Физика до физики

Физика до физики.

Эта статья была опубликована в журнале "Знание - Сила" в начале 80-х. 

Говорят, что теоретическая физика была всегда; только раньше она называлась натурфилософией. Известно, что Шредингер называл основоположником квантовой механики Демокрита — эллина IV века до новой эры. Конечно, титул этот не вполне заслуженный: Демокрит первым (или вторым — после Левкиппа) высказал гипотезу об атомарном строении вещества, но не излучения, то есть он заложил основу молекулярной физики, а не квантовой теории. Однако в словах Шредингера есть немалая доля истины: стоило Демокриту провозгласить атомарную гипотезу в одном частном случае, как ее развили другие дерзкие философы, и в эпоху Ньютона корпускулярная теория света была столь же популярна, сколь и волновая. Так что по сути дела Шредингер прав: большое количество оригинальных физических идей было сформулировано досрочно, задолго до становления физики как науки. В течение многих веков эти идеи носились в воздухе, но только после того, как физика встала на прочный экспериментальный фундамент, они начали кристаллизоваться в стройное здание современной физической теории. И большая часть этих извечных идей — об атомах, о первоэлементах, об "апейроне" — изначальной однородной протоматерии, все эти гипотезы были впервые высказаны в Элладе, в пору "золотого детства" Европы. Но ведь европейская цивилизация — не древнейшая в истории человечества; можно ли обнаружить в современной науке идейное наследие других культур?
Вопрос этот весьма деликатный и даже некорректный — легко заметить аналогию, но трудно доказать, что она отражает реальную преемственность идей. Сам тезис Шредингера о приоритете Демокрита, строго говоря, недоказуем — где гарантия, что атомарная гипотеза не бывала заново открыта оригинальными необразованными мыслителями по два-три раза в столетие? Поэтому зададимся более скромным вопросом: какие из фундаментальных представлений современной физики не имеют аналогов в системе понятий мудрецов Эллады, но имеют их в мировоззрениях других древних народов? Выбор у нас небогат: Ближний Восток, Индия и Китай. Но первый вариант отпадает — все естественнонаучные идеи жителей Двуречья и Египта дошли до нас в пересказе — либо через уста философов Эллады (которые сознавали себя талантливыми учениками мудрецов Востока), либо сквозь призму религиозных мифов, а это уж совсем неблагодарный материал для анализа. Индийский мир удобнее для исследования как более автономный; но и там призмы разных религий многое искажают. Остается Китай — там никогда не было мощной государственной религии, которая бы деформировала мировоззрение натурфилософов, и древние модели мира сохранились в наибольшей чистоте.
Итак, Древний Китай… Эти слова вызывают сейчас из памяти образ могучей и агрессивной империи, где исключительно сложный и эффективный аппарат государственного управления сочетается с невысоким темпом технического (а значит, и научного) прогресса, где поведение личности регламентировано даже более жестко, чем в средневековом европейском городе, так что естественней искать там замечательных ремесленников, чем выдающихся натурфилософов. Туда ли мы забрели, куда хотели? Разумеется, не туда; нам нужно в доимперский Китай, столь же разнообразный, как Средиземноморье до его поглощения Римом, который все унифицировал. Вспомним, что римская эпоха прославлена замечательными государственными деятелями и полководцами, инженерами и историками, а натурфилософов не видно. Лукреций Кар только пересказывал идеи великих эллинов, а его сограждане считали поэта сумасшедшим безбожником. Правда, его не преследовали за вольнодумство — римляне не отличались религиозным фанатизмом и в этом также походили на древних китайцев.
Как же выглядел Китай до утверждения империи, и, кстати, когда это все было? Царство Цинь подчинило своей власти весь китайский мир во второй половине III века до новой эры — как раз во время войн Рима с Карфагеном за гегемонию в Средиземноморье. А более ранний Китай действительно напоминал Элладу (только с увеличением масштаба раз в десять) — те же десятки враждующих государств, большое разнообразие диалектов, религиозных культов и политических учреждений и то же кипение исследовательской мысли во всех областях. Китайская традиция сохранила сравнительно немного имен (точнее, фамилий) древних мыслителей: Кун-цзы, Лао-цзы, Мэн-цзы, Чжуан-цзы, Гуань-цзы. Но нас ведь интересуют их идеи, а они прочнее, чем имена людей и границы царств.
