Очередной фрагмент из цикла «Основы физики от аватаров«. Координаты фрагмента: 3. Асимметрии; 3.2 Квантовая биология частиц; 3.2.3: Симбиотический генезис.

Мистическая поэзия: странный мост между физикой и биологией

To see a World in a Grain of Sand
And a Heaven in a Wild Flower
Hold Infinity in the palm of your hand
And Eternity in an hour…

Увидеть мир в зерне песка
И небеса в ростке цветка
Вместить в ладони бесконечность
И в быстротечном часе вечность…

В этих четырех кратких, но знаменитейших ныне строчках их автору, Уильяму Блейку, удалось достичь поразительного результата. Продемонстрировать мощь человеческого разума в постижении тайн любого целого по его крошечным фрагментам. От физики Материи до биологии Космоса, от бесконечности Пространства и до загадочной природы Времени.

Но хотя продемонстрировано это, спору нет, весьма талантливо и впечатляюще, с точки зрения серьезной науки все строки четверостишия выглядят голословными и бездоказательными. Поэзия, одним словом, что с неё взять…

На самом деле, однако, взять тут можно не просто много, а очень и очень много чего. Не только полезного, но и в высшей степени поучительного.

#

В 1803 году, когда поэт и художник, мистик и визионер Уильям Блейк написал это примечательное четверостишие, то ни его странные идеи, ни все творчество в целом не вызывало у современников абсолютно никакого интереса. Кто-то считал Блейка чудаком не от мира сего, кто-то просто сумасшедшим, а в конечном итоге талантливейший человек так и закончил свою жизнь в безвестности и полной нищете.

Подлинная мировая слава, море почитателей и культовый статус пришли к Уильяму Блейку с огромным запозданием – примерно с середины XX века. Ныне его художественные работы регулярно появляются на обложках книг и журналов, а строчки из его поэзии то и дело можно услышать то в поп-песнях, то в кинофильмах и сериалах, то в видеоиграх. Короче говоря, творчество Блейка уже давно и прочно стало заметным элементом массовой культуры.

В некотором смысле можно говорить и о его широкой известности в современной науке – если принять во внимание нередкое появление графики художника Блейка на обложках научно-популярных изданий и даже серьезных научных монографий. Про возрождение философско-мистических идей мыслителя Блейка в передовой науке XX века, впрочем, речи никогда не шло.

Но затем наступило следующее, двадцать первое столетие. И в самом начале нового века, в 2003 году, то есть ровно двести лет спустя после появления особо интересного для нас четверостишия, вышла из печати очень солидная, сугубо научная физико-математическая монография под примечательным названием «The Universe in a Helium Droplet». Или по-русски «Вселенная в капле гелия». [1]

#

В книге этой, имеющей объем свыше полутысячи страниц, нет ни единого упоминания про Уильяма Блейка и его мистическую поэзию. Однако и без этого ясно, что название работы прямо отсылает к строкам знаменитого стихотворения. Да и все содержание собственно монографии – это, по сути дела, отважная попытка автора систематизировать и строго описать на языке математической физики «то самое». Поразительную вещь.

То, каким образом серьезная наука способна не только прочно ухватить идею, но и постичь затем в деталях устройство всего мира лишь по одной песчинке. Или в данном случае – по одной капельке жидкого гелия, находящегося в состоянии редкого изотопа ³He (гелий-3 с ядром из двух протонов и одного нейтрона) и в особенной «фазе А» сверхтекучести.

Несколько слов необходимы для пояснения того, в чем заключается отвага данной попытки. Автор монографии, Григорий Воловик, – это авторитетный ученый, давно и успешно вписанный в научный мейнстрим. Ведущий сотрудник института Теоретической физики им. Ландау и руководитель почтенного научного журнала в России, профессор и академик научных структур в Финляндии, лауреат всяческих престижных международных премий и так далее. В общем, жизнь удалась, как принято говорить в подобных случаях…

Но вот монография Воловика про мир в капле гелия – это возмутительная научная ересь, открыто призывающая, по сути дела, к пересмотру почти всех из тех базовых идей, с которыми официальная физика пришла к новому столетию. Начиная с того, что автор абсолютно уверен в необходимости возвращения в основы физики концепции эфира. То есть особой субстанции-флюида, неуловимо легкой и подвижной жидкости, представлявшей материю «пустого пространства» для науки XIX века и решительно замененной «вакуумом полей» в веке двадцатом.

