От легендата за Хелиос и неговата златна колесница до откритията на съвременната наука са изминали хилядолетия. Въпреки това много от основните закони, които задвижват света, в който живеем, остават загадка и до днес за обикновения човек, който продължава да търси своето „място под слънцето“.
Именно към тайните на Вселената насочва погледа си носителят на Нобелова награда по физика за 2004 г. Франк Уилчек в своята книга „Фундаментално. 10 ключа към реалността“ – обяснение на достъпен и ясен език на фундаменталните уроци, които можем да извлечем от материалния свят и да приложим в собствения си живот.
Обединявайки основни въпроси, установени факти и смели теории, Уилчек се опитва да предложи на читателя алтернативен поглед към наложените в масовото съзнание догми.
В 10 части ученият разглежда основни принципи на физиката и космологията в контекста на законите на пространството, времето, материята и енергията, като се стреми към създаването на съвсем ново отношение към света, който ни заобикаля, и съответно на начина, по който го възприемаме.
Наистина ли сме толкова малка част от Вселената, колкото си мислим?
От тази книга ще откриете например, че атомите в човешкото тяло са повече, отколкото се предполага, че са звездите в Космоса. И това коренно променя идеята за мащаба на човешкото съществуване.
Уилчек отправя поглед и напред, като разглежда темата могат ли автономните изкуствени интелекти с общо предназначение да задминат своя създател, що се отнася до интелект, сила и дори съпричастност? Как би се вписал в тази нова реалност днешният човек?
Микс от физика и философия, „Фундаментално“ е вълнуващо пътешествие, което разбива заблудите, създадени от съзнанието ни и възприятието ни. И ни посочва пътя, по който чрез тезите на науката ще изградим по-светло и по-толерантно бъдеще за човечеството. Франк Уилчек е носител на Нобелова награда по физика за 2004 г. за работата си, променила разбиранията за фундаменталните природни сили. През 2022 г. е удостоен с наградата „Темпълтън“.
„Прекрасен и подканящ преглед на фундаменталните факти за физическата реалност.“
Стивън Пинкър
Из „Фундаментално. 10 ключа към реалността“ от Франсис Уилчек
- ИМА МНОГО ПРОСТРАНСТВО
ИЗОБИЛИЕ ВЪТРЕ И ВЪН
Когато твърдим, че нещо е голямо – било то видимата вселена или човешкият мозък, – е редно да се запитаме: в сравнение с какво? Естествената отправна точка е нашето ежедневие. То е и контекстът на първите модели за света, които си изграждаме като деца. Обхватът на физическия свят, разкрит от науката, е нещо, което откриваме, щом си позволим да се родим отново.
По стандартите на ежедневието светът „там отвън“ е наистина гигантски. Това е нещо, което усещаме интуитивно, ако в ясна нощ погледнем нагоре към звездното небе. И без подробен анализ разбираме, че във вселената има разстояния далеч надхвърлящи нашите човешки тела, по-големи от всяко разстояние, което някога ще имаме шанс да изминем. Научният подход не само подкрепя, но и значително разширява усещането за необятност.
Подобни мащаби могат да накарат човек да се почувства нищожен. Френският математик, физик и религиозен философ Блез Паскал (1623 – 1662) вероятно изпитва същото, когато пише: „Вселената ме хваща и поглъща като прашинка“.
Настроения от този род са често срещан мотив в литературата, философията и теологията, а също присъстват в много молитви и псалми. Те са естествена реакция спрямо нашата незначителност на фона на космическите размери.
Добрата новина е, че размерът не е всичко. Нашите вътрешни измерения са по-фини, но не по-малко впечатляващи, както сами ще се убедим, ако погледнем от обратната страна, от горе надолу.
Още от началното училище знаем, че основните структурни единици на материята са атомите и молекулите. Измерено в тези единици, човешкото тяло е огромно. Броят на атомите в него е приблизително 1028, тоест единица, следвана от 28 нули: 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000.
Това е число далеч надхвърлящо всички наши представи. Можем да го назовем по име – 10 октилона, – а след известно обучение и практика дори да се научим да смятаме с него, но интуитивно то не ни говори нищо, защото в ежедневната практика не ни се налага да боравим с подобни величини. Самото визуализиране на толкова много отделни точки не е по силите на нашия мозък.
Звездите, които виждаме с невъоръжено око в ясна и безлунна нощ, в най-добрия случай са няколко хиляди. Десет октилона, от друга страна, е около милион пъти повече от броя им в целия познат Космос. Тоест, съдейки по броя на атомите в човешкото тяло, една същинска вселена обитава вътре в нас.
