Почему так трудно познавать познаваемое

 

Глава первая

Как прийти в чувство

 

Вооружившись своими пятью чувствами, человек исследует Вселенную и называет эти увлекательные приключения наукой.

Эдвин П. Хаббл

(1889–1953),

«The Nature of Science» («Природа науки»)

 

Зрение занимает особое место среди пяти наших чувств. Глаза позволяют получать информацию не только из дальнего угла комнаты, но из дальних уголков Вселенной. Не будь у нас зрения, астрономия как наука никогда не зародилась бы, а наша способность искать свое место во Вселенной оказалась бы безнадежно пресечена в корне. Вспомним летучих мышей. Неизвестно, какие тайны передают летучие мыши из поколения в поколение, но среди них точно нет ничего, что касается вида ночного неба.

Если представить себе наши чувства как набор инструментов для научных опытов, оказывается, что они обладают поразительной остротой и широчайшим диапазоном восприятия. Уши способны регистрировать и грохот при взлете космического корабля, и жужжание комара в полуметре от нас. Осязание позволяет ощутить и вес мяча для боулинга, который уронили нам прямо на ногу, и прикосновение лапок жучка весом в миллиграмм, который ползет по руке. Есть люди, которые с удовольствием жуют жгучий перец, а чуткий язык уловит присутствие пряности, даже если ее в блюде всего несколько миллионных долей. А глаза улавливают и яркий блеск отмели в солнечный полдень, и огонек одной‑единственной спички, зажженной в темном зрительном зале на расстоянии десятков метров.

Однако не надо увлекаться самолюбованием: обратите внимание, что там, где приобретаешь в широте диапазона, теряешь в точности – интенсивность сигналов окружающего мира мы воспринимаем в логарифмической, а не в линейной шкале. Например, если усилить интенсивность звука в 10 раз, ушам эта перемена покажется незначительной. Усильте интенсивность вдвое – и вовсе не заметите разницы. То же самое относится и к способности улавливать свет. Если вам случалось наблюдать полное солнечное затмение, то вы, наверное, заметили, что диск Солнца должен быть закрыт Луной по меньшей мере на 90 %, и только тогда кто‑нибудь скажет, что небо, кажется, потемнело. Шкала яркости звезд, всем известная акустическая шкала децибел и сейсмическая шкала силы землетрясений строятся на логарифмической основе во многом потому, что именно так мы от природы слышим, видим и ощущаем окружающий мир.

 

* * *

 

Что же лежит за пределами наших чувств? Есть ли хоть какой‑то способ узнать, что происходит вне рамок нашего биологического «интерфейса», который связывает нас с окружающей средой?

Давайте задумаемся о том, что человеческая машина, как бы хорошо она ни расшифровывала основную структуру нашего непосредственного окружения – день сейчас или ночь и что за зверь собирается тебя съесть, – без научного аппарата практически лишена возможности понять, как устроена вся остальная природа. Если мы хотим знать, что происходит вокруг, нам не хватит тех датчиков, с которыми мы родились. Практически в каждом случае задача научного аппарата в том и состоит, чтобы выйти за пределы ширины и глубины наших чувств.

Иные хвастаются, будто у них есть шестое чувство – якобы они знают и предсказывают то, чего не знают другие. Ясновидящие, телепаты, гадалки – все они стоят первыми в списке тех, кто притязает на сверхъестественные способности. При этом они неизменно вызывают интерес и восхищение, особенно у книгоиздателей и телерепортеров. Вся область парапсихологии – если это и наука, то весьма спорная – основана на надежде, что по крайней мере у некоторых людей и в самом деле есть подобные таланты. Для меня главная загадка – почему всевозможные медиумы и предсказатели обрывают телефоны на телевидении, а не зарабатывают себе тихо‑мирно несметные богатства на бирже ценных бумаг. И никто из нас ни разу не видел в газетах сенсационного заголовка «Известная ясновидящая выиграла в лотерею». Да, впрочем, эта загадка – сущая ерунда по сравнению с тем, что грамотно поставленные по двойному слепому методу эксперименты, призванные подтвердить притязания экстрасенсов, неизменно заканчиваются провалом, что показывает, что происходящее – полная чушь, а не шестое чувство.

