Основы реальности - Фрэнк Вильчек

II

Научиться взаимодействовать с общим внешним – физическим – миром – безусловно, жизненно важно, и аспектов у такого навыка много. Например, чтобы преуспеть в обществе наших предков – охотников и собирателей, – ребенок должен был получить знания о том, где добыть воду, какие растения и каких животных можно есть, как всю эту еду найти, вырастить или поймать, а затем приготовить – и еще немало других вещей.

В более высокоорганизованных обществах возникли новые потребности: например, научиться делать специальные инструменты, строить прочные здания и следить за временем. Если находились удачные решения проблем, поставленных физическим миром, ими делились с другими, их передавали из поколения в поколение. Так в каждом обществе закладывались основы технологий.

Сложные технологии могли появиться даже в обществах, не подкованных в науке. Некоторые из этих технологий позволили – и все еще позволяют – людям вполне комфортно выживать в сложных условиях, таких как Арктика или пустыня Калахари. В других обществах делался упор на строительство больших городов и грандиозных памятников наподобие египетских и мезоамериканских пирамид. Тем не менее на протяжении почти всей истории человечества технологии развивались стихийно. Удачные технические решения находились более-менее случайно, и если такое происходило, то их передавали в виде своеобразных ритуалов и традиций. Обычно попытки логически их осмыслить не делались, систематические усилия что-либо усовершенствовать не предпринимались.

Такие прикладные технологии позволяли людям выживать, растить детей, не бедствовать и иногда даже отдыхать. Веками для большинства цивилизаций этого было достаточно. У наших предков не имелось возможности узнать, чего они лишены, или понять, что упускаемое может быть важно. Но теперь мы знаем, что им не хватало многого. Этот рисунок, демонстрирующий рост производительности труда со временем, говорит сам за себя – красноречивее всяких слов.

III

Современный подход к пониманию мира зародился в Европе в XVII веке. Отдельные озарения бывали и раньше, и в других частях света, но именно череда прорывов, получившая название научной революции, показала нам, чего может достигнуть человеческий разум, если творчески займется изучением физического мира. Методы и подходы, которые привели к этим прорывам, стали образцами в будущих исследованиях. Так началась наука, которую мы знаем. И она всегда стремилась вперед.

В XVII веке гигантский теоретический и технический прогресс затронул многие области, в том числе конструирование механизмов и кораблей, оптических приборов (включая микроскопы и телескопы), часов и календарей. Люди смогли получать больше энергии, видеть больше и дальше, лучше справляться со своими задачами. Но по-настоящему уникальной и в полной мере заслуживающей свое название научную революцию делает гораздо менее материальная вещь. Изменилось само представление человека о мире: у людей появились новые замыслы, новая уверенность в своих силах.

Метод Кеплера, Галилея и Ньютона сочетает требование учиться у природы и почтительно относиться к фактам. Он также призывает смело и дерзко использовать то, что, как вам кажется, вы узнали и поняли, всюду, где только можно, даже в ситуациях, выходящих далеко за рамки вашего опыта. Если это срабатывает, значит, вы обнаружили что-то полезное. Если нет, вы узнали что-то важное. Я назвал такой подход радикальным консерватизмом, и для меня это важнейшая новаторская идея научной революции.

Радикальный консерватизм консервативен, потому что требует учиться у природы и уважать факты – это ключевые правила любого научного метода. Но он же радикален, потому что велит применять все, что вы узнали, везде, где это стоит попробовать. Это не менее важная грань науки. И это позволяет ей всегда идти вперед.

IV

К формированию нового подхода привело прежде всего развитие небесной механики – дисциплины, описывающей движение объектов на небесном своде. Уже к XVII веку она была хорошо развита.

Задолго до возникновения письменной истории люди установили многие закономерности – чередование ночей и дней, времен года, фаз Луны, – а также изучили регулярное перемещение звезд. С развитием сельского хозяйства стало важно следить за сменой сезонов, чтобы сажать и собирать урожай в наиболее подходящее время. Еще одну мощную, хотя и ошибочную, мотивацию для точных наблюдений за небесными светилами обеспечила астрология – вера в то, что человеческая жизнь напрямую связана с космическими ритмами. В любом случае по тем или иным причинам, а нередко и просто из любопытства, люди внимательно изучали небо.

Выяснилось, что подавляющее большинство звезд движется довольно простым и предсказуемым образом. Сегодня мы интерпретируем это кажущееся движение как результат вращения Земли вокруг своей оси. «Неподвижные звезды» находятся так далеко от нас, что относительно небольшие их смещения либо из-за собственного движения, либо из-за движения Земли вокруг Солнца невидимы без приборов. Но есть исключения: Солнце, Луна и несколько «странников» (планет) – включая видимые невооруженным глазом Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн – ведут себя иначе.

Древние астрономы веками записывали положение этих особых объектов и в конце концов научились предсказывать его изменения достаточно точно. Эта задача требовала геометрических и тригонометрических расчетов по сложным, но четко определенным инструкциям. Птолемей (ок. 100–170) обобщил все эти сведения и создал на их основе математический текст, получивший название «Альмагест». (Магест – греческое слово, означающее «величайший». Аль – определенный артикль в арабском языке. ) Этот труд был огромным достижением, но имел два недостатка. Во-первых, сложность правил расчета и, как следствие, их громоздкость. В частности, формулы, которые Птолемей использовал для расчета движения планет, содержали множество параметров, определявшихся из сопоставления вычислений с наблюдениями, а не из глубоких физических законов. Коперник (1473–1543) заметил, что значения некоторых параметров связаны друг с другом удивительно простыми соотношениями. Эти на первый взгляд загадочные, «случайные» соотношения можно было объяснить геометрически, если предположить, что Земля, как и Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, вращается по орбите вокруг ее центра – Солнца, а Луна еще и вращается вокруг Земли.

Второй недостаток труда Птолемея более очевиден: приведенные данные были неточными. Тихо Браге (1546–1601), предвосхищая наступление сегодняшней эпохи Большой науки [6 - Этим термином называют изменения, произошедшие в организации науки в индустриальных странах во время и после Второй мировой войны. Большая наука характеризуется большими проектами, требующими больших инвестиций (от государства или группы государств) и создания больших коллективов ученых из разных стран. Прим. пер. ], разработал сложные инструменты и потратил много денег на строительство обсерватории, что позволило наблюдать положения планет с гораздо большей точностью. Новые наблюдения выявили явные отклонения от предсказаний Птолемея.

Иоганн Кеплер (1571–1630) задался целью создать геометрическую модель движения планет, которая была бы и простой, и точной. Он использовал идеи Коперника и внес другие важные технические поправки в модель Птолемея. В частности, он заменил форму орбит, по которым планеты движутся вокруг Солнца, с простого круга на эллипс [7 - Это положение сформулировано в виде первого закона Кеплера: каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Прим. ред. ]. Кеплер также предположил, что скорость движения планет вокруг Солнца не является постоянной: чем дальше от Солнца по эллиптической орбите, тем медленнее движение, чем ближе к Солнцу – тем быстрее движется планета [8 - Это положение нашло отражение во втором законе Кеплера: каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает собой равные площади. Прим. ред. ]. Новая, более простая модель работала значительно лучше.