Великият американски поет Уолт Уитман (1819 – 1892) усеща инстинктивно тази вътрешна необятност. В „Песен за себе си“ той пише: „Аз съм голям, аз съдържам множества“. От гледна точка на обективните факти възторгът на Уитман е също толкова обоснован, колкото и преклонението на Паскал пред размерите на Вселената, и е много по-близък до нашия действителен опит.
Светът е огромен, но и ние не сме малки. По-вярно ще е да кажем, че има много простор, независимо дали увеличаваме, или намаляваме мащаба. Не бива да завиждаме на вселената само защото е голяма. Ние също сме големи. И по-конкретно достатъчно големи, за да поберем външната вселена в умовете си. Самият Паскал се утешава от това прозрение, като следва оплакването си: „вселената ме хваща и поглъща като прашинка“, с утехата: „но чрез мисълта и аз я хващам“.
Изобилието от пространство – както външно, така и вътрешно – е основна тема на тази глава. Ще се вгледаме по-задълбочено в твърдите факти, а после ще преминем и малко отвъд тях.
ВЪНШНОТО ИЗОБИЛИЕ: КАКВО
И ОТКЪДЕ ЗНАЕМ ЗА НЕГО
Прелюдия: Геометрия и реалност
Научната дискусия за космическите разстояния се гради върху науката за геометрията, която е фундаментална за нашето разбиране за физическото пространство и измерването на разстоянията. Затова нека започнем с връзката между геометрия и реалност.
Прекият ежедневен опит ни учи, че телата могат да се движат от място на място, без да променят свойствата си. Това води до представата за „пространството“ като вид контейнер, в който природата разполага различни предмети.
Нуждите на геодезията, архитектурата и навигацията карат хората да измерват разстоянията и ъглите между дадени точки. Така те откриват закономерностите на евклидовата геометрия.
С разширяването и усложняването на практическите приложения рамката се оказва впечатляващо устойчива. Евклидовата геометрия е толкова успешна, а логическата ѝ структура – толкова величествена, че рядко се предприемат опити за тестване на валидността ѝ като описание на физическата реалност. В началото на XIX век Карл Фридрих Гаус (1777 – 1855), един от великите математици на всички времена, решава, че си струва да направи проверка. Той измерва ъглите в триъгълник, образуван от три далечни планински станции в Германия, и установява, че сборът им е 180°, точно както прогнозира Евклид, с отчитане на отклоненията в точността на измерването. Днешната глобална система за позициониране (GPS) също се основава на евклидовата геометрия. Тя ежедневно извършва милиони замервания като това на Гаус, но в по-голям мащаб и с далеч по-висока прецизност. Нека разгледаме накратко работата ѝ.
За да определите местоположението си с помощта на GPS, вие се свързвате с набор от изкуствени спътници, кръжащи високо над Земята, които знаят къде се намират (по-нататък ще видим как се случва това.) В момента има над 30 такива спътника, подредени стратегически около цялата планета. Техните излъчвания не носят разговори или музика, а съдържат прости съобщения за позиционирането им в цифров формат, разбираем за компютрите. Съобщенията имат и времеви печат, уточняващ кога са изпратени. За да се гарантира точността, всеки сателит носи на борда си превъзходен атомен часовник. Оттук нататък се случва следното:
- Приемникът на вашето GPS устройство улавя някои от сателитните сигнали. Устройството, което също има достъп до сигналите на обширна мрежа от наземни часовници, изчислява колко време е било нужно на сателитните сигнали, за да пристигнат. Тъй като те се движат с известна скорост – скоростта на светлината, – времената за пристигането им могат да се използват за определяне на разстоянията до спътниците.
- Като използва тези разстояния, позициите на сателитите и евклидовата геометрия, компютърът определя уникалната позиция на източника – тоест вашата – посредством триангулация.
- Компютърът докладва този резултат и вие научавате къде се намирате.
Напълно внедрената GPS система добавя и редица други хитроумни подобрения, но основната идея е тази. Принципът доста напомня референтната рамка на Алберт Айнщайн в неговата специална теория на относителността. През 1905 г. той предвижда използването на светлинни лъчи и транзитни времена за получаване на пространствени позиции. Идеята му допада, защото използва величина, залегнала в основите на физиката – постоянната скорост на светлината – за картографиране на пространството. Ето как технологията постепенно настига мисловните експерименти.
Като упражнение по визуализация може да опитате мислено да си докажете, че разстоянията от вас до четири спътника – всеки с известна позиция – предоставят повече от достатъчно информация за установяване на вашата позиция.
