|
КАК ВОЗНИКЛИ ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ? ПОРАЗИТЕЛЬНЫЕ ГИПОТЕЗЫ ФИЗИКОВ
|
|
|
|
06.02.2008
|
|
|
|
Александр ВОЛКОВ
|
|
|
|
Как возникли законы природы? В былые времена люди полагали,
|
|
что они придуманы Богом. Сегодня физики вновь задаются этим вопросом
|
|
и выдвигают поразительные гипотезы. Что же такое законы природы?
|
|
|
|
Мы видим, что мир живет по определенным правилам, именуемым "законами природы". Они доступны нашему пониманию. Ученые открывают эти законы и формулируют их. Их поиск давно считается самым важным и почетным долгом исследователей. Прогресс в науке тесно связан с открытием законов природы. Они помогают обобщать факты, объяснять происходящее, прогнозировать будущее. Многим кажется естественным, что в хаосе многообразных процессов, протекающих вокруг нас, угадывается стройный порядок, и он ощутим на всех уровнях от Микрокосма до Макрокосма. Все мироздание живет по законам, скрепляющим его, как тело — скелет.
|
|
|
|
Но откуда они взялись? Вечны ли они или со временем меняются? Слепо ли подчиняется им природа или может их нарушить? Почему многие из них — особенно законы физики — мы можем формулировать на языке математики? Быть может, сам Бог является математиком, как шутят ученые?
|
|
|
|
На протяжении веков люди отвечали на эти вопросы, не задумываясь. Законы природы придумал Бог. Они действуют вечно. Стало быть, они возникли в момент сотворения Вселенной, — говоря научным языком, во время Большого Взрыва. И, очевидно, уже тогда они были "идеальными". Но верится в такое с трудом. Можно ли предусмотреть все заранее? Для чего в момент зарождения Вселенной нам нужен закон, который "следил" бы за тем, чтобы некоторые металлы при температуре, близкой к абсолютному нулю по шкале Кельвина, теряли свое электрическое сопротивление? О каких сверхнизких температурах шла речь в тот миг? О каком абсолютном нуле? В том беспрестанно кипевшем "первородном супе", что наполнял народившийся космос, не могло быть и речи о сверхпроводимости!
|
|
|
|
А если ответить по-другому? Может быть, законы природы "не сотворены" никем? Что если они исподволь формировались на протяжении многих миллионов лет? Мы знаем, что природа претерпевает эволюцию. Живые организмы приспосабливаются к окружающему их миру и соответственно меняются. Возможно, подобная эволюция происходит и в космосе. Элементарные частицы (протоны, электроны, нейтрино и иже с ними) каким-то образом "приспосабливаются" друг к другу. Возникают определенные "правила общежития" данных частиц. Некоторые правила забываются, некоторые усваиваются все четче — они и становятся "законами природы". Так, например, считает биолог Руперт Шелдрейк. Впрочем, он уже давно заклеймен как представитель псевдонауки, придумавший теорию "морфогенетических (формообразующих) полей".
|
|
|
|
Подобные идеи впрямь противоречат знаниям, накопленным астрофизикой. Свет отдаленных галактик доносит до нас вести о том, какие законы действовали вскоре после "сотворения мира". Спектральные линии световых лучей свидетельствуют, что звезды в ту эпоху подчинялись тем же законам, что и сейчас.
|
|
|
|
От веры в высший разум до высшей математики
|
|
|
|
Для древних греков не существовало законов природы. В их представлении Природа вела себя так же хаотично, как человеческое общество. Отдельные атомы, — им соответствовали греческие города-государства, — блуждали, сталкивались друг с другом, на короткое время соединялись, а потом их непрочные союзы вновь распадались.
|
|
|
|
Как следствие, античным ученым удалось открыть, пожалуй, лишь три физических закономерности, которые заслуживают названия "законов природы": закон рычага, закон отражения света Евклида и, наконец, знаменитый закон Архимеда ("На всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила..."). Впрочем, ни Архимед, ни другие ученые того времени не называли эти воззрения "законами", а говорили, как и в математике, о "принципах", "аксиомах" и "теоремах". Со времен Пифагора считалось, что в основе миропорядка лежит некая математическая гармония. Во всяком сложном естестве имеется своя простая логика. Так образ "принципов", правящих миром, стал изначально складываться из математических элементов — цифр и операций над ними.