Оказывается, самый прославленный из древнекитайских мудрецов Конфуций (то бишь Кун-цзы) физикой не интересовался, а был чистым социологом; другое дело — полулегендарный Лао-цзы. Он жил, видимо, в VI веке до новой эры — чуть раньше Пифагора — и оставил книгу "Дао-Дэ-цзин". Похоже, он первый ввел в обиход два важнейших понятия — Дао и Дэ; последующие поколения грамотеев усиленно толковали их и применяли к разным проблемам в меру своего разумения и усердия. Что же это за понятия? Лао-цзы не пытался отвечать на вопрос о том, "как устроены" Дао и Дэ; он лишь объяснял, "как они работают". Дао дословно значит "путь", а в философском плане — это "путь развития нашего мира". Точнее, это полная программа эволюции Вселенной, притом программа самодействующая — Дао включает в себя некий механизм, обеспечивающий развитие Вселенной без дополнительных двигателей. Вольно пользуясь языком современной кибернетики, можно назвать Дао "черным ящиком" непонятного устройства, определяющим, что может и чего не может быть в природе. Но, как известно, не все, что может быть, реализуется одновременно и в одном месте; поэтому нужен еще один "черный ящик", выбирающий то, что есть и будет, из того, что может быть. Этот "черный ящик № 2" Лао-цзы удачно назвал словом Дэ — буквально "росток". Действительно, росток есть реализация самодействующей генетической программы, скрытой в семени; так и Дэ воплощает Дао.
Вот такими категориями оперировал первый известный нам натурфилософ Дальнего Востока. Охватить разумом понятия Дао и Дэ труднее, чем наглядные атомы Демокрита или даже "алейрон" (первоматерию) Анаксимандра. Очевидно, Лао-цзы не был гениальным самоучкой, а опирался на давнюю и мощную традицию философского мышления. Увы, ни имена, ни труды его предшественников не дошли до нас…
Но продолжим наш анализ древнекитайской философской терминологии: на очереди Вэнь и Ли. Слово Вэнь означает "узор", а в более широком смысле — форму всех существующих вещей. Современный европейский ученый, видимо, перевел бы научный термин Вэнь словом "морфология". А термин Ли (буквально "закон") обозначает совсем любопытную вещь: это способ, которым Дэ определяет Вэнь. Древнекитайские мудрецы прекрасно понимали, что форма растения как-то очень непросто определяется законами, управляющими развитием семени. Уметь выводить форму явлений из законов, управляющих ими, — это и значит понимать Ли, к этому и должен (согласно Лао-цзы) стремиться человек.
Прекрасная модель естествоиспытателя!
Но читатель (не физик), наверное, уже утомился и с тоской думает: где же обещанная физика? Какое отношение имеют все эти изящные универсалии древнекитайских мудрецов к современной картине физического мира? Короче говоря, пора составлять древнекитайско-физический словарь. Итак, спросим физика-теоретика: как он объясняет тот факт, что в природе одни процессы происходят, а другие, столь же легко вообразимые, — нет; например, траектория брошенного камня на Луне — всегда отрезок параболы, а не эллипса и не гиперболы. Физик ответит одним волшебным словом: "Симметрия!" Всем известно, что природные процессы подчиняются различным законам сохранения: почему-то при любых взаимодействиях сохраняются суммарные энергия, импульс, электрический заряд и некоторые другие характеристики взаимодействующих тел (частиц), физики сумели выразить законы сохранения на математическом языке; оказалось, что это законы симметрии физического пространства (сейчас его называют вакуумом). Свойства пространства не меняются при его сдвиге или повороте, поэтому сохраняются импульс и момент импульса физической системы. Сохранение энергии следует из неизменности свойств вакуума во времени. А электрический заряд существует и сохраняется потому, что точки физического пространства, то есть элементарные частицы, имеют, кроме обычных координат, еще одну — фазу (нечто вроде угла поворота); и если все частицы разом "повернуть на один и тот же угол", то ничего в природе не изменится. Таково происхождение всех законов сохранения: природные процессы оказываются по-особому симметричными, а несимметричные процессы просто не происходят — так устроен мир. Итак, группа симметрий вакуума играет в современной физике ту роль, которую философы Древнего Китая приписывали всевластному Дао.
Но, если так, что же такое Дэ? Очень просто, отвечает физик,- разные природные процессы обладают разными симметриями; все эти группы симметрий получаются из универсальной группы симметрий вакуума посредством особой алгебраической операции, называемой "представлением". Эту операцию можно отождествить с Дэ; тогда всякий качественный скачок в ходе природного процесса (например, закипание нагреваемой воды) означает изменение формулы представления — изменение вида Дэ; Дао при этом не меняется. Однако такие терминологические тонкости древнекитайским мыслителям были еще чужды.

