Холодная, строгая и блистательная

Прежде чем двигаться дальше, я хотел бы остановиться на секунду для короткого спора с героем моей юности Бертраном Расселом, который писал:

Математика при правильном взгляде на нее владеет не только истиной, но и высшей красотой – красотой холодной и строгой, как красота скульптуры, без всякого обращения к какой-либо части нашей слабой природы, без блистательных нарядов живописи или музыки, но совершенно чистой и способной к неумолимому совершенству, какое может продемонстрировать только величайшее из искусств.

Я не могу полностью согласиться с этим утверждением, но я думаю, что его пуританский тон сбивает с толку (и слышать его от Рассела очень странно). Холодная и строгая красота может быть чудесной, но роскошные наряды тоже могут быть прекрасны. Они дополняют друг друга. Уравнение Шрёдингера холодно и строго. Но в то же время из него получается то, что изображено на вклейке СС!

Атомы ручной работы

В последние годы границы атомной физики раздвинулись от наблюдения к контролю и созиданию. Ученики Мастера закончили обучение и сами стали мастерами.

На одном из рубежей атомные инженеры нашли способы отлавливать и изолировать отдельные атомы. Это позволило ясно взглянуть на основные квантовые процессы. Например, можно наблюдать за неожиданными изменениями состояния, которые происходят, когда отдельный атом излучает или поглощает свет, и видеть «квантовые скачки» Бора в реальном времени. Атомные инженеры также могут манипулировать такими атомами, помещать их в электрические или магнитные поля или облучать светом. Это дает возможности тончайшего контроля. Отдельные атомы – это чудесный материал для инженерного искусства, потому что они фактически свободны от трения и их свойства могут быть настроены (при использовании полей) и с достаточной надежностью предсказуемы (с помощью теории). Например, это лучшие в мире часы. В настоящее время лучшие атомные часы идут с максимальным отставанием примерно в одну секунду за миллиард лет.

Другой передний край – это создание новых видов атомов. Квантовые точки – это искусственные структуры, основанные на тех же принципах, что и естественные атомы, но изготовленные «по техническим условиям», заданным человеком. По существу, это новые виды музыкальных инструментов, разработанные для работы не со звуком, а со светом. В самой своей основе квантовые точки состоят из небольшого количества электронов, изолированных в небольшом пространстве, где они попадают в ловушки искусно созданных электрических полей. Квантовые точки обладают огромными возможностями для создания детекторов и генераторов света. Это может оказаться очень полезным для расширения цветового восприятия, как мы обсуждали ранее, и во множестве других приложений.

Пионеры атомной физики и не мечтали об управлении отдельными атомами, не говоря уж о создании искусственных. В их ранних работах можно даже найти положения, отрицающие возможность квантовой инженерии. Бор, в частности, подчеркивал разницу между полностью доступным «классическим миром» и отличным от него «квантовым миром», который можно наблюдать (немногими способами!), но не перестраивать. Но их исследования, движимые изначально поиском красоты и простым любопытством, породили великолепные и бесконечно многообещающие новые технологии.

Это поучительно.

Многие виды наград вручаются людям за ощутимые, реальные заслуги. Эти награды принимают формы жалованья, прибыли, социального статуса и т. д. Но все накопленное богатство фундаментальной науки и искусства часто проистекает из усилий, чья непосредственная ценность заметна не сразу. Даже в случаях, когда некий прорыв очевидным образом важен, могут потребоваться годы работы, прежде чем он принесет какую-либо экономическую выгоду. Польза от него может полностью лежать в сфере культуры и никогда не стать экономической в обычном смысле этого слова. Люди, которые работают над накоплением этого особого вида богатства, посвящают свой труд долговременному вложению в улучшение жизни человечества в целом. Кто из твердолобых бизнесменов или потребителей готов заплатить за это? И все же история учит нас, что такое вложение в будущее и всеобщее благо приносит свои плоды. Мудрое общество поощряет возможности совершать подобное.

Назад к Платону

Детали атомистической теории Платона, основанной на атомах в форме платоновых тел, совершенно неверны. Несмотря на это, атомы Платона служат подходящей и красивой метафорой для реальности, потому что эта теория верна в принципе.

Вещество действительно состоит из атомов нескольких видов. Атомы действительно существуют в огромных количествах полностью идентичных копий. Свойства вещества действительно определяются свойствами атомов, из которых оно состоит. И, что для Платона было самым важным, атомы воплощают Идеальное .

В оригинальной теории Платона атомы воплощали прекрасную геометрию симметрии. В современной теории атомы – это решения прекрасных уравнений. (Если опуститься на уровень ниже, как вы увидите, мы снова вернемся к симметрии!) Если у вас есть достаточно мощный компьютер и правильные уравнения, этот компьютер сможет предсказать любое свойство атома, которое может быть измерено. Ничего больше не требуется. Именно в этом смысле атомы воплощают уравнения.

Красота ограничения

Фундаментальные законы современной физики – это динамические законы. Другими словами, это законы, которые управляют тем, как вещи меняются во времени. Они переводят входные параметры (условия, которые были в один момент времени) в выходные параметры (условия в другой момент времени). Но они рады работать с любыми входными параметрами и потому не навязывают структуру.

По формальным признакам те атомы, которые мы знаем, вряд ли могут получаться из динамических уравнений. Атомы определенного вида – скажем, атомы водорода – это структуры, которые существуют в огромном количестве идентичных копий. Они не развиваются и не разрушаются и в стабильной среде не демонстрируют никаких свойств, которые изменялись бы в зависимости от времени. Заглядывая в прошлое (благодаря конечности скорости света), мы можем наблюдать спектры древних атомов, которые подтверждают, что атомы далеких-далеких галактик давным-давно вели себя точно так же, как атомы на сегодняшней Земле. Мы можем также с потрясающей точностью сравнить спектры, полученные в соседних лабораториях или в одной и той же лаборатории с разницей в две недели.

В производстве товаров использование взаимозаменяемых частей было революционной инновацией, и потребовалась сложная работа, чтобы к этому прийти. Но как же Природа добилась этого? Как могло единообразие, если оно было достигнуто тщательным подбором, противостоять разрушительному действию времени? И если эти строительные блоки исключительно стабильны и сопротивляются изменениям, то как же они тогда могли возникнуть?

Максвелл был обеспокоен и заинтригован этим вопросом, видя в нем свидетельство существования милосердного Творца. Он писал:

Как мы знаем, естественные процессы изменяют и в конце концов разрушают весь порядок и размеры как Земли, так и всей Солнечной системы. Но если случались и вновь могут случиться катастрофы, если старые системы могут разрушаться и на их развалинах могут возникать новые системы, то молекулы, из которых эти системы построены, неразрушимы и неизменны – это краеугольные камни материальной Вселенной.

Сейчас молекулы также неизменны по своему числу, по своим размерам и по весу, как и в то время, когда они были сотворены. Из этой неизменяемости их свойств мы можем заключить, что стремление к точности измерений, к правдивости в суждениях и к справедливости в поступках, почитаемых нами как благороднейшие черты человека, присущи нам потому, что они представляют сущность образа того, кто сотворил не только небо и Землю, но и материю, из которой они составлены[63].

Ньютон не был убежден в стабильности Солнечной системы (и считал, что она нуждается в том, чтобы Творец ее время от времени ремонтировал). Здесь по похожим, но даже более веским причинам Максвелл сомневается в стабильности материальных структур, доказанной их точным сходством и возможностью добиваться точности в химии.