С другой стороны, у современной науки этих чувств десятки. И ученые вовсе не претендуют на то, что наделены сверхъестественными талантами: просто у них есть особое оборудование. Разумеется, в конечном итоге это оборудование переведет информацию, добытую при помощи дополнительных чувств, в простые таблицы, схемы, диаграммы или изображения, которые способны воспринимать наши врожденные органы чувств. В первом фантастическом телесериале «Звездный путь» команда, спускаясь при помощи особого луча на неизвестную планету, всегда брала с собой трикордер – портативное устройство, позволяющее выявить основные свойства всего, что могло им встретиться: и живого, и неживого. Если провести трикордером над изучаемым объектом, он издаст гулкий звук, который тот, кто пользуется прибором, может истолковать.

Представьте себе, что прямо перед вами на стол шлепается светящийся ком какого‑то неведомого вещества. Без диагностического инструмента вроде трикордера нам не выяснить ни химический состав этого кома, ни то, какие в него входят элементарные частицы. Мы не сможем узнать, есть ли у него электромагнитное поле, не испускает ли он рентгеновские, ультрафиолетовые или гамма‑лучи, радио‑ или микроволны. Мы не сумеем разобраться, клеточная у него структура или кристаллическая. Если бы ком находился далеко в космосе, он выглядел бы как бесструктурная святящаяся точка в небе и наши пять чувств не сказали бы нам решительно ничего о том, какое до него расстояние, с какой скоростью он движется в пространстве, каков темп его вращения. Кроме того, без специального инструмента у нас не было бы никакой возможности увидеть, каков спектр его излучения, и узнать, поляризован этот свет или нет.

Если у нас нет оборудования, которое позволяет проводить анализ, и особого желания нюхать и лизать неведомое вещество, все, что услышит от нас капитан звездолета по возвращении, – это «Капитан, это ком вещества». Прошу прощения у Эдвина П. Хаббла, однако цитата, с которой начинается эта глава, при всей своей красоте и поэтичности, должна звучать иначе:

 

Вооружившись своими пятью чувствами, а также телескопами, микроскопами, масс‑спектрометрами, сейсмографами, магнитометрами, ускорителями и детекторами частиц во всем электромагнитном диапазоне, мы исследуем Вселенную и называем эти увлекательные приключения наукой.

 

Только подумайте, насколько богаче казался бы мир и насколько раньше была бы открыта природа Вселенной, если бы мы рождались с высокоточными глазами, которые можно было бы перестраивать на нужный диапазон энергий! Настраиваешься на радиоволновую часть спектра – и полуденное небо становится темным, как ночью, но сплошь испещренным яркими, сияющими источниками радиоволн, такими, например, как центр Млечного пути, расположенный за яркими звездами созвездия Стрельца. Настраиваешься на микроволновое излучение – и весь космос сияет реликтами первых мгновений Вселенной: эта стена света начала распространяться через 380 000 лет после Большого Взрыва. Переходишь в рентгеновский диапазон – и тут же видишь, где находятся черные дыры, в которые вещество засасывается по спирали. Настраиваешься на гамма‑лучи – и примерно раз в день видишь гигантские вспышки, источники которых случайным образом разбросаны по Вселенной. Помимо самой гамма‑вспышки видишь, как этот взрыв воздействует на окружающее вещество, как оно нагревается и светится в других диапазонах.

Если бы мы рождались с магнитными датчиками, нам не пришлось бы изобретать компас. Настройся на магнитные линии Земли – и северный магнитный полюс воссияет за горизонтом, словно страна Оз. Если бы у нас в сетчатку были встроены спектрометры, нам не пришлось бы задаваться вопросом, чем мы дышим. Поглядишь на спектр – и сразу поймешь, хватит ли в воздухе кислорода для жизни человека. И мы бы уже много тысяч лет назад поняли, что галактика Млечный путь состоит из тех же химических элементов, что и наша Земля.

