„Илюзорната вселена“ на Дейвид Линдли

Издателство Изток-Запад представя „Илюзорната вселена“ на Дейвид Линдли

Жив и увлекателен разказ за това как съвременната наука се е еманципирала от античната философия и как теоретичните физици днес се завръщат към нейните ненаучни корени.

В зората на XVII в. Галилео разкъсва хватката на Платоновата и Аристотеловата философия. Той променя драстично начина, по който възприемаме природата: според него трябва да основаваме теорията си за действителността върху това, което можем да наблюдаваме и изучаваме, а не върху чистата мисъл. В хода на този процес той полага основите на онова, което по-късно ще се нарече наука. Това подготвя сцената за всички последвали пробиви – от Кеплер, през Нютон, до Айнщайн. Но в началото на ХХ в., когато в картината се появява квантовата физика с нейната много сложна математика, нещо започва да се променя. Много физици се обръщат първо към уравненията и след това към физическата действителност. Изследвайки светове, все по-отдалечени от онова, което можем да видим и да измерим, ние сме принудени да се насочваме към елегантни, естетически привлекателни уравнения, за да развиваме концепцията си за действителността. В резултат голяма част от теоретичната физика днес е по-сродна с философията на Платон, отколкото с науката, чиито наследници са физиците. В „Илюзорната вселена“ Линдли задава въпроса:

Какво става с науката, когато тя напълно се откъсне от измеримите явления?

За автора 

Дейвид Линдли има докторска титла по астрофизика от Университета на Съсекс и е бил редактор на „Нейчър“, „Сайънс“ и „Сайънс Нюс“. Посветил се вече изцяло на писането, той е автор на „Неопределеността“, „Краят на физиката“, „Къде отива странността?“, „Науката в „Джурасик парк“, „Атомът на Болцман“ и „Градуси по Келвин“. Носител е и на наградата за книга на научна тематика „Фи Бета Капа“.

Живее в Александрия, Вирджиния.

Как фундаменталната физика изгуби пътя си – кратка брошура на пътуването!

Уважаеми пътници, настанете се удобно, може да усетите повече от лека турбуленция в предубежденията и нагласите си за света, който ни заобикаля. Отправяме се на пътуване през времето и пространството, за да открием отговора на въпроса какво точно се опитват да постигнат специалистите по фундаментална физика днес и какъв е бил пътят ѝ до момента.

Наш водач ще бъде докторът по астрофизика и автор на книги като „Краят на физиката“ и „Къде отива странността?“ – Дейвид Линдли.

– Внимание, пътници, говори капитанът!

„Несъмнено беше голямо изхвърляне да се смята, че физиката би могла някога да обясни и последната точка и запетайка в устройството и съдържанието на нашата вселена, но сега търсенето като че отиде в обратната крайност. Според хипотезата за Мултивселената отговорът на кажи-речи всеки въпрос за това как и защо нашата вселена изглежда по начина, по който изглежда, е, че няма отговор. В нашата вселена нещата изглеждат така, но в някоя друга може да изглеждат иначе. Това си е явно падение в сравнение с неудържимите надежди отпреди само няколко десетилетия.“

Няколко неща, които трябва да знаете за пътуването:

Ранните физични теории произхождат от философията. Те успяват да се откъснат от нея благодарение на правилния баланс между две неща – от една страна, опита и наблюдението, от друга – математическата прецизност и елегантност. Според Линдли нашето пътуване ще покаже, че когато физиката се опитва да поеме ролята на философията и да предложи отговор на въпроса каква е същността на съществуващото изобщо, балансът между тези две неща се нарушава. По негово мнение проблемът е най-вече в струнната теория, защото отделните подходи в нея се оценяват не според съгласуването им с опита, а единствено въз основа на тяхната елегантност. Тогава, когато естетическите критерии вземат връх и се превърнат в единствено мерило за ценност, разликата между науката и философията започва да изтънява или дори да изчезва. Ето защо Линдли изказва скандалната за мнозина теза, че някои от схващанията в днешната физика имат същото право да претендират за статуса на научни теории, колкото и схващанията на Платон. Той твърди, че единственият начин науката да не се окаже затворена в света на чистото умозрение е като запази връзката си с материалния свят, най-вече чрез технологиите, чието развитие днес поддържа тази връзка жива.