Григорий Воловик показывает, однако, что квантовые поля современной физики – это не просто математический аналог эфира, но и описание вполне материальной жидкой среды с весьма особенными гидродинамическими свойствами. Самая же близкая из реальных физических систем, по своим необычным свойствам больше всего соответствующих такому «новому эфиру», – это давно и тщательно изучаемый сверхтекучий гелий-3 в фазе А.

Жизнь и творчество в науке сложились у автора так, что фактически с самого начала, с 1970-х годов, он занимается исследованиями физики конденсированного вещества при сверхнизких температурах. Глубокое знание собственного предмета и широкая научная эрудиция в смежных областях, собственно, и позволили осуществить ученому воистину поразительное.

На языке уравнений и экспериментальных результатов Воловик обстоятельно и по-научному строго демонстрирует, что все главные достижения теоретиков второй половины XX века – как для самого малого (физику частиц высоких энергий) так и для самого большого (космологию ранней вселенной) – можно выводить математически из единой основы. А основой этой являются топологические подходы и результаты квантовой гидродинамики – как физики коллективных возмущений и эмерджентных феноменов в жидкости сверхтекучего гелия. [2]

Иначе говоря, в своей книге автор наглядно показывает, что практически вся та замечательная математика физиков, которую не без оснований принято считать вершиной теоретической науки 20-го столетия, на самом деле вполне допускает и иную интерпретацию. Причем эта другая интерпретация отличается от традиционной в корне и самым радикальным образом. Ибо здесь всё выстроено на основе концепции эфира – как материи пространства-жидкости в холодном сверхтекучем состоянии…

Поскольку все математические аргументы, которые выдвигает Воловик, прочно опираются на результаты экспериментов, то модель его можно было бы считать революционным успехом и мощным сигналом к пересмотру фундаментальных основ всей физической науки. Но есть тут, однако, одно большое НО. Точнее, два или даже три НО, тесно взаимосвязанных друг с другом.

Если обрисовать суть проблемы в самых общих чертах, то концепция «мира в капле гелия» пока что никак не смогла помочь автору в выведении наиболее важных вещей той новой физики, которая появилась в первой трети XX века.

Прежде всего, не выводится квантовая механика. Она просто присутствует в построениях Воловика изначально, как уже имеющаяся данность. Во-вторых, здесь никак не выводится и теория гравитации Эйнштейна, иначе известная как ОТО или общая теория относительности. И в-третьих, наконец, из-за двух первых причин остается совершенно никак не проясненным, естественно, и вопрос вопросов фундаментальной физики: как же две этих основы согласовать и собрать в единое непротиворечивое целое…

В заключительной части своей работы Григорий Воловик с готовностью признает, что в его построениях по-прежнему недостает каких-то очень важных компонентов, способных обеспечить полноту и целостность картины. Но вот как могут выглядеть эти недостающие компоненты – на данный счет у автора нет ни малейшего представления.

Глядя же на эти принципиальные затруднения с другой стороны – с позиций «физики от аватаров» – заметить нехватку конкретных важнейших деталей существенно проще. Если идея Единства присутствует здесь через гидродинамическую основу достаточно отчетливо, то вот Раздвоение всех элементов системы на асимметричные половины просматривается довольно смутно. Ну а про тотальное отсутствие идеи о вселенной как живом организме здесь даже и говорить не приходится. В чисто физико-математической книге Воловика само слово такое – «биология» – не встречается ни разу.

Можно показать, однако, – хотя и довольно специфическим образом – что на самом деле ни один из первичных элементов материи во вселенной не связан с идеями разнообразия жизни и биологической эволюции в большей степени, чем атом гелия. Так что непонимание этой взаимосвязи оказывается не просто серьезным упущением науки, но и принципиального характера барьером на путях постижения природы.