|
|
|
|
Вообще же лишь в средневековой Европе человек задумался о том, что в природе действуют свои неумолимые законы. Да и как было не думать об этом? Ведь мир пребывал во власти строгого Бога, ревностно следившего за тем, как соблюдаются его заповеди-законы. Для Августина Блаженного они были чем-то вроде привычки Господа творить то, а не иное, — привычки, которой Он в любой момент мог изменить, дабы явить желанное чудо.
|
|
|
|
Законы лишь на какой-то миг (что сотни или тысячи лет перед вечностью, как не одно мгновение?) ограничивали всемогущую волю Господа, но вовсе не отменяли ее. Законы, насажденные Творцом, постижимы, а чудеса, как всякое исключение, лишь подтверждают суровую правоту правил.
|
|
|
|
В эпоху Возрождения религия и естествознание были все так же тесно переплетены друг с другом. Враждебные отношения ученых и богословов не стоит переоценивать. Науку и веру сплачивала глубокая, внутренняя общность. Их плодотворная связь не утрачивается и в дальнейшем. Так, Ньютон был истово верующим человеком, а Лейбниц усматривал в законах природы непреложную волю Господню. Само их существование свидетельствовало, в какой гармонии живет мир и как прекрасно все, что творит Бог. Верил в высший разум и Альберт Эйнштейн. Без этой веры вряд ли могла зародиться мысль о "формуле мироздания", описывающей все явления явления, что происходят в нашем мире.
|
|
|
|
Деятельность многочисленной плеяды ремесленников и инженеров эпохи Возрождения заставила людей Нового времени по-иному взглянуть на законы, данные Богом. Можно было не только подчиняться им, но и использовать их во благо себе, придумывая приборы, действующие по этим законам, вторгаясь в процессы, протекающие по этим законам, наконец, управляя самой природой, подчиняя ее себе, заставляя себе служить. Господь мог бы вмешаться в наш диалог с природой, лишая ее иногда возможности жить по закону, данному от века, и заставляя жить по закону Чуда Божьего. Но раз этого нарушения вековых правил не наблюдалось, новые поколения ученых решили, что Бог бездействует потому, что... Он умер, Его нет в природе, Он не от мира сего. Не допускавший все последние века исключения из правил мироздания, Бог был исключен из самого мироздания, как лишняя в нем сущность. Сухие строки формул заменили его. Но остается открытым вопрос: откуда мы знаем, что математический язык в точности — "один к одному" — отражает действительность? Уже сейчас для ее описания используются сложнейшие формулы, которые лежат на грани разумного. Что дальше?
|
|
|
|
Реалисты, конструктивисты и все-все-все
|
|
|
|
Гипотеза о существовании в природе неких законов оказалась настолько эффективной, что ученые продолжали ее придерживаться, даже когда предполагаемый творец законов — Бог — был упразднен. Изгнание Бога лишь осложнило вопрос происхождения законов. Вечно ли они существуют? А, может быть, их "вечно" придумывают? В спорах о сущности законов природы выделяется несколько партий.
|
|
|
|
• Реалисты, или платоники, полагают, что законы природы существуют независимо от наших формулировок и определений. Они реальны, как стулья, полемически писал в своей книге "Мечта о единстве Вселенной" нобелевский лауреат Стивен Вайнберг: "Я отстаиваю реальность законов природы... Если мы говорим, что какой-то предмет реален, то тем самым просто выражаем своего рода уважение к нему. Мы полагаем, что к данному предмету надо отнестись вполне серьезно, поскольку не в нашей власти всецело контролировать его, а значит, мы в какой-то мере сами можем испытать его влияние".
