 |
|
Очарование познания
ОЧАРОВАНИЕ НАУКИ
Анатолий Бучаченко
Бучаченко Анатолий Леонидович — химик, специалист в области химической физики. Родился в 1935 году. Окончил Нижегородский университет. Академик РАН, лауреат Государственной и Ленинской премий. Заведующий кафедрой химической кинетики химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Заведующий отделом Института химической физики им. Н. Н. Семенова РАН. Автор многих научных монографий и публикаций, а также научно-популярной книги “Химия как музыка” (Тамбов, 2004). В “Новом мире” публикуется впервые.
Что есть наука
Это скучный вопрос — что такое наука. Есть десятки ответов на него — ярких и унылых, серьезных и шутливых, глубоких и примитивных. Многие из них демонстрируют остроумие, изощренность и элегантность мышления. Но точен и бесспорен лишь один, простой и лишенный пафоса, — наука есть добыча Знаний. За ним все — и цель, и профессия, и вдохновение, и способы добычи, и пути познания. Великий Ньютон заключил эту мысль в чеканную и монументальную формулу: “Наука есть движение мысли человеческой вслед за мыслью Творца”. Это движение по дороге великих, блестящих идей и унизительных заблуждений, вдохновения и отчаяния, взлетов и падений, ярких озарений и унылых, тусклых тупиков, дорога восторга и смертельных ошибок. Великая и драматическая дорога познания, бесконечная и полная очарования…
Очарование познания
Наука открыла устройство мира. Она показала, что мир устроен изумительно просто, но в этой таинственной простоте есть интригующая загадочность. Наука открыла чертежи и законы, по которым сотворен мир; она установила, что мир создан по точному математическому законодательству — по формулам и уравнениям с точно заданными мировыми константами. Это законодательство наука отчеканила в теориях — строгих и совершенных. Первая из них и самая древняя — эвклидова геометрия, теория физического пространства (Эйнштейн назвал ее триумфом мышления). Она не могла предвидеть искривление пространства, открытое Эйнштейном через 23 века после Эвклида, и потому она не точна. Однако отклонение в размерах объектов эвклидовой геометрии (без учета искривления пространства) от реальных размеров (с учетом искривления) в масштабе одного метра составляет величину, меньшую диаметра атома водорода (около 0,5 ангстрем, или 0,5·10-10 м); это соответствует точности теории 10-8%. Классическая, ньютоновская механика дает безупречное описание законов и явлений движения тел, однако для быстро движущихся тел (при скоростях, близких к скорости света) ее предсказания чуть-чуть отличаются от опыта. Но родились две теории относительности — специальная и общая, которые безупречны; их точность превосходит фантастическую величину 10-12%. Они включают ньютоновскую механику и дают блестящее описание не только нашего, классического, земного мира, но и мира космогонического, экзотического с позиции простого жителя Земли. Более того, они включают динамическую теорию гравитации и описание космогонических явлений и объектов (например, двойных пульсаров и черных дыр).
Заметим, что обе теории относительности появились раньше, чем обнаружились их подтверждения, и это демонстрирует волшебную силу науки и человеческой мысли, когда предсказания опережают опыт. И нужно добавить, что эти теории заключены в безупречно строгую и загадочно точную математическую форму.
Абсолютно безупречной и точной является электромагнитная теория полей — электрического, магнитного, светового (теория Максвелла). Она прекрасно работает в масштабном диапазоне от протонов и нейтронов до галактических размеров, то есть дает классическое описание полей с поражающей воображение точностью 10-34%; из нее также родилась специальная теория относительности. Все теории — и материальных тел, и полей — великолепно согласованы, дополняют и расширяют друг друга, обеспечивая точное и строгое описание классического мира — мира макроскопических тел.
Наука, описывающая микромир, — квантовая механика — родилась в начале XX века, точнее, вечером 19 октября 1900 года, когда к Максу Планку пришел его друг Рубенс и принес экспериментальные результаты по излучению абсолютно черного тела в длинноволновой области. “Квантовая магия”, “квантовое таинство” — вот лишь некоторые ее определения; это самая точная и загадочная наука, где все не так, но все верно и более того — абсолютно точно. И она математически так же строга и совершенна, как и классическая механика.
“Царственное уравнение” квантовой механики — уравнение Шредингера — абсолютно точно; не найдено ни одного явления или события в микромире, которое расходится с его количественными предсказаниями.
Наш жизненный опыт говорит, что тела могут иметь любую энергию, а все объекты — либо частицы, либо волны; третьего не дано. В мире квантовой механики это третье есть: объекты микромира ведут себя непостоянно и нелогично — они преображаются из частиц в волны и обратно. Кроме того, им разрешены только определенные энергетические состояния и запрещено иметь произвольную, любую энергию. И эти волшебные свойства — не вымысел, они все строго подтверждены всем опытом жизни и экспериментальной науки. Неопровержимая достоверность парадоксального результата…
Да, в квантовой механике все не так, но она — величайшее достижение XX века, опора новой, современной цивилизации, ее новое лицо и новые прорывы — от атомной энергии до высадки человека на Луну. Она породила изысканную, элегантную теорию — квантовую электродинамику, квантовую теорию полей и движущихся зарядов. Точность этой теории такая же, как если бы расстояние от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса измерялось с точностью до толщины человеческого волоса. И это не просто впечатляющий образ; за этим стоит точность 10-8%. Именно с такой точностью вычисленный из квантовой электродинамики магнитный момент электрона совпадает с экспериментально измеренным1. И не надо забывать, что все эти совершенные теории, так безупречно точно изображающие мир, рождены на кончике пера и на острие мысли — это ли не свидетельство волшебного могущества науки и ее великого очарования?