#

Фундаментально важное и в высшей степени примечательное вещество под названием гелий занимает как во вселенной, так и в нашей науке весьма особенное место. Для начала следует подчеркнуть, что довольно долго, вплоть до 1868 года ученые-естествоиспытатели вообще ничего про гелий не знали и даже не подозревали о его существовании. А впервые обнаружить его им удалось не на Земле, а на Солнце, когда были освоены достаточно развитые методы спектрального анализа веществ по их горению.

Еще четверть века понадобилась ученым для того, чтобы обнаружить гелий и на Земле. Примерно тогда же, на рубеже XIX-XX столетий, начали происходить открытия в области радиоактивности и квантования лучистой энергии, указавшие на тесную и поначалу весьма загадочную взаимосвязь между физикой гелия и физикой излучения атомов.

Лишь несколько десятилетий спустя, уже в 1930-е годы, вместе с появлением ядерной физики, исследователи-теоретики начали постигать великую тайну свечения звезд. И установили воистину космическую важность гелия – наиболее распространенного в природе элемента после водорода. Такого элемента, без которого во вселенной не было бы ни звезд с их светом и теплом, ни всей той разнообразной материи, из которой сделаны и мы сами, и все прочее, что нас окружает…

Нас здесь, однако, во всей этой захватывающей истории открытий особо интересует лишь самое начало – год 1868. Ибо именно этот конкретный год для открытия наукой гелия есть сильные основания считать далеко не случайным. По той причине неслучайным, что в точности тогда же, в 1868, но несколькими месяцами ранее, в науке биологии появилась большущая монография от Чарльза Роберта Дарвина [3].

Работа эта носила название «Изменение животных и растений в домашнем состоянии» и с опорой на девятьсот примерно страниц излагала взгляды автора на механизмы наследования приобретенных признаков у живых организмов. Ни в период своего появления, ни впоследствии эта книга так и не стала сравнима по значимости и популярности с главным трудом Дарвина о теории эволюции. То есть с монографией «Происхождение видов путём естественного отбора», вышедшей в 1859 и быстро ставшей одной из самых влиятельных среди научных книг человечества.

Книга же 1868 года, про «Изменение животных и растений», особо примечательна для истории по той причине, что именно в ней – в самой последней главе перед заключением – Дарвин впервые сформулировал очень важную для современной биологии идею о жизни клеток как о жизни крошечной, но чрезвычайно сложно и замысловато устроенной вселенной. Если цитировать отца теории эволюции дословно, то выглядят эти строки так:

Каждое живое существо является микрокосмом, – маленькой вселенной, образованной целою массой самостоятельно живущих и размножающихся организмов, невообразимо мелких и таких же многочисленных, как звезды на небе.

Сегодня эти знаменитые строки регулярно вспоминают как первое появление идеи симбиотического генезиса или происхождения и эволюции сложной клеточной жизни на основе взаимовыгодного симбиоза клеток более простых. А кроме того, легко заметить, наверное, что строки Дарвина явственно перекликаются и со строфой из мистической поэзии Уильяма Блейка – о тех, кто видит «Небеса в ростке цветка».

Если же воспринимать слова Дарвина в прямом и буквальном смысле, без всяких отсылов к чуждому науке мистицизму, то мы тут имеем просто красивую и ёмкую метафору, проводящую параллели между жизнью любого, даже самого простого биологического организма и жизнью необъятного космоса с его мириадами звезд. Где каждая из этих звезд дает миру свет и тепло, горя стабильно и ровно на протяжении многих миллиардов лет благодаря весьма необычным свойствам солнечного вещества под названием гелий.

И дабы стало понятнее, что открытие космического первоэлемента гелия совсем не случайно совпало с годом появления в науке идеи про всякое живое существо как микрокосмос, надо напомнить некоторые существенные подробности того, как именно это происходило. Книга Дарвина вышла в свет в январе 1868, а осенью того же года сразу от двух ученых-астрономов, изучавших Солнце независимо друг от друга в разных странах, абсолютно синхронно появились сообщения об открытии линии нового неизвестного вещества в спектре солнечного света.

Если проследить хронологию этого двойного успеха более тщательно, то французский астроном Пьер Жансен сделал открытие на несколько месяцев раньше, чем его английский коллега Норман Локьер. Но поскольку Жансен в ту пору работал в Индии, его письмо в Парижскую Академию (слывшую в ту пору неофициальным центром мировой научной жизни) шло значительно дольше, чем аналогичное письмо от Локьера из Британии.