|
|
|
|
Разумеется, законы природы заслуживают куда большего уважения, чем любые предметы. Ведь последние все же не могут ускользнуть из-под нашей власти. Мы вольны переставить стул, передвинуть стрелку часов, раздробить каменную глыбу, а вот повлиять на законы природы не можем. Сколько мы ни наблюдаем за Солнцем, мы не в силах изменить, например, силу его притяжения. Мы зависим от законов природы, а они от нас — нет. Эти законы не выдуманы нами, а открыты. И, подобно тому, как пустынный остров, затерянный в океане, существовал задолго до того, как его увидел человек, так и законы природы были математичны еще во время оно, а не только с тех пор, как их открыли. В этом убеждены и некоторые современные ученые, например, американский физик Александр Виленкин, выросший в СССР: "Надо полагать, что законы физики существовали "еще до того", как возникла Вселенная". По его мнению, сам факт рождения и становления Вселенной априори предполагает наличие определенных законов, по которым будет протекать ее развитие. Эта точка зрения близка традиции Платона, который верил в то, что за пределами видимого нами мира реально существует мир идей.
|
|
|
|
• Позитивисты и номиналисты убеждены в обратном. "Я не соглашусь с Платоном, — заявляет Стивен Хоукинг. — Физические теории — это лишь математические модели, которые мы конструируем. Мы не можем задаться вопросом, что такое действительность, ведь мы не в силах проверить, что реально, а что нет, не прибегая к помощи разного рода моделей". Подобное мнение не ново. Физик и философ Эрнст Мах, ставший когда-то объектом нападок первого классика ленинизма, призывал ограничиваться лишь простыми математическими описаниями эмпирических про¬цессов. А философ Людвиг Витгенштейн в "Логико-философском трактате" полемично заявлял, что "в основе всего современного мировоззрения лежит ошибочное убеждение в том, что так называемые законы природы суть объяснения явлений природы".
|
|
|
|
• Прагматики, избегая крайностей, присущих сторонникам обоих научных лагерей, считают законы природы неким полезным подспорьем, помогающим довольно точно описать природные феномены. "Меня интересует модель, которая наиболее эффективно объяснит наблюдаемые факты, — подчеркивает американский физик и космолог Пол Стейнхардт. — Соответствует ли она реальности, это пустой вопрос. Модели всегда упрощают реальность. По сути дела, нам не очень даже важна реальность сама по себе. Мы нуждаемся, прежде всего, в модели, которая описывает многообразие сложных феноменов с помощью самых простых концепций, понятных нашему разумению и позволяющих предсказывать происходящее". Выступая перед студентами, Стейнхардт часто приводит следующий пример. По телевизору идет трансляция футбольного матча. В таком случае, пробуя предсказать, что произойдет в следующий момент, лучше всего полагать, что цветовые пятна на экране — это подобия футболистов, и дальше руководствоваться знанием футбольных правил и закономерностями игры как таковой. Конечно, можно прибегнуть к "более реалистичной" модели — вспомнить об особенностях электронно-лучевой трубки, об электромагнитных полях — в общем, обо всем том, что порождает цветовые сигналы на экране монитора. "Но знание этих основ электроники окажется бесполезным, если мы захотим понять, что произойдет в футбольной игре в следующую минуту. Итак, выбор модели зависит от того, какие задачи мы ставим перед собой. Реальность — это не всегда то, что вам хотелось бы, а вам хотелось бы понимания".
|
|
|
|
• Конвенционалисты относятся к законам природы еще радикальнее. Для них они — не просто полезное подспорье, придуманное людьми, но еще и отражение определенных норм и традиций, укоренившихся в обществе. По их мнению, природа живет по законам, навязанным ей людьми, например, кастой богословов или ученых. Если утрировать сказанное, нет разницы в том, вращается ли Земля вокруг Солнца или Солнце вокруг Земли, важно лишь, какое мнение складывается об этом в обществе, а оно переменчиво, как и судьба закона, описывающего отношения нашей планеты и светила.
