Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

В 1915 году Эмми Нётер открыла, что во всех случаях, когда мы наблюдаем в природе такую глобальную симметрию, мы непременно обнаружим действующий при этом закон сохранения (когда физическое количество остается неизменным). Например, тот факт, что действие законов физики остается неизменным при перемещении из одного места в другое, дает нам закон сохранения импульса, а тот факт, что действие законов физики остается неизменным при переходе от одного момента времени к другому, дает нам закон сохранения энергии.

Эта идея чрезвычайно полезна для теоретической физики и приводит к важным философским выводам. Физики постоянно ищут более глубокие, менее явные виды симметрии, которые скрыты в их математических выкладках. Теорема Нётер утверждает: чтобы найти способ описания мира, нам не надо «изобретать» особую математику; скорее, как и отмечал Галилей, природа сама говорит на языке математики, который уже существует и лишь ждет своего открытия.

Поиск новых видов симметрий помог физикам в их стремлении объединить все силы природы. Один из видов такой симметрии, который непросто объяснить, называется «суперсимметрия». Мы еще не знаем, является ли она подлинным свойством природы, но, если это так, это помогло бы разгадать несколько загадок, например, из чего состоит темная материя или является ли теория струн истинной теорией квантового тяготения. Проблема в том, что эта теория обосновывает существование некоторых, еще не открытых субатомных частиц. Пока мы не получим экспериментальное подтверждение, суперсимметрия будет оставаться только красивым математическим конструктом.

Кроме того, физики многое узнали – и получили за это кучу Нобелевских премий, анализируя исключения из правил и законов, проистекающих из симметрии. Такие явления называются «нарушением симметрии». С вами когда-нибудь случалось такое: вы сидите за круглым обеденным столом на торжественном мероприятии и не знаете, с какой стороны находится ваша тарелка с хлебом – справа или слева? Аккуратно расставленные тарелки, бокалы и приборы расположены совершенно симметрично. Если не иметь в виду этикет, то, в общем-то, не имеет значения, с какой стороны ваша тарелка для хлеба, но, как только кто-нибудь из гостей сделает свой выбор и (совершенно правильно) положит свой кусок на тарелку слева, симметрия нарушается и все могут последовать его примеру.

Нарушение симметрии помогло физикам понять, какие структурные компоненты образуют материю: это элементарные частицы и силы взаимодействия между ними.

Самый известный пример связан с одним из двух типов сил, действующих в пределах атомного ядра, известным под названием «слабая ядерная сила». До 1950-х годов считалось, что законы физики будут работать точно так же и в зеркальном отражении нашей Вселенной. Эта идея (о возможности замены левого на правое) известна как «закон сохранения четности», который справедлив для трех сил природы: тяготения, электромагнетизма и сильной ядерной силы. Однако оказалось, что слабая ядерная сила, которая связана с переходом протонов в нейтроны и обратно, не подчиняется закону зеркальной симметрии. В этом случае при замене левого на правое физика становится другой. Это нарушение зеркальной симметрии теперь является важным элементом Стандартной модели физики частиц.

Редукционизм

Многое в современной науке построено на следующей идее: понять какое-то сложное свойство этого мира можно, только разделив его на составляющие. Это как с часами, которые надо разобрать, чтобы рассмотреть, каким образом все колесики и шестеренки цепляются друг за друга, заставляя часы работать.

Теория о том, что целое является суммой его частей, известна как редукционизм, и она по сей день является столпом, на который опираются многие науки. Она восходит корнями к греческому философу Демокриту и его теории атомизма, гласившей, что материю нельзя бесконечно делить на более мелкие части, поскольку она состоит из цельных структурных элементов. Более поздние философы, Платон и Аристотель, отвергали атомизм и считали, что в мире есть еще что-то, что они представляли как «форму вещей», которой следует дополнять сами субстанции. Взять, например, форму статуи. Значение и суть статуи – нечто большее, чем тот камень, из которого она сделана. Это расплывчатое метафизическое понятие не вошло в современную физику. Однако, если смотреть на вещи с этой точки зрения, легче понять аргументы против редукционизма.

Возьмем другой пример – воду. Можно сколько угодно изучать свойства молекулы H₂O – геометрию связей между атомами кислорода и водорода и законы квантовой механики, управляющие ими, то, как молекулы воды прикрепляются друг к другу и какую образуют структуру, и так далее. Но мы никогда не сможем вывести свойство «влажности» воды, анализируя лишь ее элементы на молекулярном уровне. Это «новое» свойство становится очевидным, только когда мы наблюдаем триллионы молекул воды в их совокупности.