В итоге же случилось так, что сообщения от Жансена и Локьера поступили в Академию в один и тот же день октября 1868 года, с разницей лишь в несколько часов. Буквально на следующий день их зачитали одно за другим на заседании академиков, а в ознаменование столь примечательно синхронного достижения Парижской Академией наук была выпущена памятная золотая медаль с портретами двух ученых и цифрами года их открытия.

Как можно интерпретировать всю эту любопытную цепь событий? Если бы, скажем, кому-то вдруг настоятельно понадобилось дать важный и мощный сигнал о неслучайно совпавшем появлении в науке нового «космического» вещества гелия и идеи о биологическом космосе в один и тот же год, то нечто подобное и следовало сделать. То есть именно так и должен выглядеть избыточно закодированный сигнал, надежно защищенный от случайных помех и переменчивых обстоятельств истории.

Поэтому далее будем считать, что собственно сигнал нами здесь не только принят и успешно декодирован, но и надежно сохранен в памяти – для грамотного реагирования на многие другие подобные совпадения.

#

Тема мистической поэзии Блейка и неслучайных совпадений в науке, то, как они ложатся на взаимосвязи между удивительной природой гелия и биологической эволюцией клетки, между физикой космоса и симбиотической жизнью атомов – все это будет присутствовать на протяжении большого рассказа постоянно. Здесь же, для подобающего завершения вводной главы, осталось рассказать лишь еще одну историю.

В основе этой истории – уже затрагивавшийся ранее сквозной сюжет о «квантовой сцепленности» биографий ученых. Когда в разных местах планеты и совершенно, казалось бы, независимо друг от друга одновременно рождается пара людей с незримо связанными судьбами и жизненными интересами.

Конкретно в данном случае важны трагические судьбы двух выдающихся физиков-теоретиков, Матвея Бронштейна в СССР и Этторе Майораны в Италии. Оба ученых как пришли в этот мир в один и тот же 1906 год, так и покинули его по сути одновременно в 1938. Сначала трагически оборвалась жизнь Матвея Бронштейна, безвинно арестованного по доносу и расстрелянного во времена сталинских репрессий. А вскоре после этого таинственно исчез из жизни и Этторе Майорана. (Подробности см. тут [4] и тут [5]).

Нет особого смысла рассуждать о том, как могла бы сложиться дальнейшая судьба физики в XX веке, если бы два этих талантливейших человека не исчезли из науки в 30-летнем возрасте, а продолжали мыслить и творить дальше. Но определенно надо упомянуть, что по авторитетному свидетельству очень известных в физике теоретиков, всю глубину и важность идей, выдвинутых в 1930-е годы Майораной и Бронштейном, остальные ученые начали по-настоящему понимать лишь много десятилетий спустя. А кое-что и вообще лишь в XXI веке.

Для целей же истории, выстраиваемой здесь, также определенно есть смысл хотя бы вкратце рассказать о том, чем занимался Матвей Бронштейн в годы, непосредственно предшествовавшие аресту и расстрелу.

В середине 1930-х годов, когда вожди СССР решили привести советскую науку в соответствие с международными стандартами и начали вводить ученые степени, Матвей Петрович Бронштейн уже имел солидный статус профессора и мог без проблем получить докторскую степень по совокупности достигнутых результатов. Однако он выбрал иной путь.

И написал-защитил диссертацию на неожиданную тему, в ту пору мало кого в мировой науке волновавшую. О необходимости теории квантовой гравитации и о серьезнейших противоречиях в фундаментальных основах физики, препятствующих объединению квантовой теории и релятивистской теории гравитации в единую согласованную картину.

