Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Значит ли это, что целое – это больше, чем сумма его частей, в том смысле, что нам нужна какая-то дополнительная физика, чтобы объяснить, к примеру, свойства материи в массе? Не обязательно. Идея вновь возникающих физических свойств, таких как тепло, давление или влажность, которые не имеют аналогов на уровне атомной физики, не означает, что система – это нечто большее, чем сумма ее частей, при условии, что эти новые свойства основаны на более фундаментальных концепциях, например электромагнитные силы между субатомными частицами в случае воды.

Редукционистская гипотеза получила новое развитие, когда физики XIX века попытались исследовать свойства сложных систем, которые не подчинялись простым законам ньютоновской механики. Так, открытия Джеймса Максвелла и Людвига Больцмана привели к тому, что к концу века возникли две новые области физики – термодинамика и статистическая механика, что помогло ученым исследовать системы, состоящие из множества частиц, рассматривая их «оптом». (Мы более подробно поговорим об этих разделах физики в главе 6).

Таким образом, хотя нельзя измерить температуру и давление газа, изучая, каким образом отдельные молекулы вибрируют и сталкиваются друг с другом, мы все-таки признаем, что температура и давление определяются не чем иным, как коллективным поведением отдельных молекул. А чем же еще?

Однако, хотя эту редукционистскую идею нельзя считать ложной – в том смысле, что нет никаких волшебных физических процессов, которые бы вдруг возникали, когда мы удаляемся от молекулярного масштаба, – она никак не помогает нам описывать свойства сложных систем. Но, чтобы узнать и понять, как на основании совокупного поведения составляющих частей в системе могут возникать какие-то новые свойства, нам нужна не «новая» физика или «больше» физики. Нобелевский лауреат Филип Андерсон изложил эту мысль в своей знаменитой работе «Много – это другое дело» (More is different).[12]

Однако понимать, что для исследования массива, полученного объединением составляющих его элементов (частиц, атомов и молекул), необходимо больше физики, – это не то же самое, что знать, какой физики нам не хватает. Это становится ясно, если попытаться составить единую картину физической Вселенной. Например, мы еще не умеем выводить законы термодинамики из Стандартной модели физики частиц – или, собственно, делать обратное, поскольку неясно, какой из этих двух столпов физики является более фундаментальным. И мы еще дальше от понимания того, например, что отличает живое от неживого. В конечном счете и я, и вы – все мы состоим из атомов, а то, что мы живы, – это не просто вопрос сложности, поскольку живой организм с точки зрения его атомной структуры не более сложен, чем такой же, но мертвый организм.

И все же… наверное, можно мечтать о том времени, когда мы разработаем единую физическую теорию, которая будет лежать в основе всех природных явлений. До тех пор достаточно помнить, что редукционистская гипотеза имеет серьезные ограничения, а нам нужно пользоваться различными теориями и моделями, в зависимости от того, что мы пытаемся описать.

Пределы универсальности

Несмотря на наше стремление найти универсальные законы физики, ограниченность редукционизма указывает на тот факт, что иногда физические объекты ведут себя по-разному в зависимости от масштабов явления, и анализировать их надо, опираясь на соответствующую модель или теорию. Например, если рассматривать уровень планет, звезд и галактик, то в этом мире главенствует сила тяготения – она поддерживает структуру Вселенной. Однако на уровне атомов она не играет никакой сколько-нибудь заметной роли, поскольку там доминируют другие три силы: электромагнетизм и слабые/сильные ядерные силы. Наверное, самая большая нерешенная проблема всей физики, о которой мы поговорим в главе 5, заключается в том, что законы физики, описывающие наш так называемый классический мир материи, энергии, пространства и времени, просто не работают, когда мы сужаем этот мир до отдельных атомов, где начинают работать совершенно иные законы квантовой механики.