А если бы у нас были очень большие глаза и встроенные датчики допплеровского движения, мы бы сразу, еще бессловесными троглодитами, обнаружили, что Вселенная расширяется и дальние галактики удаляются от нас.

Если бы у наших глаз было разрешение, как у мощных микроскопов, никто никогда не объяснял бы чуму и прочие недуги гневом Господним. Болезнетворные бактерии и вирусы были бы нам прекрасно видны – и когда они лезут в нашу пищу, и когда проскальзывают в открытые раны на теле. Простые эксперименты быстро показали бы нам, какие из них вредные, а какие полезные. А выявлять послеоперационные инфекции и бороться с ними мы, разумеется, научились бы на много лет раньше.

Если бы мы могли улавливать высокоэнергичные частицы, то находили бы радиоактивные вещества на огромном расстоянии. И никакие счетчики Гейгера нам бы не понадобились. Мы видели бы, как сквозь пол из подвала сочится радон – и не приходилось бы никому платить за то, чтобы нам об этом сообщали.

 

* * *

 

Мы с рождения и все детство оттачиваем свои чувства, и это позволяет нам, став взрослыми, выносить суждения о событиях и явлениях в своей жизни, решать, имеют ли они смысл, – недаром по‑английски «смысл» и «чувства» обозначаются одним и тем же словом «sense». Беда в том, что за последнее столетие ни одного научного открытия не было сделано благодаря наблюдениям при помощи одних лишь пяти чувств, безо всякого дополнительного оборудования. Наоборот, эти открытия делаются благодаря наблюдениям при помощи одного лишь дополнительного оборудования. Этот простой факт и объясняет, собственно, почему для среднего человека теория относительности, физика элементарных частиц и десятимерная теория струн не имеют никакого смысла – опять же «sense». В этот же список стоит включить черные дыры, кротовые норы и Большой Взрыв. Более того, все это не имеет «чувственного смысла» и для самих ученых, по крайней мере до тех пор, пока у нас не накопится солидный стаж исследования Вселенной при помощи всевозможных технологических «чувств», которые оказались в нашем распоряжении. А в результате возникает «здравый смысл» более высокого уровня, позволяющий ученому творчески осмыслять незнакомые явления микромира или головоломные хитросплетения многомерного пространства и выносить суждения о них. Немецкий физик XX века Макс Планк говорил примерно то же самое об открытии квантовой механики:

 

Современная физика производит на нас особое впечатление именно благодаря старой, как мир, истине, согласно которой существует реальность, которую мы не в состоянии воспринять своими органами чувств, и есть задачи и конфликты, в которых эта реальность играет для нас гораздо более важную роль, чем все сокровища чувственного мира.

(Planck, 1931, p. 107)

 

Наши пять чувств мешают даже дать осмысленные ответы на глупые метафизические вопросы типа: «Если в глухом лесу падает дерево и вокруг нет никого, кто слышал бы грохот его падения, звучит ли этот грохот?» Лично мне больше всего нравится ответ: «А откуда вы узнаете, что оно упало?» Но на него все почему‑то обижаются. Поэтому приведу аналогию, показывающую, какой я бесчувственный: «Вопрос. Как узнать, что в комнате полно угарного газа, если не чувствуешь его запах? Ответ. Умрешь – узнаешь». В наше неспокойное время, если что‑то ускользает от твоих органов чувств, не миновать беды.

Как только мы открываем новые пути познания, это всегда распахивает новые окна во Вселенную, и в них потоком льется информация, пополняющая наш растущий список небиологических чувств. И каждый раз Вселенная являет нам новый уровень величия и сложности, словно технологический прогресс позволяет нам эволюционировать и становиться сверхчувствительными, сверхразумными существами, которые постоянно, так сказать, приходят в новые чувства.