Ето ви малка подсказка: точките, намиращи се на определено разстояние от даден спътник, лежат върху сфера, центрирана върху този спътник. Ако вземем две сфери, центрирани върху два различни спътника, те ще се пресичат в кръг или изобщо няма да се пресичат. (Тъй като вашето местоположение ще е някъде в пресечната област, по-добре да се пресичат!) Сега добавяме сферата на трети спътник. Тя ще пресича кръга в две точки. И накрая, сферата на четвъртия спътник ще сведе нещата само до една от тези две точки.
А сега да се върнем на въпроса как GPS сателитите знаят къде се намират. Ако махнем техническите подробности, основната идея е проста: те започват от позната позиция и след това проследяват собственото си движение. Като обединят двете части от информацията, изчисляват местонахождението си.
Сателитите наблюдават движението си с помощта на бордови жироскопи и акселерометри, подобни на тези във вашия смартфон. От показанията на инструментите установяват ускорението си, използвайки законите на класическата нютонова механика, а после въз основа на тези входящи данни продължават да изчисляват с колко са се изместили. Действително Нютон е измислил нужните уравнения за решаване на подобни задачи.
Ако проследим всички стъпки, ще видим, че инженерите, проектирали глобалната система за позициониране, стъпват върху редици допускания. Системата се осланя на идеята, че скоростта на светлината е постоянна. Тя използва атомни часовници, чиито дизайн и интерпретация разчитат на усъвършенстваните принципи на квантовата теория за точното отчитане на времето. За изчисляване на позициите на сателитите се използват инструментите на класическата механика. Прави се също корекция за ефекта, предвиден от общата теория на относителността, че скоростта на часовниците леко зависи от височината им над Земята. Те работят по-бавно близо до повърхността на планетата, където гравитационното ѝ поле е по-силно.
Тъй като глобалната система за позициониране разчита на толкова много други предположения в допълнение към валидността на евклидовата геометрия, не можем да я възприемаме като чист вид тест на тази геометрия. Всъщност успехът на GPS не е чист вид тест на нито един принцип. Това е сложна система, чието устройство почива върху заплетена мрежа от допускания.
Всяко от тези допускания може да е грешно или, ако се изразим по-дипломатично, само приблизително вярно. Ако някое от допусканията, които инженерите приемат за „приблизително верни“, даде значително отклонение, GPS системата също ще покаже непоследователни резултати, като например различни позиции при триангулиране с различни групи сателити. Усилената употреба може да разкрие неподозирани слабости.
И обратно, ако GPS системата работи, нейният успех засилва увереността ни във всички допускания, залегнали в проектирането ѝ, включително това, че евклидовата геометрия описва с достатъчна точност реалните пространствени измерения в земни мащаби. А засега тя работи безупречно.
Най-общо казано, науката изгражда. Дори най-авангардните експерименти и технологии почиват върху набори от теории. Щом тези експерименти и технологии дадат резултат, това повишава доверието в теориите. Неведнъж ще се връщаме към факта, че фундаменталното разбиране на дадена материя изисква заплетена мрежа от взаимно подсилващи се идеи.
Тук е мястото да направим една уговорка. Когато започнем да разглеждаме пространството в гигантски космически мащаби, с изключителна прецизност или в близост до черни дупки, евклидовата геометрия престава да съвпада с реалността. В своите специална и обща теория на относителността (съответно 1905 и 1915 г.) Алберт Айнщайн разкрива теоретично тези несъответствия и предлага как да бъдат преодолени. Оттогава неговите теоретични идеи са потвърдени от много експерименти.
В специалната теория на относителността Айнщайн твърди, че когато става въпрос за „разстояние“, трябва внимателно да обмислим какво и как измерваме. Меренето изисква време, а нещата могат да се придвижват във времето. Това, което всъщност можем да измерим, е разделянето между събитията. Събитията са разположени както в пространството, така и във времето. Геометрията на събитията трябва да се гради в по-голямата пространствено-времева рамка, а не само в пространството. От общата теория на относителността научаваме още, че пространствено-времевата геометрия може да бъде изкривена от влиянието на материята или от вълни на изкривяване, минаващи през нея (повече за това в глави 4 и 8).
Във всеобхватните рамки на пространство-времето и общата теория на относителността евклидовата геометрия представлява само приближение към по-точните принципи. Тя е достатъчно добра за многобройните практически приложения, споменати по-горе. Геодезисти, архитекти и космически инженери я използват, защото отговаря на нуждите и улеснява работата им. По-изчерпателните теории, макар и по-точни, са доста по-сложни за употреба.
Фактът, че евклидовата геометрия не успява да предостави пълен модел на реалността, не намалява нейната математическа последователност, нито засенчва многобройните ѝ заслуги. Но той потвърждава мъдростта на радикално консервативния подход на Гаус за проверка на фактите. Връзката между геометрия и реалност е въпрос, който природата трябва да разреши.
