Всё так, как оно есть, и всё?

Брюс Паркер

Приглашенный профессор Центра исследования морских систем Стивенсовского технологического института, океанограф; автор книги The Power of the Sea: Tsunamis, Storm Surges, Roque Waves, and Our Quest to Predict Disasters («Сила моря: цунами, штормы, волны-бродяги и наши попытки предсказания катастроф»)

Понятие неделимого элемента вещества, который невозможно раздробить дальше, знакомо человечеству не меньше 2,5 тысяч лет. Впервые его предложили древнегреческие и древнеиндийские философы. Демокрит назвал мельчайшую неделимую частицу вещества атомом (это как раз и означает «неделимый»). Атомы считались предметами простыми, вечными и неизменяемыми. Но в древнегреческой мысли (и, по большому счету, на протяжении еще примерно 2 тысяч лет) атомы проиграли 4 стихиям-первоэлементам Эмпедокла: огню, воздуху, воде и земле. Эти стихии также считались простыми, вечными и неизменяемыми, однако не состоящими из маленьких частиц. Аристотель полагал, что они бесконечно и неразрывно протяженные.

Дальнейшее развитие наших представлений о мире, основанных на идее атомов, произошло лишь в XVIII веке. На смену 4 первоэлементами Аристотеля пришли 33 элемента Лавуазье, который вычленил их с помощью химического анализа. Затем Дальтон использовал идею атомов для того, чтобы объяснить, почему элементы всегда реагируют друг с другом в целочисленных отношениях. Он предположил, что каждый элемент состоит из атомов определенного – и единственного – типа и что эти атомы могут связываться друг с другом, образуя химические соединения. Разумеется, к началу XX века (благодаря работам Томсона, Резерфорда, Бора и многих других ученых) человечество осознало, что атомы не являются неделимыми, а следовательно, не могут служить базовыми единицами материи. Стало ясно, что все атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов, которые и стали неделимыми компонентами материи – ее основными «кирпичиками».

То ли из?за того, что атомная модель Резерфорда – Бора теперь рассматривается как переходный этап в преддверии появления более сложных моделей, в основе которых лежит квантовая механика, то ли из?за того, что модель Резерфорда – Бора возникла не сразу, а стала результатом работы множества людей (и не представляла собой какой-то единичный красивый закон, предложенный учеными), мы как-то позабыли, какое большое количество явлений природы и ее объектов можно объяснить при помощи идеи протонов, нейтронов и электронов: вероятно, такого охвата не достигает ни одна другая теория. На основании свойств всего лишь трех этих основных частиц можно объяснить свойства 118 атомов (элементов) и свойства миллионов химических веществ, которые из этих атомов состоят. Поразительная универсальность, и она позволяет дать модели Резерфорда – Бора звание «моего любимого глубокого, изящ ного и красивого объяснения».

Со времен этого великого упрощения наши представления о Вселенной неустанно развивались, становясь более, а не менее сложными. Чтобы объяснить свойства трех основных частиц вещества, мы принялись искать «более основные» частицы. Выяснилось, что нам требуется 12 фермионов (6 кварков и 6 лептонов) для «объяснения» свойств 3 частиц, которые прежде считались фундаментальными (а также свойств некоторых других частиц: эти частицы оставались неведомыми нам, пока мы не построили ускорители с высокой энергией). Мы добавили в картину еще 4 частицы – носительницы взаимодействий, чтобы «объяснить» 4 фундаментальных типа силовых полей (электромагнитные, гравитационные, сильное и слабое ядерные взаимодействия), которые влияют на 3 частицы, раньше считавшиеся фундаментальными. Из этих 16 частиц (мы полагаем, что все они существуют) большинство нельзя наблюдать независимо (во всяком случае, при низких энергиях).

Даже если современная Стандартная модель в физике частиц окажется верной, все равно останется вопрос: «А что дальше?» Каждая частица, независимо от своего уровня в иерархии, имеет определенные свойства и характеристики. Когда нас спрашивают, почему кварки обладают определенным электрическим зарядом, «цветом», спином или массой, разве мы отвечаем: «Обладают – и всё»? Или мы пытаемся отыскать «еще более фундаментальные» частицы, которые, как нам представляется, объясняют свойства кварков, лептонов и бозонов? А если так, то означает ли это, что возможен поиск «еще более элементарных» частиц? И может ли такой процесс длиться вечно? Или же на каком-то этапе мы ответим на вопрос: «Почему эта частица обладает такими свойствами?» простым «обладает – и всё»? Настанет ли момент, когда нам придется сказать, что во Вселенной больше не осталось «почему?» и она такова просто потому, что такова?

На каком уровне иерархии нашего понимания Вселенной мы удовлетворимся таким ответом? Первый уровень (с наименьшим объемом понимания мира) – религиозный: олимпийские боги, каждый из которых отвечает за свое явление природы, или всеведущий монотеистический Бог, сотворивший мир и заставляющий все действовать непознаваемыми для человека средствами и способами. Аристотель и некоторые другие древнегреческие философы включали олимпийских богов (землей, водой, огнем и воздухом управляли отдельные божества) в свои теории устройства мира, однако Демокрит и его последователи были детерминистами и материалистами, поэтому искали в природе предсказуемый рисунок событий и объектов, простые строительные элементы. В ходе эволюции научного мышления встречается много различных эпизодов, сводящихся к максиме «Это так, потому что это так», когда объяснение или теория, кажется, словно бы заходит в тупик, пока не явится кто-нибудь, кто скажет: «Может, дело обстоит иначе» – и поможет дальнейшему развитию наших представлений о мире. Но когда мы обращаемся к наиболее фундаментальным вопросам насчет нашей Вселенной (и нашего собственного существования), ответ «Это так, просто потому что это так» становится более вероятным. Один из основополагающих вопросов науки – будут ли когда-нибудь найдены по-настоящему неделимые частицы вещества. Сопутствующий ему философский вопрос – могут ли вообще в природе существовать неделимые частицы.

На каком-то уровне следующая группа математически предсказанных «частиц» может показаться настолько ненаблюдаемой («нереальной»), что мы опишем эти частицы просто как компоненты математической модели, которая, как нам представляется, точно описывает наблюдаемые частицы предыдущего уровня. И тогда на вопрос, почему эти «новые» частицы ведут себя так, как описывает данная математическая модель, можно будет ответить лишь: «Ведут себя так – и всё». Насколько далеко мы зайдем с такими моделями, зависит, по всей видимости, от того, много ли новый уровень модели позволяет нам объяснить в наблюдаемых явлениях, прежде не получивших никакого объяснения, и удастся ли нам корректно предсказывать новые явления. (А может быть, нас остановит то, что модель станет чересчур сложной и громоздкой.)

Детерминистам, которых по-прежнему беспокоит вероятностная природа квантовой механики или философский вопрос о том, что было до Большого взрыва, осталось сделать всего один шаг и признать, что в нашей Вселенной есть по-настоящему неразрешимая загадка. Признать, но, быть может, все-таки не принять: нельзя исключить, что еще появится новая, куда более удачная модель, которая объяснит необъясненное.