|
|
|
|
• Конструктивисты, или инструменталисты, рассматривают законы как средство описания природы. Они считают, что вести речь об истине или лжи бессмысленно и надо оценивать законы природы по другим критериям — практичны они или нет, понимая эту практичность в буквальном смысле слова, а именно, можно ли на их основе конструировать различные приборы, механизмы и измерительные аппараты. Натурфилософия в таком понимании — это прикладная техника, "набор новейших технических ноу-хау", заявляет Петер Яних, профессор философии Марбургского университета и автор книги "Границы естествознания: познавать значит действовать". По его словам, "пресловутые законы природы — это всего лишь высказывания о функционирующих машинах, высказывания, которые можно без особых преобразований использовать как инструкции по конструированию разного рода машин".
|
|
|
|
Подобные полемичные мнения, естественно, вызывают резкий отпор у тех, кто удивленно вопрошает: "Что можно сконструировать при помощи теории относительности или уравнения Шредингера? И разве планеты движутся вокруг Солнца только ради того, чтобы мы юстировали по ним наши телескопы и совершенствовали их конструкцию?"
|
|
|
|
На этом фоне куда более практичными выглядят соображения "реалистов". Ведь, с их точки зрения, можно объяснить, почему одни научные теории являются истинными, а другие — ложными. Природа — вот безжалостный, неподкупный судья, решающий, верна теория или нет. Не бывает нескольких отличных друг от друга, но одинаково истинных теорий, описывающих некий феномен. Непременно одна из них берет верх, а другие, несмотря на всю свою убедительность, оказываются ложными. Мы тянемся к истине, мы ищем ее. Но как выглядит истина в нашем толковании?
|
|
|
|
Как придумать закон?
|
|
|
|
Простейшие законы природы — такие, как "зависимость силы тяготения от квадрата расстояния", — мы еще можем представить себе чисто геометрически. Но что прикажете делать с общей теорией относительности или квантовой физикой? С какой стати Матушке-Природе ведомы столь сложные конструкции, что они недоступны разумению большинства людей? Что если мы заблуждаемся, считая, что природа следует каким-то формулам? Закономерности ведь можно разглядеть в любом нагромождении случайных фактов.
|
|
|
|
Возможно, многие закономерности, принимаемые нами за неумолимые законы, являются лишь следствием нашей способности отыскивать определенные схемы в любых наблюдаемых процессах. Она укоренилась в нас еще в каменном веке. Чтобы выжить в ту эпоху, человеку приходилось выказывать недюжинную наблюдательность. От его взгляда не должна была уклониться ни одна подозрительная деталь — ни сломанная ветка, ни примятая трава. Иначе легко было стать жертвой хищника. У страха глаза велики, и наши далекие предки порой замечали опасность там, где ее вообще не было. Отыскивали знак зверя там, где не ступала его нога.
|
|
|
|
Вот и мы часто видим то, чего нет. Быть может, квантовая физика и астрология имеют больше общего, чем полагают многие. В том и другом случае — глядя в гороскоп или взирая на уравнение — мы хотим видеть то, что эти формулы обещают нам. И мы это видим.
|
|
|
|
Возможно, читатели не знают, что уравнение Шредингера, важнейшее уравнение квантовой физики, весьма вольно трактует реальность. Вот что сказано о нем в "Берклеевском курсе физики" Э. Вихмана: "Теория уравнения Шредингера... основана на нескольких сильных допущениях, из которых мы отметим главные:
|
|
|
|
1) частицы не рождаются и не исчезают: в любом физическом процессе число частиц данного типа остается постоянным;
|
|
2) скорость частиц достаточно мала; лишь в этом случае возможно нерелятивистское приближение.
|
|
|
|
Мы считаем перечисленные допущения сильными, так как, во-первых, из опыта известно, что процессы рождения и аннигиляции частиц действительно происходят, а во-вторых, любая фундаментальная теория должна принимать во внимание принципы специальной теории относительности".
|
|
|
|
Так что, было бы поспешно заявлять, что законы квантовой физики идеально отражают действительность. Можно лишь отметить, вновь процитировав Э. Вихмана, "что применение теории Шредингера к атомным и молекулярным явлениям оказалось чрезвычайно успешным. В этой области ее следует считать, несмотря на ограниченность, хорошим приближением". Она достаточно верно предсказывает поведение элементарных частиц.
