Алексей Цвелик - Жизнь в невозможном мире: Краткий курс физики для лириков
После доклада мне пришла в голову мысль, что ситуация эта, то есть сочетание простоты исходных принципов и чрезвычайной сложности, нетривиальности и многообразия возможных результатов, совершенно типична для устройства природы.
И хотя Теория Всего, в смысле знания основных принципов построения Вселенной, еще не построена, но принципы ее развития на каких-то определенных (и важных для нас) участках поняты уже достаточно хорошо. Формулируешь простые принципы, а дальше все катится как будто бы само, от простого к сложному, от элементарных частиц до биологических молекул, а далее от молекул до микробов, от микробов до человека. Правда, подробностей последних процессов мы еще не знаем, но, как показывает пример приведенного выше доклада, вполне возможно, что и эта задача будет со временем решена. Так где же здесь intellectuel design (разумная конструкция), когда тут все просто — толкнул и покатилось? Однако ведь нужно же сконструировать так, чтобы катилось? Не всякое колесо доедет от гоголевского города NN до Казани, а тут нужно, чтобы катилось 13,5 миллиардов лет (такова современная оценка возраста Вселенной). Не всякие принципы позволяют такое непрерывное развитие осуществить. Простота, которую мы здесь наблюдаем, есть не та, что хуже воровства, а простота гениальная.
Поясню свою мысль на примере. Дети часто играют в кубики, ставя их друг на друга, все выше и выше, пока башня не обрушится. Ставишь три, четыре, пять, шесть кубиков друг на друга, все держится, башня растет, а потом уже нужно быть очень осторожным — чуть-чуть заденешь, и обрушится, а потом уже и осторожность не помогает, башня рушится, и все тут. В этой детской игре действует общий закон: чем сложнее система, тем она нежнее, неустойчивее. Чтобы разрушить атомное ядро, нужны температуры в миллиарды градусов, чтобы отделить электрон от ядра в простейшем из атомов (атоме водорода) нужно уже «только» около 27 000 градусов; чтобы расплавить кусок железа, нужны лишь тысячи градусов, чтобы убить микроб, нужна сотня; человеческий организм может существовать лишь в узком интервале температур вокруг 36,5 °C, исчисляемых несколькими градусами.
Организм — по необходимости сложная система, и простой она в принципе быть не может, даже на уровне микроорганизмов, не говоря уже о разумной жизни. Это потому, что телу необходимо самообновляться, а следовательно, хранить где-то информацию о самом себе. Поэтому для жизни необходимо как минимум, чтобы существовали молекулы огромной длины (хранилища информации ДНК могут содержать миллиарды атомов), способные соединяться и функционировать совместно. Откуда же такие молекулы взялись, если вначале были лишь одни элементарные частицы, и как им удается быть устойчивыми? Добавьте к этому то, что молекулам этим нужно не просто быть, а нужно еще что-то делать, выполнять определенные функции. То есть нужно быть активными, но при этом не развалиться на куски. Такой баланс между активностью и устойчивостью предполагает соблюдение определенных условий. Например, простые живые организмы можно заморозить в холодильнике на тысячи лет, они не умрут, но и жить не будут. То есть тут условия баланса не соблюдаются. А как же получилось, что такие условия вообще существуют? Не в том смысле, что они существуют на планете Земля или где-нибудь еще (во Вселенной места много), а существуют в принципе?
Вот именно этот вопрос я и хочу обсудить, так как считаю, что именно здесь и происходит истинное чудо. Если на время оставить за пределами рассмотрения вопросы о происхождении материи и Вселенной как таковой, то принципы ее организации, на уровне нашего непосредственного восприятия, очень просты. А именно на этом уровне вполне годится модель, в которой есть атомы, состоящие из тяжелых ядер и легких электронов; их образование и динамика, равно как и формирование более сложных структур, как то: молекул, жидкостей и твердых тел, определяется законами квантовой механики и электромагнитным взаимодействием. Сложности, описанные в медитации «Слово „атом“ и его судьба», не будут нас касаться, если мы не будем заглядывать в глубь атомных ядер.
Если мы согласимся на такие правила игры, то на этом уровне все законы отлично известны. И коль скоро это так, то оказывается, что свободных параметров в задаче об организации материи практически не остается. И получается, что из весьма простых начальных посылок формируется невероятно сложный конечный результат — мир, в котором мы живем.
