь бензин в баке, сколько бы мы его туда ни залили, и все же, как бы далеко мы ни хотели попасть, всегда существует то достаточное количество бензина, которое позволит нам доехать до нужного места.) Иными словами, открытие явления хаоса не отвергает детерминизм доквантовой физики, но заставляет нас быть чуть более аккуратными в рассуждениях о том, что мы понимаем под этим словом. В квантовой механике нет детерминизма в смысле механики Ньютона; соотношение неопределенностей Гейзенберга говорит нам, что нельзя одновременно точно измерить положение и скорость частицы, и даже если мы произведем все возможные в один и тот же момент времени измерения, мы можем только предсказать вероятности результатов этих измерений в любой последующий момент времени. Все же мы увидим ниже, что даже в квантовой механике в определенном смысле поведение любой физической системы полностью определяется начальными условиями и законами природы.
Конечно, каким бы ни был этот детерминизм, он мало помогает, когда мы сталкиваемся с реальными непростыми системами вроде биржи или жизни на Земле. Вторжение исторических случайностей постоянно ограничивает объем того, что мы когда-либо можем надеяться объяснить. Всякое объяснение нынешних форм жизни на Земле не может не учитывать вымирание динозавров шестьдесят пять миллионов лет тому назад, которое в наши дни объясняется столкновением Земли с кометой. Но никто никогда не сможет объяснить, почему комета столкнулась с Землей именно тогда. Самые смелые надежды ученых заключаются в том, что мы сможем протянуть цепочку объяснений всех явлений природы до окончательных законов и исторических случайностей.
Вторжение в науку исторических случайностей означает также, что нам следует быть очень внимательными в отношении того, какого же типа объяснения мы хотим получить от окончательных законов. Например, когда Ньютон впервые сформулировал свои законы движения и тяготения, послышались возражения, что эти законы не объясняют одну из главных особенностей Солнечной системы, а именно что все планеты вращаются вокруг Солнца в одну сторону. Сейчас мы понимаем, что это явление связано с историей. То, как планеты вращаются вокруг Солнца, есть следствие того, как Солнечная система сконденсировалась из вращающегося газового диска. Мы и не должны ожидать, что можно вывести это только из законов движения и тяготения. Разделение законов и исторических событий – деликатное дело, и мы учимся этому все время.
Вполне возможно, что те явления, которые мы рассматриваем сейчас как произвольные начальные условия, в конце концов смогут быть выведены из универсальных законов, но и наоборот, вполне возможно, что принципы, которые мы сейчас считаем универсальными законами природы, в конце концов окажутся историческими случайностями. В последнее время ряд физиков-теоретиков забавляется идеей, что тот объект, который мы обычно называем Вселенной, а именно расширяющийся рой галактик, простирающийся во всех направлениях по крайней мере на десятки миллиардов световых лет, есть на самом деле «субвселенная», маленькая часть значительно большей «Мегавселенной», состоящей из множества таких частей, причем в каждой из них те величины, которые мы называем мировыми константами (электрический заряд электрона, отношение масс элементарных частиц и т.п.), могут иметь разные значения. Возможно даже, что те утверждения, которые мы называем законами природы, меняются при переходе от одной субвселенной к другой. В этом случае те объяснения значений констант и законов, которые найдены нами, могут включать неустранимый элемент историзма, а именно то, что по случайности мы находимся в определенной субвселенной, которую и населяем. Даже если в этих идеях окажется что-то разумное, я все же не думаю, что нам надо будет расстаться с мечтами об открытии окончательных законов природы; эти законы могут оказаться мегазаконами, определяющими вероятности нахождения в субвселенных разного типа. Сидни Коулмен и другие уже храбро попытались вычислить эти вероятности, применив законы квантовой механики ко всей Мегавселенной. Я хочу подчеркнуть, что все подобные идеи очень спекулятивны, не до конца математически сформулированы и пока что не имеют никакой экспериментальной поддержки.