|
|
|
|
Итак, законы физики, равно как и гороскопы, имеют обыкновение "предсказывать" — нужно лишь правильно сформулировать их, сделав определенные допущения. На практике мы вынуждены пренебрегать многими факторами, мешающими проявлению этих законов. Так что, они определенно идеализируют природу и зачастую следуют особенностям нашего мышления. Порой мы го¬товы скорее придумать законы, чем их открыть.
|
|
|
|
Возьмем, к примеру, "закон сохранения энергии". Что будет, если он перестанет вдруг соблюдаться — в Микромире ли, в Макромире? Нас это не смутит. В его незыблемости мы уверены. Мы тут же, походя, выдумаем новую форму энергии — какую-нибудь энергию вакуума, — избавляющую нас от любых сомнений. И вот уже энергетический баланс восстановлен.
|
|
|
|
Так, например, когда масса видимой Вселенной оказалась недостаточной, чтобы соблюдались известные нам законы, пришлось "открывать на кончике пера" темное вещество, а затем и темную энергию. Логика рассуждений заставила нас признать, что мироздание на 95% состоит из материи, которая почти никак не заявляет о своем присутствии. Подобные открытия побуждают некоторых заявлять, что вся физика — фикция.
|
|
|
|
Когда время течет из будущего в прошлое
|
|
|
|
Вот любопытная гипотеза, объясняющая эволюцию законов природы. Представим себе камень, брошенный в воду. Он порождает волну, которая распространяется во времени и пространстве — направляется в будущее и бесконечность. Мы видим эту волну в следующую секунду в метре от нас; она бежит вперед, дальше... Уравнение, описывающее поведение подобных волн, имеет два решения. Первое из решений — "запаздывающее" — описывает поведение волны так, как ее видит наблюдатель. Можно прибегнуть к такой формуле: "Некие сигналы, испускаемые настоящим, воздействуют на будущее". Но есть и другое решение уравнения — "опережающее". Оно описывает все с точностью до наоборот. Откуда-то из бесконечной дали и из будущего к нам направ¬ляется некая едва различимая рябь. Наконец, достигнув "здесь и сейчас", она сгущается. Происходит сингулярное событие: из воды вылетает камень. Можно прибегнуть к такой формуле: "Настоящее улавливает некие сигналы, испускаемые будущим». Для этой волны время течет в обратном направлении.
|
|
|
|
На первый взгляд, подобное описание действительности есть сущая бессмыслица. А что если это не так? В свое время этой проблемой занялись два ведущих американских физика, Ричард Фейнман и Джон Уилер. Их интересовало, может ли существовать Вселенная, в которой встречаются оба описанных нами типа волн: волна, устремленная в будущее, и волна, что возвращается из будущего и воздействует на настоящее. Полученный результат таков: если предположить, что все волны действуют по принципу "фифти-фифти", то есть одна и та же волна наполовину "запаздывает", наполовину "опережает" будущее, то нет ничего невозможного в том, что будущее воздействует на наш сегодняшний мир. Самое удивительное, что подобный мир, воссозданный искусством математики и пребывающий под властью собственного будущего, мы не можем отличить от того мира, который нас окружает, и который мы видим перед собой. Мы живем в этом мире.
|
|
|
|
Американский физик Джон Крамер разработал гипотезу, которую он назвал "гипотезой встречи времен". Если атом испускает фотон, то из этого следует, что когда-нибудь этот фотон неминуемо будет поглощен. Первое событие — рождение фотона — может состояться только в том случае, если состоится второе событие — его поглощение. Оба события излучают волны, которые распространяются во времени. Одна направляется в будущее, другая спешит в прошлое. Посреди пространства и времени они встречаются. Итак, фотон может существовать лишь в том случае, если подтвердится, что оба важнейших для него события реальны, что он родится и погибнет.