Чтобы не быть голословным, попробую нарисовать более развернутую картину. Пусть нам даны все элементы таблицы Менделеева в количестве достаточном, ну хоть в форме какого-то пылевого облака, из которых мы можем слепить планету какого угодно типа (ну хоть типа Земли) и поместить ее на соответствующее расстояние от какой нам нравится звезды (ну хоть типа нашего Солнца). Так что в наших руках создать какие угодно условия, в смысле температур и давлений. Вопрос номер один: по каким принципам будет организовываться вся эта пылевая материя? Вопрос номер два: что нужно для того, чтобы на сформировавшейся планете смогла возникнуть жизнь, а еще лучше, жизнь разумная? Как ни покажется это самонадеянным некоторым из читателей, наука полагает, что ответ на вопрос о принципах организации материи ей известен. Хотя ответа на вопрос о возникновении жизни не существует во вполне удовлетворительной форме, тут тоже есть что сказать.
Итак, в нашем облаке пыли есть вся таблица Менделеева. Это значит, у нас есть атомы всех сортов (откуда это все взялось, нас здесь не касается). Как известно, атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного облака электронов, это ядро окружающего. Всякий заряд в природе кратен элементарному заряду, обозначаемому в физике латинской буквой е; заряд электрона — е, а заряд ядра атома элемента, несущего номер I в таблице Менделеева, есть +Ze. Вот, например, водород стоит в таблице на первом месте, значит, Z= 1, а кислород на 8-м, значит Z=8. Что еще нам нужно знать про ядра? Нужно знать, какая у них масса. Каждое ядро состоит из положительно заряженных протонов количеством Z и незаряженных нейтронов, количество которых может быть разным. Ядра с одинаковым Z, но разным количеством нейтронов, называются изотопами данного элемента. Например, водород может существовать в трех формах: собственно водород (один протон, нет нейтронов), дейтерий (один протон, один нейтрон) и тритий (один протон, два нейтрона). Как правило, только один, от силы два изотопа данного элемента являются долгоживущими, остальные неустойчивы относительно радиоактивного распада. Массы протона и нейтрона известны, их отношение Мn/Mp=1,0084. Еще нам нужна масса электрона, вернее, ее отношение к массе протона: тe/Мр = 1/1684. Теперь представим, что наше облако как-то сжалось, образовав планету, и из газа отдельных атомов начинают формироваться разные структуры: молекулы, жидкости, кристаллы — всё, всё, всё, что нас окружает и что нам необходимо для жизни, включая наши тела. Чтобы все это произошло и вещество не разлетелось по сторонам, нужна, конечно, сила гравитации, но, предположим, она есть в количестве достаточном. Это все, что нам надо про нее знать, так как на поведение материи на малых расстояниях гравитация влияния не оказывает. Она нужна для большой картины, для того, чтобы Вселенная как целое не развалилась, а мы здесь обсуждаем, так сказать, тонкие детали. Нас интересует, что нужно, чтобы из ядер и электронов что-то соорудить. Тут нужна организующая сила, которой является сила электромагнитная. В своем наиболее элементарном проявлении она необычайно проста: два точечных заряда Q1 и Q2 взаимодействуют с силой, направленной вдоль соединяющей их линии, величина которой обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна произведению зарядов. Закон Кулона. Следовательно, заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположного знака притягиваются. Оговорюсь, что закон Кулона предполагает, что заряды не движутся относительно друг друга; если они движутся, то возникает еще дополнительная более слабая сила (сила Лоренца), но это уже детали.
Теперь необходимо знать, как под действием этих сил материя будет двигаться. Это описывает квантовая механика, которая на уровне доступных нашим чувствам макроскопических объектов плавно переходит в хорошо знакомую по школе классическую механику Ньютона. Не углубляясь в подробности, скажу, что всей организацией материи заведует еще одно число, постоянная тонкой структуры α = 1/137 (равенство здесь является приблизительным), составленная из заряда электрона, постоянной Планка и скорости света. Объясню ее смысл на примере. Допустим, у нас есть простейший атом — атом водорода (Z =1, один электрон). Как учит нас квантовая механика, энергия электрона в атоме водорода может принимать только дискретные значения; они известны: Еп = — (тeс2) α2/2n2, где n — целое число (1, 2, 3…), a с — скорость света. Возьмем какой-нибудь другой атом, например, атом гелия (Z =2, два электрона). Спектр его энергий будет опять-таки дискретный, и, хотя такого простого выражения, как для спектра атома водорода, у нас и не имеется, все эти энергии будут опять-таки пропорциональны величине — (тeс2) α2. Нечто подобное имеет место для всех решительно атомов (для дотошного читателя я даю точную формулировку, а именно, энергии электронов в атоме с атомным номером Z даются в виде бесконечного ряда по четным степеням постоянной тонкой структуры: Еп = — (тeс2) α2 [А1(n,Z) + α2 A2(n,Z) + α4 A3(n,Z) +…], где коэффициенты А1, А2… есть некие числа).
