Одна из самых привычных для нашего разума идей - сведение сложного к простому. Нам кажется, что часть всегда проще целого, что в основе сложных физических зависимостей должны лежать простые основные законы природы. Простота в науке означает симметрию, порядок, красоту. Простое уравнение красивее, чем сложная «трехэтажная» формула. Симметричный кристалл проще и красивее бесформенной глыбы. Простые геометрические тела - шар, куб - симметричны, и красивы. Гармоничный аккорд состоит из звуков, частоты которых относятся, как простые целые числа. Идеи о красоте, гармонии и, следовательно, простоте природы дошли до нас от мудрецов древности. На этих идеях зиждилась философия Пифагора. Они не раз способствовали прогрессу науки. Столь привычное для нас слово «космос» означало у древних одновременно порядок и красоту. Они противопоставляли космос хаосу. Система Птолемея в древней астрономии удовлетворительно описывала видимые невооруженным глазом движения небесных тел. Великий Коперник отверг ее вовсе не потому, что она не соответствовала известным тогда фактам. Но по мере накопления астрономических данных систему Птолемея приходилось настолько усложнять, что она потеряла прелесть простоты. Преимущество системы Коперника состояло первоначально именно в ее простоте, которая, и помогла в, какой-то степени ее принять. Если для одних и тех же фактов возможны два объяснения - простое, и сложное, ученый всегда выберет то, которое проще.
Но в стремлении к простоте Коперник, видимо, перешел некую границу. Ему казалось естественным, чтобы орбиты планет были кругами. Прав оказался Кеплер - планеты движутся не по кругам, а по эллипсам. Особенно удивительно, что эти эллипсы довольно мало отличаются от кругов. Непонятно, какое значение в устройстве природы может иметь столь малая эллиптичность. Таким образом, в науку впервые вошли малые усложнения, наложенные на простую основу. Как мы увидим, число подобных примеров умножается с развитием науки. В той же планетной системе орбиты лежат почти, но не точно, в одной плоскости.
Были с истории науки моменты, когда казалось, что идея простоты торжествует. Так, ядерная физика сумела было построить атомы многих, и разных химических элементов всего из трех элементарных частиц - протона, нейтрона, и электрона. Но эта простота продолжалась недолго. Физики стали открывать во множестве новые элементарные частицы со все более сложными свойствами. Правда, лишь немногие из этих частиц играют важную роль в природе. Легко представить себе мир, в котором большинства из них не было бы. Этот воображаемый мир очень мало отличался бы от реального. Только, что сделанное нами утверждение большинство физиков-теоретиков сочтут еретическим. Они убеждены, что многообразие элементарных (или, лучше сказать, фундаментальных) частиц отражает некие фундаментальные законы природы. В одной веселой пародии на научно-фантастический роман фигурировал памятник с высеченным на его пьедестале «уравнением вселенной», из которого, как частные случаи вытекали спектр масс элементарных частиц, законы Ньютона и таблица умножения. Пародия есть пародия, и таблица умножения в ней, конечно, для смеху, но здесь правильно понята голубая мечта теоретиков найти простое уравнение, из которого вытекала бы вся сложность мира.
Физика и астрономия сделали немало шагов в этом направлении. Пожалуй, самый замечательный - уравнение Шредингера в квантовой механике. Из этого простого уравнения получено колоссальное множество следствий; в частности, оно объясняет сложную, и запутанную картину спектральных линий. Казалось, еще несколько таких шагов - и можно будет доказать, что мир, по существу, прост, а сложность его только кажущаяся. Но за последнее десятилетие стали появляться все новые симптомы глубинной, тревожной сложности, как в микромире элементарных частиц, так, и в мегамире космических масштабов.
Самый страшный симптом сложности - нарушение симметрии. Все простое симметрично. У нас сердце слева, и это очень странно. Проще было бы иметь сердце посередине или половине людей справа, а другой слева. Если бы мы считали развитие живых организмов прямым следствием простых законов природы, то мы никак не поняли бы, почему нет людей с сердцами справа. Современная наука может объяснить это только закреплением в наследственности, какого-то случайного выскока. Так же приходится объяснять, и неравнозначность - правого и левого винта у раковин, и ветвистых растений и способность организмов строить несимметричные молекулы. Все это лишние примеры сложности мира. Но в мире элементарных частиц, казалось, можно надеяться, что не будет разницы между правым, и левым. Увы, такие надежды не оправдались. •
Этот вопрос, который в физике называется проблемой четности, решался мучительно. По существу, речь шла о том, можно ли вообще написать такие уравнения, в которых содержалась бы разница между правым и левым. Одно время казалось, будто для этого надо условиться, что называть правым, и, что левым. Такой элемент произвола в физических законах, конечно, недопустим. Он противоречил бы основному требованию инвариантности, то есть независимости физических законов от выбранной системы отсчета. Когда опыты показали, что в некоторых процессах распада К-мезо-нов нарушается симметрия между правым и левым, возникло подозрение, не связано ли это с, какими-то глубокими свойствами пространства. Вскоре Л. Д. Ландау предложил замечательную идею комбинированной четности правое для частицы становится левым для античастицы (как при зеркальном отражении). Предлагалось еще более простое объяснение не симметрии во многих процессах такого рода участвуют нейтрино или антинейтрино, а эти частицы, как бы ввинчиваются в пространство. Для них правое, и левое отличаются так же, как для левого или правого винта. Но в дальнейшем нашли много новых процессов с нарушением симметрии и некоторые - без участия нейтрино. Нашлись такие процессы, где нарушается, и комбинированная четность. Никаких изменений в свойствах пространства при этом не обнаружилось. Похоже, что не симметрия - свойство не пространства, а населяющих его частиц.
