За последние несколько столетий физика собрала и довела до совершенства собственную коллекцию вложенных друг в друга историй, организованных в соответствии с масштабами, на которых каждая из них применима. Это главное в том подходе, который мы, физики, неустанно вдалбливаем своим студентам. Чтобы понять, как бейсбольный мяч, деформированный на мгновение молниеносным свингом Майка Траута, возвращается к первоначальной форме, необходимо проанализировать молекулярную структуру мяча. Именно на этом уровне бесчисленные микрофизические силы выталкивают обратно деформированную часть и посылают мяч в полет. Но молекулярная точка зрения никак не поможет вам разобраться в траектории мяча. Обработать огромный объем данных, необходимый для отслеживания движения триллионов триллионов молекул, когда мяч, вращаясь в полете, со свистом уносится за ограждение в левой части поля, совершенно немыслимо. Когда речь заходит о траектории, нужно убавить увеличение и перейти от молекулярной суеты к рассмотрению движения мяча как целого. Здесь следует рассказать связанную с первой, но отдельную историю более высокого уровня.
Этот пример иллюстрирует простое, но весьма и весьма значимое понимание: вопросы, которые мы задаем, определяют, какие именно истории обеспечат нам самые полезные ответы. Получается нарративная структура, которая опирается на одно из самых неожиданно благоприятных для нас качеств природы. На каждом масштабе Вселенная упорядочена. Ньютон ничего не знал о кварках и электронах, но, если бы вы сообщили ему скорость и направление полета мяча после контакта с битой Майка Траута, он рассчитал бы траекторию мяча, даже не просыпаясь. По мере развития физики после Ньютона мы получили возможность зондировать более тонкие структурные слои, и это очень существенно дополнило наши представления. Но описание ситуации на каждом уровне обладает осмысленностью само по себе. Если бы это было не так — если бы, к примеру, анализ движения бейсбольного мяча требовал разбора квантового поведения всех его частиц, — трудно представить, что мы смогли бы добиться хоть каких-нибудь успехов. Принцип «Разделяй и властвуй» давно стал боевым кличем физики, и эта стратегия привела нас к поразительным результатам.
Не менее важная задача — собрать отдельные истории в цельный нарратив. Для физики частиц и полей такой синтез в самом продвинутом его виде осуществил Кен Уилсон, что принесло ему Нобелевскую премию 1982 г.[55] Уилсон разработал математический алгоритм анализа физических систем на целом ряде пространственных масштабов — от расстояний намного меньших, скажем, чем те, что исследует Большой адронный коллайдер, до существенно больших атомных расстояний, доступных уже на протяжении 100 с лишним лет, — и последующего систематического соединения всех историй с прояснением того, как каждая из них передает «обязанность» ведения нарратива следующей, когда масштаб событий уходит за пределы ее владений. Метод ренормализационной группы лежит в основе современной физики. Он показывает, как язык, концептуальные рамки и уравнения, используемые для анализа физики на одном масштабе, должны изменяться, когда мы переносим внимание на другой масштаб.
Воспользовавшись этим методом для проработки ключевого набора различных описаний и обозначив, как каждое из них передает информацию соседним, физики получили детальные предсказания, нашедшие подтверждение в огромном количестве экспериментов и наблюдений.
Хотя методика Уилсона скроена под математические инструменты современного специалиста по физике элементарных частиц высоких энергий (квантовая механика и ее обобщение, квантовая теория поля), самое общее представление о ней находит широкое применение. Существует много способов познания мира. В традиционной структуре естественных наук физика имеет дело с элементарными частицами и различными их объединениями, химия — с атомами и молекулами, а биология — с жизнью. Такая категоризация действует и сегодня, хотя во времена моего студенчества она была намного заметнее; она дает разумное, хотя и грубое, деление наук по масштабу. Однако чем глубже проникают исследователи, тем яснее понимают, как важно разобраться в стыках между дисциплинами. Естественные науки нераздельны. А когда фокус смещается от просто жизни к жизни разумной, на передний план выходят и другие пересекающиеся дисциплины — язык, литература, философия, история, искусство, миф, религия, психология и так далее. Даже непоколебимый редукционист понимает, что, какой бы бессмысленной ни казалась попытка объяснить траекторию бейсбольного мяча в терминах молекулярного движения, еще бессмысленнее было бы привлекать такой микроскопический подход для объяснения того, что чувствует бьющий, когда питчер сделал замах, зрители на трибунах взревели, а мяч стремительно летит. Здесь, напротив, много уместнее будут высокоуровневые истории, рассказанные на языке человеческой рефлексии. Тем не менее — и это ключевой момент — такие уместные истории, рассказываемые на человеческом уровне, должны быть совместимы с редукционистским описанием. Мы — физические существа и подчиняемся физическим законам. Поэтому вряд ли будет какая-то польза от того, что физики объявят свою исследовательскую позицию главной в деле объяснения мира или что гуманитарии станут насмехаться над гордыней буйного редукционизма. Точное представление можно получить путем объединения историй всех научных дисциплин в единый цельный нарратив[56].
В этой главе мы остаемся на позициях редукционизма, учитывая, что в последующих главах будем исследовать жизнь и разум, дополнив его позицией человеческого восприятия. Здесь мы поговорим о происхождении атомных и молекулярных ингредиентов, необходимых для жизни, об одной конкретной среде «Земля — Солнце», в которой эти ингредиенты смешались как раз так, как нужно для возникновения и расцвета жизни; также, рассмотрев некоторые поразительные микрофизические структуры и процессы, общие для всего живого[57], поговорим о глубоком единстве жизни на Земле. Хотя мы не сможем ответить на вопрос о происхождении жизни (это по-прежнему загадка), мы увидим, что вся жизнь на Земле берет начало от общего одноклеточного предкового вида, что четко определяет вопрос, на который наука о происхождении жизни должна будет в конечном итоге ответить. В результате мы придем к рассмотрению жизни в имеющей широчайшее применение термодинамической перспективе, проработанной в предыдущих главах; нам станет ясно, что все живое находится в глубоком родстве не только между собой, но также со звездами и паровыми машинами: жизнь — это еще одно средство, при помощи которого Вселенная высвобождает энтропийный потенциал, запертый в веществе.
Моя цель — не продемонстрировать энциклопедические знания, но привести достаточно подробностей, чтобы вы могли ощутить ритмы природы, резонансные закономерности, разворачивающиеся во Вселенной с момента Большого взрыва до возникновения и развития жизни на Земле.
Измельчите любой объект, бывший прежде живым, распотрошите его сложную молекулярную «машинерию» — и вы обнаружите в избытке шесть типов атомов, всегда одних и тех же: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и серу. Откуда берутся эти необходимые для жизни атомные ингредиенты? Ответ на этот вопрос представляет одну из величайших историй успеха современной космологии.
Рецепт построения любого атома, каким бы сложным он ни был, достаточно прост. Соедините нужное число протонов с нужным числом нейтронов, сожмите их в плотный шар (ядро), окружите электронами в количестве, соответствующем числу протонов, и запустите электроны по конкретным орбитам, предписанным квантовой физикой. Вот и все. Проблема в том, что составные части атома, в отличие от деталей конструктора Лего, невозможно просто щелчком поставить на место. Они сильно притягивают и отталкивают друг друга, делая сборку ядра сложной задачей. Протоны, в частности, обладают одинаковым положительным электрическим зарядом, поэтому требуются огромные давление и температура, чтобы сжать их вопреки взаимному электромагнитному отталкиванию и сблизить в достаточной мере, чтобы главенствующую роль взяло на себя сильное ядерное взаимодействие, которое сможет соединить их в мощных субатомных объятиях.
Невообразимые условия, царившие сразу после Большого взрыва, превосходили по своей экстремальности все, что случилось позже, и поэтому тогдашняя среда представляется вполне подходящей для преодоления электромагнитного отталкивания и сборки атомных ядер. Вы могли бы предположить, что в невероятно плотном и энергичном бульоне из сталкивающихся протонов и нейтронов всевозможные агломерации и должны были формироваться естественным образом, выстраивая таблицу Менделеева один атомный номер за другим. Именно такую гипотезу предложили в конце 1940-х гг. Георгий Гамов (бывший советский физик, который в ходе первой попытки побега из СССР в 1932 г. собирался пересечь Черное море на каяке, набитом преимущественно кофе и шоколадом) и его аспирант Ральф Альфер.
Отчасти они были правы. Одна проблема, которую видели Гамов и Альфер, состояла в том, что температура Вселенной в первые мгновения ее существования была слишком высока. Пространство кишело необычайно энергичными фотонами, которые разнесли бы любые возникающие объединения протонов и нейтронов. Но — и это они тоже понимали — всего примерно минуты на полторы позже (а полторы минуты — это большое время, когда речь идет об ураганной скорости, с которой развивалась новорожденная Вселенная) ситуация изменилась. К тому моменту температура значительно упала, так что энергия типичного фотона уже не превосходила по величине сильное ядерное взаимодействие, что позволило наконец образовавшимся союзам протонов и нейтронов уцелеть.
Вторая проблема, проявившаяся позже, состояла в том, что построение сложных атомов — процесс тонкий и требует времени. Для него необходима очень конкретная серия последовательных шагов, при которых предписанные количества протонов и нейтронов сплавляются вместе в различных сочетаниях, затем эти сгустки должны случайно встретиться с вполне конкретными дополняющими их сгустками, слиться с ними и так далее. Как в сложном гурманском рецепте, важен в том числе и порядок, в котором ингредиенты соединяются между собой. Еще более хитроумным этот процесс становится из-за того, что некоторые промежуточные комбинации нестабильны, то есть после образования склонны быстро распадаться, расстраивая все кулинарные приготовления и замедляя атомный синтез. Эта задержка очень важна, так как неуклонное падение температуры и плотности по мере стремительного расширения ранней Вселенной означает, что окно возможностей для синтеза быстро закрывается. Примерно через десять минут после творения температура и плотность падают ниже порога, необходимого для ядерных процессов