Получается, что мы живем в двух мирах: макромир, мир “больших” объектов, управляется законами классической механики; микромир, мир “малых” частиц, беспрекословно подчиняется законам квантовой механики. Но они несовместны, они не могут быть одновременно справедливы, они находятся в состоянии “свирепого антагонизма”. И эта мысль для великих умов невыносима, она мучила Эйнштейна в его поисках единой теории поля2, в его поисках объединения упрямо необъединяющихся теорий макромира и микромира. Каждая из них безупречна и совершенна, но именно то обстоятельство, что два совершенства несовместимы, рождает смутное подозрение, что в этом таится их несовершенство.
Конечно, в пределе, когда микромир сближается по размерам с макромиром, обе механики объединяются — это естественно. Но остается интрига — как и по каким законам квантовая механика “перетекает” в классическую. Это относится и к объединению квантовой механики с общей теорией относительности, то есть к квантовой теории гравитации. Большинство физиков считает, что возникающие квантовые поправки ничтожны и проявляются лишь на масштабе так называемой планковской длины (около 10-35 м). Но самые изысканные умы это не удовлетворяет: стремление к полной гармонии и совершенной красоте безгранично.
Сегодня — и опять на кончике пера и острие математической мысли — рождаются контуры великой Универсальной Теории Всего — и веществ, и полей, и микро-, и макромира. И эта теория объединяет обе механики; более того, в этой новой теории они не могут существовать друг без друга, ибо это теория Великого Объединения, к которой упрямо шел Эйнштейн. Это теория суперструн, в которой электроны и кварки — эти фундаментальные частицы — составляются из петель вибрирующих, колеблющихся волокон, суперструн. И все свойства мира и его элементов определяются свойствами и поведением суперструн.
Физики не единодушны в отношении к суперструнам. Есть шанс их найти экспериментально в столкновениях сверхбыстрых частиц в ускорителях-коллайдерах, хотя для этого нужны огромные (возможно, недостижимые) мощности. Здесь стоит вспомнить историю позитрона: его предсказание было принято физиками безучастно. Каково же было их изумление, когда через год позитрон был обнаружен экспериментально…
Уже есть пять теорий суперструн; они дали также новую жизнь десятимерной теории супергравитации. И все они развиваются, переливаются друг в друга, совершенствуя и обобщая друг друга, и этот процесс обязательно приведет к единой теории, к пониманию того, как чарующе элегантно устроен наш мир и наша Вселенная3. Но и сегодня, как и четыреста лет назад, остаются правдой слова Галилея: “Здесь скрыты столь глубокие тайны и столь возвышенные мысли, что <…> радость творческих исканий и открытий продолжает существовать”. А рядом с ними — очарование…
Великий путь познания прошла химия — от древней алхимии до современной науки, достигшей верхнего горизонта — способности детектировать и распознавать отдельную, одиночную молекулу, пространственно фиксировать ее и перемещать, измерять все ее свойства, включая электропроводность, химические преобразования и функционирование. Химия освоила современные физические технологии, достигнув умения не только наблюдать процессы преобразования молекул за фантастически короткие времена 10-15 секунды, но и управлять ими. И сейчас идет гонка за времена 10-18 секунды…
В химии появилось осознание своего собственного Великого Объединения: в ней есть шестнадцать базовых атомных орбиталей — электронных волновых функций, своеобразных “химических нот”4. И как из комбинации простых шахматных ходов слагаются бесконечные шахматы, как из семи музыкальных нот рождается волшебная и вечная музыка, так из шестнадцати простых атомных орбиталей — химических нот — сотворена могучая и неисчерпаемая химия, построен весь атомно-молекулярный мир, создана вся химическая архитектура мира и его самого сознательного элемента — Человека. Вся природа — и неживая, и живая — построена на фундаменте, сложенном этими шестнадцатью атомными орбиталями.