Замечательно, что все нарушения симметрии - слабые эффекты. Их удалось обнаружить только недавно в очень тщательных и тонких экспериментах. Дело обстоит так все физические процессы (в отличие от биологических) почти симметричны. Но на эту симметрию накладываются малые отклонения. Нарушается симметрия, как между правым, и левым, так, и между веществом, и антивеществом. Вот особенно наглядный пример. Нейтральный К-мезон может распадаться разными путями. В одном процессе испускается электрон, в другом - вместо него позитрон. Эти процессы почти равновероятны, но, когда подсчитали большое число распадов, то обнаружилась разница позитронов получается на 0,2% больше, чем электронов. Возникает впечатление, что существует два рода физических законов основные - симметричные, и, какие-то добавочные, приводящие к слабым нарушениям симметрии. Это - странное усложнение в устройстве мира. Хотелось бы, чтобы оно имело глубокий смысл, но пока он непонятен.
Перейдем к космосу. Главные действующие лица здесь - звезды. Проще всего представлять их, как симметричные тела - шары из газовой плазмы. Первая книга по теории внутреннего строения звезд, которую написал 60 лет назад Эмден, так и называлась «Газовые шары» Можно с помощью математики построить воображаемый мир, населенный сферическими (шаровыми) звездами простого химического состава? Этот простой мир оказывается в общих чертах довольно похожим на реальный. Был сделан такой математический эксперимент. Взяли (конечно, мысленно) шар из чистого водорода с массой, такой, как у Солнца. Рассчитали, какую структуру должен принять этот шар под действием собственной силы тяготения, и тех процессов излучения, которые по известным законам физики не могут не протекать в чистом водороде. Оказалось, что по радиусу такой шар отличался бы от Солнца никак не больше, чем на 20%. Светимость его была бы, правда, вдвое меньше солнечной, но достаточно добавить к водороду 20 - 30% гелия, чтобы получить хорошее согласие, и по светимости. Как видим и о мегамире можно сказать то же, что, и о микромире он мог быть гораздо проще, и от этого мало, что изменилось бы.
На простую модель сферически симметричных водородно-гелиевых звезд накладываются усложнения двоякого рода. С одной стороны - химические кроме водорода, и гелия, есть еще тяжелые элементы. В масштабах мегамира их немного около сотой по массе или тысячной по числу атомов. Мы никак не можем считать эту малую примесь маловажной. Ведь без нее не было бы ни нашей Земли, ни нас самих. И все же по существующей теории происхождения элементов, все они смогли образоваться только потому, что энергия одного из возбужденных уровней ядра углерода почти точно совпадает с энергией системы из трех ядер гелия. Такое совпадение (резонанс) как будто не вытекает из общих законов, и кажется случайным. Как это ни чудовищно, но мы вынуждены считать наличие тяжелых элементов еще одним небольшим, и чуть ли не случайным усложнением в простой картине мира.
В самое последнее время внимание физиков и астрономов привлечено к еще гораздо более тонким сложностям. Рассчитали. уже со всей возможной точностью, структуру Солнца, и нашли, какой от него ожидается поток нейтрино. В громоздких, и многотрудных экспериментах не удалось их зарегистрировать. Сначала испугались - не надо ли менять основные представления об источниках энергии звезд. Но подробный анализ показал, что дело опять в мелких усложнениях. По расчету, температура в центре Солнца получалась 15,7 млн. градусов. Достаточно снизить ее до 14,4, чтобы объяснить результат нейтринного эксперимента. Можем ли мы ждать от теории звезд такой точности?
Вопрос оживленно обсуждается, и единого мнения пока нет. Быть может, звезды не такие идеальные сферы, как считалось в теории. Вращение, и магнитные поля нарушают строгую сферическую симметрию. Возникающие от этого силы слишком слабы, чтобы воздействовать прямо на структуру звезды. Но они могут оказывать косвенное действие, влияя на перемешивание продуктов ядерных реакций в веществе звезды, а от этого зависит выделение энергии.
