Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

Детские представления о мироустройстве, автоматически сохраняющиеся у многих взрослых, гораздо ближе к «человеческой» модели, чем к совершенным законам физики. У нас есть опыт, на основании которого мы оцениваем варианты и делаем выбор. Создается впечатление, что наш мысленный выбор влияет и на физический мир. В частности, представляется, что именно так мы контролируем движение тела. Основываясь на эмпирических правилах, мы предполагаем, как поведут себя те или иные люди и предметы, и только изредка задействуем логические рассуждения и расчеты. Никто не ходит, не ездит на мотоцикле и не ловит летящий мяч на основании законов движения Ньютона, не говоря уже о квантовой теории материи.

Чтобы понять основы устройства мира, надо переосмыслить этот опыт и усвоенные с детства методы. Только тогда мы сможем отойти от законов человеческих и перейти к законам физики.

ТРИУМФ ЛОКАЛЬНОСТИ И СЛАВА ПОЛЕЙ

Опубликованные в 1687 году «Математические начала натуральной философии» Ньютона стали надежной основой для понимания физического мира, доминировавшей в науке практически до конца XIX столетия. В соответствии с тогдашними представлениями законы описывают действие тел друг на друга. Закон всемирного тяготения Ньютона успешно работал. Согласно ему, тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс и убывающей обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

Когда люди начали знакомиться с силами другого типа — электрическими и магнитными, — они попытались использовать ту же схему. Первые результаты были вдохновляющими. Например, если массы заменить на электрические заряды, закон Кулона для электрических сил повторяет закон тяготения Ньютона.

Но с магнетизмом все пошло не так гладко. Оказалось, что магнитные силы сложным образом зависят не только от координат, но и от скорости. Ситуация осложнилась еще больше, когда люди стали изучать одновременное действие электрических и магнитных сил.

Майкл Фарадей (1791–1867) — гениальный экспериментатор-самоучка из простой семьи — не последовал за изощренными математическими формулировками описывающих силы законов. Вместо этого он, полагаясь на воображение, думал самостоятельно. Фарадей представлял себе, что электро- и магнитно-активные тела распространяют влияние на пространство как на своего рода проницаемую материю или атмосферу, даже когда нет никаких других тел, способных чувствовать это влияние. Сегодня мы называем такое возмущение пространства электрическим и магнитным полем. Фарадей использовал более выразительный термин: силовые линии. Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), исключительно способный теоретик, ставший последователем Фарадея и проповедником его идей, сказал: «Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие всё пространство силовые линии там, где математики видели центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение явлений в реальных процессах, которые происходят в среде, а они довольствовались тем, что нашли его в силе действия на расстоянии»[60].

Руководствуясь такими смелыми представлениями, Фарадей обнаружил эффект, который без ссылки на поля даже сформулировать было бы трудно. Это закон электромагнитной индукции, согласно которому меняющиеся во времени магнитные поля создают циркулирующие электрические поля. Это открытие Фарадея показало, что поля живут собственной жизнью.

По мнению Фарадея, локальное воздействие в заполненном средой пространстве может быть причиной силы, действующей между удаленными друг от друга телами. Мысленно перенесясь к берегу водоема, мы сможем легко понять этот тезис. Когда несущаяся лодка создает волны, они методично распространяются на все озеро по мере того, как движущаяся вода в одном месте толкает воду поблизости — и только поблизости. Через какое-то время, когда до них дойдет волна, даже пловцы, находящиеся вдали от источника возмущения, почувствуют действие силы. Я много раз сталкивался с этим малоприятным явлением. Было бы еще хуже, если бы волна приближалась без предупреждения, но, к счастью, обычно я видел ее заранее. Локальность — подарок судьбы, не позволяющий застигнуть вас врасплох.

Дополненное Фарадеем представление о локальности привело к революции в физике. Заполняющие пространство электромагнитные поля следовало включить в список строительных элементов мира. Модель Ньютона, построенную на частицах в пространстве и возвращавшую нас к «атомам и пустоте» Демокрита, пришлось переосмыслить. Таким образом, наше описание мира существенно обогатилось. Максвелл писал: