Иногда кажется, эти препятствия так трудно преодолеть, что я бы не удивился, если бы нам для этого понадобился мощный искусственный интеллект. Вероятно, созданный нами ИИ окажется следующим Ньютоном или Эйнштейном, а нам придется признать, что наш ничтожный человеческий мозг просто недостаточно хорош, чтобы нам удалось самостоятельно познать конечную природу реальности, в которой мы живем[36].
Эту главу я посвятил будущему науки, в основном отношению математической физики и физики экстремальной, в мельчайшем и в крупнейшем масштабах. Но разве это справедливо? Разве это и есть настоящие современные рубежи? Успехи физики не должны касаться только всего самого мелкого и самого крупного: масштабы реальной жизни (с позиции размеров и энергии) представляют не меньший интерес. Вообще, с точки зрения того, как физика изменит нашу жизнь в XXI веке, особенный интерес вызывают физика конденсированного состояния и квантовая оптика, а также области, в которых физика соприкасается с химией, биологией и техникой. Поэтому я попробую на примере этих областей науки показать в следующей главе, как применение физики на практике изменяет наш мир. Мы исследуем, как скажут некоторые, более практически ориентированные аспекты физической науки.
Глава 9. Полезность физики
Где бы вы сейчас ни были, оглянитесь вокруг. Как много из того, что мы, люди, уже создали и построили, стало возможно только благодаря нашему понимаю законов природы: сил, участвующих в формировании мира, и свойств материи, на которые эти силы воздействуют. Поэтому невозможно перечислить все области применения физических знаний – все хитроумные изобретения современного мира, которые обязаны своим возникновением открытиям, сделанным физиками на протяжении многих веков[37]. Поэтому я сосредоточусь всего на двух темах. Первая – это то, в какой степени физика определяет многие другие дисциплины, как фундаментальные, так и прикладные, как она взаимодействует и даже «сливается» с ними, а также какова ее роль в развитии новых междисциплинарных областей. Вторая – краткий обзор новых возможностей, которые, безусловно, реализуются в результате текущих исследований, причем основное внимание будет уделено потрясающим перспективам развития новых квантовых технологий.
После всего, что мы с вами уже обсудили на страницах книги, вполне уместно спросить: хорошо, мы понимаем, что физики поглощены идеей унификации математических принципов, управляющих природными процессами, тем самым отдавая должное вечному стремлению человечества понять Вселенную, – а дальше-то что? Уж конечно, подумаете вы, открытие бозона Хиггса не может иметь никакого непосредственного влияния на нашу реальную жизнь, да и долгожданная теория квантовой гравитации не покончит с бедностью и болезнями. Но так рассуждать неверно. Удовлетворение нашего научного любопытства в рамках фундаментальной науки уже неоднократно приводило к революционным технологическим прорывам. Большинство исследователей, особенно те, кто работает в академической науке, обычно мотивированы не потенциальной возможностью приложения своих результатов. Если обратиться к знаменитым научным открытиям, которые позже принесли большую практическую пользу, вы увидите, что причиной многих из них было исключительно горячее желание исследователей понять наш мир и удовлетворить свою любознательность ученого.
Давайте сравним физику и инженерное проектирование. Будущий инженер-механик или электротехник изучает многие из тех предметов, что и студент-физик: механику Ньютона, электромагнетизм, вычислительную технику и математику, необходимую для решения определенного типа уравнений, которые постоянно применяются в их области. Действительно, многие прикладные физики в конце концов приходят на работу в инженерные отрасли, что еще больше размывает границы между этими двумя сферами деятельности. Однако физики задают вопрос «почему?» или «как?» с целью обнаружить принципы, управляющие природными процессами, а инженер опирается на эти принципы и старается использовать свои знания для того, чтобы улучшить наш мир. И физики, и инженеры решают свои задачи, но мотивы у них различные.
Приведу конкретный пример: блестящее техническое достижение – спутниковые навигационные системы (из них важнейшая за последние десятилетия – американская GPS) отлично демонстрируют роль фундаментальной физики, открытия которой легли в основу технических разработок. Системы GPS стали неотъемлемой частью нашей жизни. Теперь само собой разумеется, что мы не заблудимся в незнакомой местности. Более того, GPS помогла нам увидеть планету сверху и картографировать ее в мельчайших деталях; мы получили возможность наблюдать, как изменяется климат Земли, и прогнозировать естественные явления природы, что помогает нам избежать катастроф. В будущем спутники глобального позиционирования объединятся с системой искусственного интеллекта, что приведет к изменению транспорта, сельского хозяйства и других отраслей. Однако без знаний, полученных на основании фундаментальных физических исследований, создание GPS было бы невозможно. Например, атомные часы на борту спутников, которые нужны для того, чтобы обеспечить точное определение нашего местоположения на Земле, работают только потому, что инженеры поняли, как учесть квантовую природу атомных вибраций наряду с релятивистскими корректировками скорости течения времени, а ведь эти знания следуют из теории Эйнштейна.