|
|
|
|
(Как тут не применить эту гипотезу к человеческой судьбе? Из нее явствует, что все события, способные принести человеку смерть, — от глобальных катастроф до не рожденных пока микробов, — излучают определенные волны, которые беспорядочно минуют нас, пока, наконец, одна нас не заденет. Поясним этот процесс следующим сравнением. Представим себе, что рядом с улицей, по которой мы ежедневно ходим, спрятался слепой безумный автоматчик, изо дня в день стреляющий наугад очередями. Когда-нибудь его пуля непременно "заденет и поглотит вас". Так что все вокруг нас насыщено "миазмами" смерти, испускаемыми будущим.)
|
|
|
|
Законы природы могли бы возникать, как световые частицы. Если предположить, что те адресуются к самим себе, пребывающим за пределами нашего времени — в далеком будущем мире, то и законы природы мы вправе рассматривать с двух точек зрения. Первая — это привычная для нас причинно-следственная связь событий в настоящем. Это — "детерминированный" подход к мирозданию. Другая точка зрения — "телеологическая": будущее влияет на настоящее. Волны проникают в будущее и при¬бывают оттуда. Посреди пространства и времени они встречаются и создают некий порядок: законы природы. Так сходятся две гипотезы: законы природы формируются исподволь, постепенно, но с другой стороны, их творит будущее.
|
|
|
|
...Впрочем, если все эти рассуждения покажутся вам слишком туманными, то почему бы тогда не согласиться с кредо британского историка Томаса Карлейля: "Я не притязаю на постижение Вселенной — она чересчур велика для меня".
|
|
|
|
"Законы природы сотворили наш мир"
|
|
|
|
(Из интервью немецкого физика Петера Мительштедта* журналу "Bild der Wissenschaft")
|
|
|
|
— Можно бесконечно рассуждать о том, что такое законы природы и существуют ли они в реальности. Вы посвятили им целую книгу, которая так и называется — "Законы природы". Что вы понимаете под этим термином?
|
|
|
|
Мительштедт: Законы природы определяют ход природных процессов. Описывая природу, мы прибегаем к помощи универсальных законов, а также конкретных начальных условий. Последние характеризуют частные случаи и единичные факторы, а законы выявляют нечто общее в протекающих процессах.
|
|
|
|
— Что отличает законы природы?
|
|
|
|
Мительштедт: Они больше, чем просто законы логики или математики, а потому их можно опровергнуть эмпирическим путем. Конечно, последние действуют и в материальном мире, но они не являются подлинными законами природы. Многое, что мы принимаем за законы природы, оказывается при более пристальном рассмотрении логико-математическими законами. Особенно это касается квантовой механики.
|
|
|
|
— Законы природы есть только в физике или, например, в биологии тоже?
|
|
|
|
Мительштедт: Законы физики описывают универсальные категории материального мира. Это законы времени и пространства, это фундаментальные законы, обуславливающие поведение материи. Они действуют везде, в том числе в биологии. Существование же особых законов, применимых, например, только в биологии, — законов, которые нельзя свести к законам физики, — я считаю крайне невероятным.
|
|
|
|
— Для многих философов законы природы сродни платоновским идеям — они существуют где-то за пределами нашего материального, пространственно-временного мира. Для других это — всего лишь полезное подспорье, помогающее описывать наблюдаемый нами мир, или даже особые категории нашего сознания. А каково Ваше мнение на сей счет?
|
|
|
|
Мительштедт: Законы природы — это артефакты, с помощью которых мы пытаемся постичь реальность во всей ее сложности и целостности. В природных феноменах мы отличаем простое и универсальное (законы) от сложного и характерного (начальные и краевые условия).
|
|
|
|
— А можем ли мы понять, является ли наш мир продуктом законов природы или же наоборот?
|
|
|
|
Мительштедт: Законы природы, которые мы стремимся выявить и сформулировать, должны действовать независимо от места и времени во всех возможных мирах. Они действовали еще до рождения нашего мира, и будут действовать до его скончания, да и после того. Так что именно они определили становление нашего мира — они сотворили наш мир.
|
|
|
|
* В 1965-1995 годах Петер Мительштедт был профессором кафедры теоретической физики Кельнского университета. В 2005 году в соавторстве с философом Паулем Вайнгартнером выпустил книгу "Законы природы".
|
|
|
|
http://www.inauka.ru/analysis/article80431.html
|