Они говорили проще: если где-то происходят крупные и неожиданные изменения, значит, там образовалось много Дэ, а мы наблюдаем следствие этого — изменение Вэнь, то есть формы природных объектов. Мы помним, что переход изменения Дэ в изменение Вэнь осуществляется через посредство Ли, — а это чему соответствует в современной физической терминологии?
Оказывается, этому Ли - в квантовой механике — соответствует знаменитое уравнение Шредингера; оно позволяет рассчитывать будущие состояния физической системы по ее начальному состоянию. Таким образом, представление (Дэ) группы симметрий вакуума (Дао) определяет симметрию уравнения Шредингера (Ли), а симметрия уравнения определяет вид его решений, то есть ход природных процессов, их узор Вэнь. Это и есть пересказ, а точнее — переосмысление на основе современных знаний, древнекитайской модели мира в терминах нынешней физики. Как видно, модель эта была даже ближе по духу к теоретической физике двадцатого века, чем более наглядные гипотезы эллинских мудрецов. Так поищем в ней аналоги и других фундаментальных физических понятий — таких, как вакуум, энергия, система и т. п. Они есть: вакуум назывался Ци (дословно "воздух"), кинетическая энергия — Фэи (дословно "ветер"). Особого слова "система" не было, но был термин Гу (дословно "остов"), выражавший ту часть сущности сложного объекта, которая не сводится к его составным частям, то есть его структуру. Были и другие-понятия физического плана, которые не удается однозначно перевести на язык современной физики. Это неизбежно — ведь древнекитайская модель физического мира не подвергалась сопоставлению с современной физической моделью в ходе дискуссии, допустим, Гейзенберга с Лао-цзы. Правда, и Ньютон не общался с Демокритом — по той же хронологической причине; но он знал о достижениях эллина из сохранившихся и переведенных в Европе произведений греческих классиков. Произведения же древних китайских мыслителей стали доступны европейцам только в восемнадцатом веке, а популярны — лишь в нашу эпоху. Тут-то и выясняется немалое сходство между двумя моделями мира: одной, созданной европейскими физиками в бурном двадцатом веке, и другой — придуманной их братьями по разуму в далекую и не менее бурную эпоху Чжань го — "борющихся царств".
Зрелостью мысли древние китайцы не уступали эллинам, хотя оперировали они совсем иными категориями — у них не было представления о неделимых частицах вещества или о том, что "числа правят миром". Так почему же идеи эллинов, совершив прыжок через два тысячелетия, сделались основой новой европейской физики, а в Китае ничего подобного не произошло?
Вспомним, что европейская физика стала почти всемогущей наукой только после того, как научилась подвергать свои гипотезы проверке, сравнивая их предсказания с данными эксперимента. А сравнивать эти вещи можно, только если они выражены числами. Отсюда лозунг новой физики: "Измеряй все, что можно измерить, и делай измеримым то, что не поддавалось измерению!" Вот этого лозунга и не хватило китайской науке, чтобы совершить такой же рывок вперед от уровня Лао-цзы, какой сделали Галилей и Кеплер от уровня Демокрита. Но почему в Китае не вышло то, что получилось в Европе? Да потому, что это был уже не тот Китай. Кончилась бурная эпоха Чжань го, утвердилась династия Хань и воцарилось в китайской империи великое спокойствие и единообразие — сначала дел, а потом и мыслей. Достижения древних мудрецов были превращены имперской властью в канон и подлежали отныне тщательному изучению и аккуратному комментированию, но отнюдь не критике и не какой-то "экспериментальной проверке". В итоге прогресс научной теории в Китае прекратился, а необходимый союз натурфилософии с математикой и экспериментом не состоялся. Со временем империя Хань рухнула, но последовавшая эпоха смут не способствовала новому расцвету научной мысли — достижения древних уже стали предметом культа более прочного, чем государственная власть. В позднейшие века Китай пережил немало политических переворотов и иноземных нашествий — но ни одной технической революции, которая только и могла бы расплавить застывшие догмы древней натурфилософии и вновь превратить ее в живую науку. Так великие достижения древнекитайских мудрецов не оказали должного влияния на развитие мировой науки в пору ее созревания.