Есть множество других примеров того, как на стыке физики и инженерного проектирования возникают новые отрасли, которые позволяют изменять наш мир. Причем инженеры не единственные, с кем физики давно и тесно сотрудничают. Сегодня мы работаем совместно с учеными из самых разнообразных отраслей, таких как медицина, нейробиология, информатика, биоинженерия, геология, экология и космическая наука. А еще физики применяют свое знание логики и математики и навыки решения задач за пределами физической науки в самых разных сферах, от политики до финансов.
Когда физика, химия и биология встречаются друг с другом
В течение всего развития науки наблюдалось пересечение физики и родственной дисциплины – химии. И правда, некоторые величайшие ученые своего времени, включая Майкла Фарадея, занимались обеими науками. И это касается не только химии; значительна роль физики и в развитии, например, биологии. Физики проявляют интерес к широкому спектру биологических проблем; в результате возникла необычайно увлекательная научная область под названием «биофизика». Но является ли биофизика отраслью физики или это частный случай применения физических методов к биологии? И имеет ли это различие какое-либо значение? Если физика в конечном счете лежит в основе химии и химических процессов, а явления, происходящие внутри организма, и сами представляют собой химические процессы, только более сложного уровня, то из этого, безусловно, следует, что и в основе биологии лежит все та же физика. В конце концов, все сущее, живое и неживое, состоит из атомов и подчиняется законам физики.
В попытке найти и сформулировать фундаментальные принципы, управляющие биологическими процессами, физики, как это им свойственно, задались вопросом, что же отличает живое от неживого, учитывая, что и то и другое состоит из одинаковых элементов. Ответ кроется собственно в самой физике: жизнь обладает способностью поддерживать себя в состоянии низкой энтропии, далекой от теплового равновесия, а также сохранять и обрабатывать информацию. Таким образом, создается ощущение, что понимание того, что особенного есть в жизни, должно прийти из фундаментальной физики. Когда я пишу эти слова, я легко представляю себе, как мои коллеги-химики и биологи закатывают глаза от возмущения перед этим свидетельством типичного для физиков чувства собственной значимости. С другой стороны, верно и то, что многие открытия в биологии и генетике принадлежат физикам, включая Лео Силарда, Макса Дельбрюка и Фрэнсиса Крика. В частности, на Крика, который вместе с Джеймсом Уотсоном и Розалиндой Франклин открыл двухспиральную структуру ДНК, оказал большое влияние физик Эрвин Шредингер, замечательная книга которого «Что такое жизнь?», выпущенная в 1944 году, и сейчас весьма актуальна.
С прикладной точки зрения физики активно участвовали в разработке многих технологий, которые применяются для исследования живой материи, начиная с рентгеновской дифракции и кончая МРТ. Даже скромный микроскоп, без которого не смогла бы обойтись ни одна лаборатория, был изобретен в XVII веке после сотен лет исследования природы света и того, как его можно преломлять и фокусировать посредством линз. Причем оба изобретателя, Антуан ван Левенгук и Роберт Гук, использовали микроскоп для изучения живых организмов. И правда, если проанализировать огромный вклад в науку, сделанный Гуком, то обнаружится, что согласно нынешним взглядам он скорее был физиком, чем биологом.
В последние 20 лет мой интерес вызывает одна новейшая область исследования, которая называется квантовой биологией. Как мы уже говорили, вся материя в конечном счете состоит из атомов, а следовательно, на глубинном уровне подчиняется законам квантового мира, как и все остальное во Вселенной. Это, конечно, само собой разумеется. Но квантовая биология скорее касается последних исследований в области теоретической физики, экспериментальной биологии и биохимии, которые заставляют предположить, что некоторые из самых парадоксальных идей квантовой механики, таких как туннелирование, суперпозиция и запутанность, могут играть важную роль в функционировании живой клетки. Для объяснения ключевых результатов экспериментов в области функционирования ферментов или процесса фотосинтеза, по-видимому, требуется обращение к квантовой механике. Для многих ученых это стало огромным сюрпризом; они отказываются верить, что жизненные процессы могут зависеть от таких неуловимых и непредсказуемых факторов, и многие из этих идей все еще подвергаются тщательному анализу. Однако не будем забывать, что у жизни на Земле было почти четыре миллиарда лет, чтобы найти пути развития, дающие ей какие-то преимущества. Если квантовая механика может сделать определенный биохимический процесс или механизм более эффективным, то эволюционная биология им обязательно воспользуется. И это не волше