Р. Дике, и М. Голденберг (США) очень тонкими измерениями показали, что видимый диск Солнца сплюснут, то есть Солнце отступает от строго сферической формы. Сплюснутость совсем уж мала - всего 0,005%, - , и тем не менее это новое нарушение простоты, и симметрии возбудило широкий интерес. Естественно предположить, что сплющивание вызвано центробежной силой. Но наблюдаемое на видимой поверхности Солнца вращение с периодом 26 суток для этого далеко не достаточно. Приходится считать, что внутренняя часть Солнца вращается гораздо быстрее - с периодом 1 - 2 суток. Такое неравномерное вращение может заметно повлиять на перемешивание вещества в недрах Солнца и, следовательно, на протекание ядерных реакций. С другой стороны, сплюснутость Солнца искажает его гравитационное поле, и должна повлиять на движение планет. Влияние очень слабое, и может быть замечено только для ближайшей к Солнцу планеты - Меркурия. Обсуждается даже вопрос, не придется ли ввести поправки в уравнения тяготения Эйнштейна. Очень трудно в это поверить, поскольку теория Эйнштейна чрезвычайно точно описывает движение Меркурия без всяких поправок на сплюснутость Солнца. Некоторые смелые люди полагают, что это - случайное совпадение. Не слишком ли много совпадений?
Мы говорили о тех нарушениях простоты, которые уже доказаны. Но дело идет дальше, и физики начинают терять веру в простоту мира. Они тратят много сил на поиски других малых нарушений симметрии. Раньше не сомневались, что элементарные частицы электрически симметричны. Но нарушение комбинированной четности заставляет подозревать, что они могут быть электрическими диполями. И сот ведутся труднейшие опыты в надежде обнаружить у электрона или у нейтрона электрический дипольный момент. Другой пример нейтрино почти не взаимодействует с электроном. На поиски этого сверхслабого взаимодействия затрачивается много сил. Наконец на предположении, что законы природы просты, основана знаменитая теорема Померанчука. Она гласит, что при очень больших энергиях частица, и античастица должны вести себя одинаково. Один из первых результатов величайшего в мире ускорителя под Серпуховом, как будто противоречит этому. Данные еще неокончательные, но есть подозрение, что, и здесь природа вещей сложнее, чем хотелось бы теоретикам.
Одно из замечательнейших явлений во вселенной - открытое несколько лет назад реликтовое (то есть остаточное) космологическое излучение. Это - дошедшее до нас свидетельство о том, что происходило миллиарды лет назад, когда вещество находилось в сверхплотном состоянии. Реликтовое излучение приходит почти изотропно (равномерно со всех направлений). Опять это злосчастное «почти», которое проходит лейтмотивом через весь наш рассказ. И опять важной задачей дня становятся поиски анизотропии реликтового излучения, то есть крохотных отклонений от равномерности по направлениям.
Складывается впечатление, что мир в общих чертах прост, но в странных частностях сложен. Уже религиозные философы средневековья чувствовали это. Они считали, что все простое, и симметричное создано богом, а осложнения порождены дьяволом. Звезде, которая меняет свой блеск, дали имя Алголь, а это - одно из имен дьявола. Мы не верим ни в бога, ни в черта, но, быть может, придется признать действие е природе двух начал, одно из которых приносит простоту, а другое сложность. На «исчадия дьявола» похожи К-мезоны, у которых легче, и чаще всего обнаруживаются нарушения симметрии. Мы еще скажем о «пятой силе», а это уж совсем нечто вроде физического дьявола. Нельзя ли тогда сказать о мелких нарушениях простых законов «А ну их к дьяволу!»
Почему физики, и астрономы тратят столько сил на исследование малых отклонений от простой симметричной картины мира? Да потому, что в науке нет мелочей. Она обязана объяснить все до конца, а каждое еще не понятое явление может таить целый океан неведомого. Ничтожное черное пятнышко на фотопластинке, лежавшей рядом с препаратом урана, оказалось предтечей всей ядерной физики, и техники.
Удастся ли, когда-нибудь открыть простые формулы, объясняющие все нарушения симметрии? Есть две точки зрения - ортодоксальная, и еретическая. Ортодоксы считают в микромире - да, в мегамире - нет. В космосе, кроме законов, и уравнений теории. большую роль играют начальные условия. Вращение звезд, различия в их химическом составе, в магнитных полях - все это не может быть выведено из общих законов, здесь велика роль турбулентных, стохастических, иначе случайных, процессов. Напротив, все свойства элементарных частиц мы привыкли выводить из общих законов, и хочется, чтобы эти законы были просты. Но в воздухе носятся, и еретические мысли