Почему же с ними перекликаются некоторые положения нынешней физики? И точно ли, что перекликаются? Совпадает ли смысл, который вкладывает современный физик в слова "уравнение Шредиигера", со смыслом, который имел термин Ли в устах древнего китайца? Наверняка нет; ведь и атом в понимании Демокрита был просто "шариком с крючочками", а не системой из протона и электрона, взаимодействующих между собой посредством электромагнитного поля. По сути дела, мы взяли из модели Демокрита одну ее грань, полезную для нас, и развили ее до новой, более полной' и точной модели того же явления. Так же относятся и современные понятия "вакуум", "группа симметрий", "фазовый переход" к древнекитайским терминам Ци, Дао, Синь. Это не возрождение, а скорее перерождение древнекитайской модели мира; но сам факт повторного и независимого возникновения такой модели говорит о многом. Может быть, человеческий разум способен изобрести лишь очень небольшое число разных стилей физического мышления? Каждый из этих стилей приспособлен к своему кругу задач: эллины решали одни проблемы, древние китайцы — другие. Мы сейчас, кажется, превзошли и тех, и других. Но все ли возможные варианты естественнонаучного мышления практически освоены нами? Едва ли. Один из героев С. Лема жаловался: "Я способен изобрести все,.что захочу. Но ведь не все, что я способен изобрести, приходит мне в голову!" Наше положение значительно хуже: далеко не все желанное для нас мы способны изобрести. Тем больше оснований у нас искать и пробовать новые типы научного мышления — такие, которые уже встречались в человеческой практике, и совсем еще не испробованные.
В первую очередь надо, конечно, развивать то, что уже есть. Например, древнекитайская модель мира: все ли ее богатство освоено современной физической теорией? Пожалуй, не все. Допустим, нам удалось воскресить Лао-цзы и мы беседуем с ним на актуальную тему "Эволюция физической картины мира". Долго беседуем, напряженно. Старик, в общем, доволен нашим прогрессом, хотя многие дискретные понятия — атом, электрон, квант — даются ему с трудом: зато наша способность измерять Дао и Дэ числами приводит его в восторг. И вдруг он спрашивает, как мы измеряем Дэ яблони и как вычислить, когда она зацветет. Теперь наша очередь недоумевать: мы привыкли к уравнениям термодинамики, электродинамики и т. п.; но написать уравнение развития живого организма — об этом мы пока и мечтать не смеем… Но философ, оказывается, уверен, что если мы до тонкостей разобрались в законах поведения таких объектов, которые не видны невооруженному глазу, то тем более мы все знаем о проявлении Дао в более наглядных процессах; ведь мир един! А мы-то хороши — радуемся глубине своей физики, не замечая ее узости, как будто биология изучает другой мир, где "физикалистский" подход абсолютно бесплоден. (Крупнейший биолог и биохимик А. Сент-Дьердьи писал: "…Живая клетка — это, а сущности, электрическая машина. Удивительная тонкость биологических реакций обусловлена подвижностью электронов и объяснима лишь с позиций квантовой механики"). А ведь неплохо бы уметь вычислять сроки насиживания яиц у воробья и у кетцаля, решая какие-нибудь "уравнения типа Шредингера", куда подставлены легко измеримые характеристики этих птиц. Еще нужнее узнавать из уравнений то, чего не могут дать никакие наблюдения: почему род "береза" представлен в Подмосковье только двумя видами, а близкий род "ива" — почти тридцатью. Или почему внутривидовая изменчивость у собак гораздо больше, чем у кошек (сравните разнообразие их пород!)
Все эти биологические чудеса еще ждут своего объяснения, как ждали своего часа чудо сверхпроводимости или чудо комбинации признаков родителей у потомства. Эти вещи покинули мир чудес, попавшись в сеть физических моделей. Не уготована ли такая участь и другим биологическим загадкам? Только мы пока не привыкли строить грубые "наглядные" модели биологических явлений, допускающие их численный расчет. С моделей явлений а неживой природе началась в семнадцатом веке современная физика; сырьем для ее первых моделей послужили натурфилософские понятия древних греков. Сейчас у нас гораздо больше такого сырья (за счет развития физики и математики); не настала ли пора сделать в биологии то, что так удачно вышло в физике? Работа тут нужна огромная, но ведь и цель заманчива: довести теоретическую зрелость биологии до уровня, скажем, физики твердого тела.
Мыслители эпохи Чжань го были уверены, что все области проявления единого Дао в равной мере доступны человеческому разуму; "совершенномудрый", зная Ли, способен с одинаковой легкостью предсказывать движение планет, цветение яблонь и эволюцию нравов. Мы пока оправдали лишь часть этих надежд двадцатипятивековой давности. Почему так? Уровень научной грамотности сейчас заметно вырос; дерзких мыслителей, пожалуй, тоже хватает. Значит, недостает людей с Ньютоновой способностью вылущивать, неустанно размышляя, зерна природных закономерностей из вороха гипотез? А может быть, дело просто в том, что, как предположил один известный ученый, наши успехи в физике объясняются ее простотой?