До сих пор я обсуждал две проблемы, возникающие при обсуждении цепочки объяснений, ведущих к окончательным законам: вторжение исторических случайностей и сложность, не дающую нам возможности что-то реально объяснить, даже если мы рассматриваем только универсалии, свободные от элементов историзма. Но есть еще одна требующая обсуждения проблема, связанная со словом «возникновение». Когда мы рассматриваем явления природы на все более сложных уровнях, мы обнаруживаем возникновение явлений, не имеющих аналогов на более простых уровнях, и уж тем более на уровне элементарных частиц. Например, нет ничего похожего на разум на уровне отдельных живых клеток и ничего похожего на жизнь на уровне атомов и молекул. Идея возникновения была хорошо схвачена физиком Филиппом Андерсоном в названии его статьи в 1972 г.: «Чем больше, тем разнообразнее»[21]. Внезапное возникновение новых явлений на высоком уровне сложности наиболее очевидно в биологии и науках о поведении, но следует подчеркнуть, что такое возникновение не есть специфика жизни или социального поведения; такое случается и в самой физике.
В физике исторически наиболее важным примером возникновения новых качеств является термодинамика, наука о теплоте. В первоначальной формулировке, данной в XIX в. Карно, Клаузиусом и другими, термодинамика выглядела как автономная наука, не выводимая из механики частиц и сил, а построенная на новых понятиях температуры и энтропии, не имеющих аналогов в механике. Только первый закон термодинамики, закон сохранения энергии, перекидывал мостик между механикой и термодинамикой. Центральным принципом термодинамики был второй закон, согласно которому (в одной из формулировок) физические системы обладают не только энергией и температурой, но и определенной величиной, называемой энтропией[22], которая всегда растет со временем в любой замкнутой системе, достигая максимума, когда система приходит в состояние равновесия[23]. Именно этот принцип запрещает Тихому океану передать такое количество тепловой энергии Атлантическому, чтобы Тихий океан замерз, а Атлантический закипел; подобный катаклизм не нарушил бы закона сохранения энергии, но он запрещен, так как уменьшил бы энтропию.
Физики XIX в. воспринимали второй закон термодинамики как аксиому, сформулированную на основании опыта и столь же фундаментальную, как и любой другой закон природы. В те времена это казалось разумным. Термодинамика, похоже, успешно применялась в самых разнообразных ситуациях, начиная от поведения пара (та задача, которая породила саму термодинамику) и кончая замерзанием, кипением и химическими реакциями. (В наши дни мы могли бы добавить более экзотические примеры; астрономы обнаружили, что мириады звезд в шаровых скоплениях в нашей и других галактиках ведут себя как газы при определенной температуре, а в работах Бекенштейна и Хокинга было теоретически показано, что черные дыры обладают энтропией, пропорциональной площади поверхности дыры.) Если термодинамика столь универсальна, то как можно ее логически связать с физикой определенных типов частиц и сил?
Затем, во второй половине XIX в., в работах нового поколения физиков-теоретиков (включая Джеймса Клерка Максвелла в Шотландии, Людвига Больцмана в Германии и Джосайи Уилларда Гиббса в Америке) было показано, что принципы термодинамики можно на самом деле математически вывести, анализируя вероятности различных конфигураций систем определенного типа, в которых энергия распределяется среди очень большого числа подсистем. Так происходит, например, в газе, энергия которого распределяется среди образующих газ молекул. (Эрнст Нагель приводит этот пример как образец сведения одной теории к другой[24]) В рамках такой статистической механики тепловая энергия газа является просто кинетической энергией его частиц; энтропия есть мера беспорядка в системе; второй закон термодинамики выражает тенденцию изолированной системы становиться все более неупорядоченной. Переток теплоты из всех океанов в Атлантический привел бы к увеличению порядка, и именно поэтому так не происходит.
Какое-то время, в период между 1880-м и 1890-м гг., происходила настоящая битва между теми, кто поддерживал новую статистическую механику, и теми, кто, как Макс Планк и химик Вильгельм Оствальд, продолжали утверждать логическую независимость термодинамики[25]. Эрнст Цермело пошел еще дальше и пытался доказать, что, поскольку в рамках статистической механики уменьшение энтропии маловероятно, но все же возможно, то предположения о молекулах, на которых построена статистическая механика, не могут быть верными. Эта битва была в конце концов выиграна последователями статистической механики, после того как в начале ХХ в. всеми была признана реальность атомов и молекул. Тем не менее, даже получив объяснение в терминах частиц и сил, термодинамика продолжает иметь дело с такими понятиями, как температура и энтропия, теряющими всякий смысл на уровне отдельных частиц.