Първа спирка: „Онази старовремска философия“, от която се роди физиката 

„…Философите от предхристиянската епоха проявявали пламенен интерес към разбирането на света и вселената около тях, започнали да мислят за физическия свят и небесата като ръководени от математически правила и направили сериозни опити да обяснят движението на небесните тела…

Характерното за древните опити за описание на небесата е някаква форма на идеализъм. Тъй като небесата са съвършеното творение на непогрешим създател, те трябва да се управляват от най-строгата сред интелектуалните системи, а именно математиката. И само най-добрата математика отговаряла на задачата.“ 

Втора спирка: Паралелната вселена, в която Галилей и Църквата се спогодиха  

„В тази версия на историята Галилео – „благоразумен човек, избягващ да си прави заключения, без да е претеглил доказателствата, с ясно съзнание за социалните обичаи и несклонен да се кара с високопоставени личности в църквата и държавата“ – бил предан католик, който не бързал да приема хелиоцентризма и се боял, че църквата прави сериозна грешка, обвързвайки се с коя да е конкретна хипотеза за архитектурата на небесата, била тя аристотелска, птолемейска, коперниканска или някаква друга. Всъщност ранните открития на Галилео с телескопа, описани в „Звезден пратеник“, били като цяло възхвалени от църквата. Наше момче прави удар: ето тука един италианец, католически изследовател, приятел на многобройни свещеници и кардинали, човек, чиито постижения му били донесли аудиенция при папа Павел V – този човек разширявал виждането ни за Вселената, добавяйки така към

Божията прослава.“

Трета спирка: Кратко гостуване на сър Исак Нютон 

Английският учен бил известен с почти патологичната си потайност – фактът, че работата му видяла бял свят, бил почти щастлива случайност.

През 1684 г. астрономът Едмънд Халей се чудел дали законът за гравитацията като обратнопропорционална на квадрата на разстоянието означава, че орбитите на планетите трябва да са елипси. Макар че  подозирал, че това е така, не можел да го докаже. Когато посетил Нютон, му задал въпроса си. Нютон без колебание се съгласил, че законът за обратните квадрати изисква орбитите да са елиптични. Самият той бил извел уравнението много отдавна. Халей започнал да умолява Нютон да запише тези доказателства и да сложи край на дебата. Малко по-късно Нютон изпратил брошура, в която математически доказал, че елиптичните орбити водят до закона за гравитацията като обратнопропорционална на квадрата на разстоянието, както и че този закон води до изискването орбитите да са елиптични или хиперболични. 

Четвърта спирка: Физиката през XIX в. – смесица от надеждно установени закони и неразрешими загадки

„Представата за вселена, обхваната изцяло в набор от математически правила, изведени от физични модели с механична основа, винаги е била по-скоро блян, отколкото действителност. Теорията на топлината показала как би трябвало да работи моделът – една дотогава загадъчна субстанция, удовлетворително обяснена като Нютонова механика на молекули в движение. Но теорията на електромагнетизма съдържала в сърцевината си едно голямо неизвестно – електромагнитното поле било математически ясно дефинирано, но физически изключително загадъчно.“

Пета спирка: Дирак изобретява антиматерията

В една статия от 1933 г. британският физик Пол Дирак предсказал съществуването на нова частица и след съответното време експериментален физик я намерил.