Ибо правильная наука физика, по твердому убеждению Бронштейна, должна быть для понимания природы непременно одна [6]:

Будущая физика не удержит того странного и неудовлетворительного деления, которое сделало квантовую теорию «микро-физикой» и подчинило ей атомные явления, а релятивистскую теорию тяготения «макро-физикой», управляющей не отдельными атомами, а лишь макроскопическими телами. Физика не будет делиться на микроскопическую и космическую; она должна стать и станет единой и нераздельной…

Попутно же с этой работой в высоких сферах науки, Матвей Бронштейн активно занимался написанием научно-просветительских книг для детей. А самой первым его произведением в этом жанре – причем произведением необычайно успешным и переиздаваемым по сию пору – стала небольшая книжка, посвященная спектральному анализу и получившая название «Солнечное вещество». Ибо по сути дела вся интрига истории в этой книге была закручена вокруг гелия и нетривиальных обстоятельств его открытия.

Огромный успех этой книги как у юных, так и у взрослых читателей, вне всяких сомнений, связан с той совершенно особенной ролью, которую сыграл в её подготовке Самуил Яковлевич Маршак. Знаменитый детский писатель и в ту пору главный редактор ленинградского Детиздата.

Маршак абсолютно ничего не понимал в физике, но он прекрасно знал детскую психологию и то, чем и как может по-настоящему зацепить любопытство ребенка хорошая книга. И хотя как писатель Бронштейн сразу Маршаку понравился, все первые варианты книги ученого о спектральном анализе редактор решительно забраковал. Хорошее название, цепляющее начало и нужная концепция в целом возникли лишь после того, как Бронштейн мимоходом упомянул о необычной истории открытия гелия на Солнце [7]:

Как, как вы сказали? – встрепенулся Маршак. – Гелий обнаружили на Солнце и только потом на Земле?! Так с этого же и надо начать!..

Закончить эту историю о примечательных совпадениях было бы логично биологией. Однако именно здесь совпадение лишь в том, похоже, что в науке биологии главред Детиздата понимал примерно столько же, сколько и в физике.

Но при этом Самуил Маршак был прекрасным переводчиком поэзии, отлично знакомым с английской литературой в целом и с творчеством мистика-визионера Уильяма Блейка, в частности. И именно Маршаку принадлежит самый известный, наверное, среди множества русскоязычных переводов для того «четверостишия об асимметриях», с которого начинался рассказ:

В одном мгновенье видеть вечность,
Огромный мир – в зерне песка,
В единой горсти – бесконечность
И небо – в чашечке цветка…

[Продолжение следует. Новая картина для известных событий: структура сдвоенной хронологической спирали для истории параллельных «открытий и предчувствий» в физике и биологии XX века]

 

# #

Ссылки + комментарии ПипРу (Популярно и по-Русски)

[1] Grigory E. Volovik, «The Universe in a Helium Droplet» (International Series of Monographs on Physics). Oxford University Press, 2003. Хотя автор книги, Григорий Ефимович Воловик, от рождения и всю остальную жизнь человек русскоязычный, книгу свою он написал на английском – по вполне понятным для ученых причинам. А чтобы причины были очевидны и для всех остальных, достаточно сказать, что в России до сих пор не нашлось издателей, проявивших интерес к выпуску столь неординарной книги на русском языке.

[2] Подробности о принципиальной важности эмерджентных или непредсказуемых феноменов – как для физики конденсированного вещества, так и и для фундаментальных основ физической науки – см. в материале kniganews: Природа самообмана в точных науках.

[3] Charles Darwin , «The Variation of Animals and Plants under Domestication» (1st ed.). London: John Murray, 1868. Русский перевод: Чарльз Дарвин, «Изменение животных и растений в домашнем состоянии». — Москва-Ленинград: ОГИЗ — СЕЛЬХОЗГИЗ, 1941.

[4] kniganews: Долгое возвращение «эмпэ» Бронштейна.

[5] kniganews: Sci-Myst: Короли, топология и дискретная капуста (о масштабе Этторе Майораны как ученого и о нетривиальных правилах, на основе которых он выстраивал свою жизнь); kiwiarxiv: Сюрпризы квантовой топологии (о научном наследии Майораны и его особой актуальности для прогресса в квантовой информатике).

[6] М.П. Бронштейн, «К вопросу о возможной теории мира как целого», в сборнике «Успехи астрономических наук», № 2, 1933.

[7] Геннадий Горелик. «В нем было что-то от пушкинского Моцарта» . История физика Матвея Бронштейна и его жены Лидии Чуковской.

# # #