Но самые впечатляющие, завораживающе прекрасные открытия делает биология. Двигаясь по дорогам вслед за Творцом, она приносит то, что не может не вызывать восторга. Посмотрите, как восхитительно устроен и красиво функционирует генетический аппарат. А как безупречно работают молекулярные машины — ферменты, снабжающие организм аденозинтрифосфатом, главным энергоносителем в организме. И эти энергоснабжающие машины производят энергоноситель в огромном количестве — в сутки половину веса организма; это количество покрывает все потребности организма на все процессы — от проницаемости клеточных мембран до сокращения мышц и запоминания…
А как прекрасна ДНК-полимераза — фермент, ответственный за деление клеток, за размножение и воспроизведение всего живого на Земле. Это комбайн, составленный из нескольких молекулярных машин, каждая из которых выполняет свою функцию, действуя изумительно согласованно с другими. Этот комбайн движется по двойной спирали ДНК, расплетает ее на одиночные нити, принимает подаваемые ему нуклеотиды (а их приносит транспортная РНК), отбирает нужный, соответствующий заданному коду, затем присоединяет его к нити ДНК, а та не только “шьет” новую нить ДНК, но еще и сама исправляет ошибки, которые она изредка допускает в своем “швейном” деле. При этом новые нити строятся сразу на обеих “старых”. Это восхитительно прекрасный процесс редупликации ДНК. Привыкнуть к чему-либо — значит потерять очарование, но к тому, что делает ДНК-полимераза, привыкнуть невозможно…
Изумительно устроены и функционируют синапсы — структурные элементы нейронов, где происходит запоминание, рождаются мысли и мышление; восхищает работа кинезина — молекулярного двигателя-извозчика, доставляющего нейромедиаторы из аппарата Гольджи в синапс. Не может не вызывать восхищения микросома — структура, способная свернуть двухметровую спираль ДНК в шарик микронного размера. Или таинство экспрессии генов… А как волшебно устроена иммунная система… И, конечно, рождает восхищение потрясающая согласованность огромного каскада биохимических реакций, обеспечивающих жизнь организма строительным материалом, энергией и исполнением его разнообразных функций. Современная биология — самая энергичная наука, поражающая своими открытиями в познании самой жизни и ее вершины — мышления. И конца этой дороги познания не видно; и всегда биология будет источником очарования. По мнению автора, в сегодняшней науке есть две самые горячие точки — суперструны и молекулярная биология, и обе они чарующе прекрасны.
“Вне науки” и “вне современной науки”
Здесь заключена интрига вопросов: есть ли вещи непознаваемые, как отличить их от вещей непознанных, беспредельна ли наша способность познания мира? Есть ли вещи вне науки? Но и в последнем вопросе скрыто два: “вне науки?” или “вне современной науки?”. Разница между ними такая же, как между любовью ко всему человечеству и любовью к одному, конкретному человеку.
Во времена Аристотеля вне науки было электричество. Но при Фарадее оно стало элементом цивилизации; зато вне науки оставались лазеры, радиоактивность, компьютеры, мобильный телефон, телевизор и многое другое, что входит в понятие современной цивилизации. Еще недавно, десяток лет назад, в химии даже не возникало мысли об одиночной молекуле как объекте исследований и познания. А сегодня это прекрасно освоенная область химии.
И уже создан транзистор на одной молекуле, появились одномолекулярные магниты и реальны контуры новой технологической цивилизации — молекулярной электроники, в которой функциональными элементами служат одиночные молекулы5.
Еще недавно говорить о влиянии магнитного поля на химические реакции считалось признаком постыдного невежества, это было вне науки. А сегодня утвердились новые области — спиновая химия, химическая радиофизика, химическая поляризация ядер; они принесли крупные открытия новой, магнитной изотопии и новых, магнитно-спиновых эффектов. Здесь наука разрушила старые догмы и предрассудки и принесла новую правду.
Еще недавно даже в мыслях не допускалось участие парамагнитных состояний в производстве главного энергоносителя в организме — аденозинтрифосфата; теперь же это участие доказано. Отсюда следует возможность магнитной поляризации ядер фосфора при ферментативном синтезе аденозинтрифосфата, возможность энергетической накачки ядерного зеемановского резервуара и радиоизлучения этого резервуара (в химических реакциях это уже известно — мазер с химической накачкой). А отсюда шаг до физических основ телепатии, которая сегодня, бесспорно, вне науки.
И такими неожиданными и почти волшебными превращениями явлений и событий из состояния “вне науки” в состояние “так и должно быть” полны физика, химия и особенно биология. Чудо — это то, что не имеет причины. И потому поиск причин “вненаучных чудес” и включение в ряд “законных” научных находок есть одно из великих очарований науки.
Все сказано на свете:
Несказанного нет.
Но вечно людям светит
Несказанного свет.
(Новелла Матвеева)
Именно этот чарующий свет непознанного зовет людей науки… У них это профессиональная гонка за новым, неизведанным. Тайна всегда пленительна и очаровательна. “Самое прекрасное и глубокое переживание, выпадающее на долю человека, — это ощущение таинственности. Оно лежит в основе религии и всех наиболее глубоких тенденций в искусстве и в науке. Тот, кто не испытал этого ощущения, кажется мне если не мертвецом, то, во всяком случае, слепым” — это Эйнштейн6.
И это не по И. П. Павлову, не по его условным рефлексам, ибо новое обещает не только приятное, но и может грозить опасностями. Погоня за новым — это не гонка за удовольствиями. “Только очарование, сопровождающее науку, способно победить свойственное людям отвращение к напряжению ума” (Гаспар Монж).