 

Глава вторая

И на Земле, как на небе

 

Пока Исаак Ньютон не сформулировал закон всемирного тяготения, не было особых оснований полагать, что законы физики на Земле такие же, как и во всей остальной Вселенной. На Земле все земное, а на небесах – небесное, так уж повелось. Более того, большинство ученых того времени полагали, что наш жалкий смертный разум не в состоянии постичь происходящее на небесах. И когда Ньютон сокрушил этот философский барьер, предположив, что всякое движение можно понять и предсказать, некоторые теологи ополчились против него за то, что он‑де не оставил никакого простора для деятельности Творца, и об этом мы подробно поговорим в части 7. Ньютон обнаружил, что та же сила тяжести, из‑за которой падают с ветвей спелые яблоки, направляет и брошенные тела по изогнутой траектории, и Луну по орбите вокруг Земли. Закон всемирного тяготения Ньютона руководит и движением планет, астероидов и комет по орбитам вокруг Солнца и удерживает сотни миллиардов звезд на орбитах в нашей галактике Млечный Путь.

Всеохватность физических законов – наилучший стимулятор научных открытий. И сила тяготения была лишь началом. Представьте себе, какой восторг охватил астрономов XIX века, когда они впервые направили на Солнце лабораторные призмы, которые разлагают свет на цветовой спектр. Спектры – это не просто красиво, они еще и дают уйму информации о том объекте, который испускает свет, в том числе о его химическом составе и температуре. Химические элементы проявляются в уникальных последовательностях светлых и темных полос в спектре. Ко всеобщей радости и изумлению, оказалось, что Солнце состоит из тех же химических элементов, какие наблюдаются в лаборатории. Призма перестала быть инструментом одних лишь химиков и показала, что хотя Солнце радикально отличается от Земли по размеру, массе, температуре, местоположению и внешнему виду, и там и здесь содержатся одни и те же элементы – водород, углерод, кислород, азот, кальций, железо и так далее. Однако главным был не сам по себе перечень общих ингредиентов, а осознание, что законы, по которым сформировались характерные черты в спектре Солнца, действуют и на Земле, до которой от Солнца 150 миллионов

километров.

Концепция универсальности физических законов оказалась настолько плодотворной, что ее успешно применили в обратную сторону. Дальнейший анализ солнечного спектра показал, что там наличествует химический элемент, у которого нет аналогов на Земле. Поскольку это был солнечный элемент, он получил название от греческого слова helios – Солнце. И лишь позднее его открыли в лаборатории. Таким образом, гелий стал первым и единственным элементом в периодической таблице, который открыли не на Земле.

 

* * *

 

Хорошо, мы выяснили, что законы физики действуют в пределах Солнечной системы – но действуют ли они на другом конце галактики? На другом конце Вселенной? Ученые испытывали один закон за другим. Ближайшие звезды тоже состоят из знакомых элементов. Далекие двойные звезды, вращающиеся по орбите друг вокруг друга, похоже, назубок знают закон всемирного тяготения. Двойные галактики – тоже.

И подобно слоистым осадкам, которые изучает геолог, чем дальше мы смотрим, тем глубже заглядываем в прошлое. Спектры самых далеких объектов во Вселенной обладают теми же характерными рисунками, как и те, что мы видим повсюду во Вселенной. Правда, тяжелые элементы в те времена были не так обильны, они создавались в основном при взрывах звезд в последующих поколениях, однако законы, описывающие атомные и молекулярные процессы, оставляющие эти спектральные рисунки, остаются незыблемыми.

Разумеется, не всем космическим объектам и явлениям находятся аналоги на Земле. Скорее всего, вам никогда не случалось забредать в облако сияющей плазмы, где температура достигает миллиона градусов, и проваливаться в черную дыру посреди улицы. Но главное – универсальность физических законов, которые все это описывают. Когда ученые подвергли спектральному анализу свет, испускаемый межзвездными облаками, там тоже проявился химический элемент, которого не было на Земле. Однако в таблице Менделеева уже не было свободных клеточек (а во времена открытия гелия несколько еще оставалось). Поэтому астрофизики на всякий случай придумали ему временное название «небулий» и стали разбираться, что происходит. Оказалось, что межзвездный газ настолько разрежен, что атомы подолгу живут, не сталкиваясь друг с другом. При таких условиях электроны в атомах находятся в таких состояниях, какие невозможно пронаблюдать в земных лабораториях. Небулий оказался обычным кислородом, который необычно ведет себя в особых условиях разрешенной среды.

Универсальность физических законов говорит нам, что если мы высадимся на другой планете с развитой цивилизацией, все там будет подчиняться тем же самым законам, которые мы открыли и протестировали здесь, на Земле, даже если социально‑политическое устройство у инопланетян окажется совершенно непривычным. Более того, если вам захочется поговорить с инопланетянами, можно ручаться, что они не знают ни английского, ни французского, ни даже классического китайского. Невозможно будет даже догадаться, как они воспримут рукопожатие – как жест миролюбия или объявление войны, даже если у них окажутся руки. Единственный язык, на котором есть надежда наладить общение, – это язык науки.

Подобная попытка уже была предпринята в семидесятые годы XX века, когда были запущены космические зонды «Пионер‑10», «Пионер‑11», «Вояджер‑1» и «Вояджер‑2» – единственные космические аппараты, которым придали скорость, достаточную, чтобы преодолеть притяжение Солнечной системы. «Пионер» украшен золотой табличкой с гравировкой, где в виде пиктограмм изображено устройство нашей Солнечной системы, ее положение в галактике Млечный Путь и структура атома водорода. «Вояджер» присовокупляет к этому еще различные звуки природы – человеческое сердцебиение, песни китов и несколько музыкальных пьес от Бетховена до Чака Берри. С одной стороны, послание больше говорит о человеке, с другой – непонятно, сумеет ли инопланетное ухо догадаться, что оно слышит, если у инопланетян вообще есть уши. Моя любимая пародия на этот жест появилась в телепередаче «Субботним вечером в прямом эфире» вскоре после запуска «Вояджера». НАСА получает от инопланетян ответ – и в нем всего четыре слова: «Пришлите еще Чака Берри!»

 

* * *

 

В части 3 нам предстоит подробный разговор о том, что науку стимулирует не только универсальность физических законов, но и существование и незыблемость физических постоянных. Гравитационная постоянная, которую физики знают под именем «G», входит в ньютонову формулу тяготения и косвенно проверялась на неизменность уже давным‑давно. Если проделать необходимые вычисления, можно определить, что яркость звезд строго зависит от G. Иначе говоря, если бы в прошлом G была бы чуть‑чуть другой, то величина энергии, испускавшейся Солнцем в те эпохи, заметно отличалась бы от тех значений, о которых говорят нам биология, климатология и геология. В сущности, мы не знаем ни одной постоянной, которая зависела бы от времени или местоположения во Вселенной: похоже, постоянные постоянны в прямом смысле слова.

Так уж устроена Вселенная.

Самая знаменитая постоянная – это, конечно, скорость света. Как ни разгоняйся, луч света не обгонишь. Почему? Пока еще не было проведено ни одного эксперимента, в ходе которого какой‑либо объект в каком‑либо виде достиг бы скорости света. Это предсказывают законы физики, прошедшие все испытания. Казалось бы, довольно узколобые заявления. И правда, некоторые самые вопиющие научные заявления в прошлом явно недооценивали изобретательность инженеров: «Мы никогда не научимся летать», «Летательные аппараты никогда не выйдут на коммерческий уровень», «Мы никогда не преодолеем звуковой барьер», «Мы никогда не расщепим атом», «Мы никогда не долетим до Луны». Все это вы слышали. У этих заявлений есть одна общая черта: на их пути не стоял никакой известный на тот момент физический закон.

А вот утверждение «Мы никогда не обгоним луч света» – качественно иное. Оно исходит из фундаментальных принципов, проверенных временем. И не подлежит сомнению. На дорожных знаках по обочинам межзвездных шоссе в будущем будут стоять таблички с надписью:

 

 

Скорость света –