„Епохалното в откриването на антиелектрона било, че то започнало с настояването на Дирак на чисто математически основания, че такова нещо трябва да съществува. Това бил истински обрат в сравнение с класическата физика, която винаги

започвала със самоочевидни явления – топлина, светлина и т.н. – и изграждала математически теории, за да обясни как действат те. Дирак направил нещо ново. За него силата на математиката била толкова скъпоценна, че той решил, че антиелектронът трябва да съществува въпреки липсата на всякаква емпирична нужда. Идеята му се оказала с по-големи последици, отколкото дори самият Дирак си бил представял навремето. Всяка частица, заявила по-късната теория, трябва да има античастица. Материята има свое цялостно огледално съответствие, което наричаме антиматерия.“

* Останалите точки от маршрута не са включени в тази кратка брошура. Ако пътуването ви е заинтригувало, гмурнете се в дебрите на  „Илюзорната вселена“.

ОТКЪС

Един учебник със задачи по геометрия, издаден през 1561 г., включва анализ на това колко далеч би стигнало гюле в зависимост от ъгъла, под който е изстреляно във въздуха. Обсъждането е придружено от пленителна илюстрация. Тя показва гюле, което излита от дулото на оръдие по идеално права линия, а после, след като е достигнало максималната си височина, пада право надолу към земята.¹ Отношението между ъгъла на изстрелване, височината и изминатото разстояние е представено като упражнение по елементарна тригонометрия – задача, която всеки средношколец днес би сметнал за проста и ясна, но тема сравнително нова за кандидатите за инженери, земемери и военни плановици през XVI в.

Онова, което изглежда чудато за нашия съвременен поглед, не е използването на тригонометрия, а триъгълният път на гюлето. Траекторията в стария учебник е пример за аристотелската догма.

Древните били озадачени от движението. То като че имало две разновидности. Горе в небето Слънцето и Луната, планетите и звездите следвали своите предсказуеми траектории с неизменно постоянство. Боговете, както изглеждало, били задвижили небесата и всичко небесно продължавало да се движи завинаги по един и същи път, без допълнителна помощ. Небесното движение било вечно.

Долу на земята работата била друга. Камък, ритнат на земята, се търкаля известно време, а после спира. Можете да бутате количка по някакъв път, но ако не продължавате да бутате, тя бързо ще спре. Животните и хората могат да се движат насам-натам, но те трябва да се напрягат, за да го правят. За земните обекти, решил Аристотел, естественото състояние на нещата е да бъдат не в движение, а в покой. Движението се случва само когато нещо го накара да се случи.

Само дето и това не било съвсем вярно. Пуснете камък и той пада на земята. Количката ще се спусне по нанадолнището без чужда помощ. Това е така, защото, според Аристотел, всички материални обекти са привличани от центъра на Земята, който в действителност е центърът на Вселената. Движението надолу е естествен резултат от тази склонност. (Безтегловните неща, като пламъците, са привличани вместо това от небесата и затова отиват нагоре.)

Но това създава друг проблем. Какво става, когато подхвърлите камък във въздуха? Той отива нагоре и после слиза надолу. Всеки може да го види. Но според Аристотел движението се случва само когато нещо го кара да се случи. След като камъкът е напуснал веднъж ръката ви, той продължава да се издига. Нещо трябва все още да го бута, но какво? Това било истинска загадка, за която никой не намирал много добър отговор. Най-убедителното, макар и по общо признание, неясно решение, било, че когато подхвърлите камък във въздуха, действието на ръката ви има също и последицата, че някак си заплита въздуха непосредствено около камъка; този въздух се надига зад камъка, бутайки го нагоре за известно време, докато се разплете. А после естествената склонност надолу взема превес. Какво кара въздуха да се надига зад камъка? По-добре не питайте.

Една версия на тази аргументация тъй или иначе води към аристотелската картина на начина, по който ще лети нашето гюле. То се движи по права линия, бутано по дължината ѝ, докато въздухът, събран зад него, не загуби сила, а после пада надолу.

Илюстрацията, възпроизведена тук, е от книгата Problematum astronomicorum et geometricorum („Астрономически и геометрични задачи“) на Даниел Сантбек, нидерландски математик. Би могло да се помисли, че дори и най-повърхностният наблюдател би забелязал, че истинските гюлета не летят така. Те следват някакъв тип извита дъга в небето. Предполага се, че хората, обстрелвани с оръдия, е трябвало да забележат, че гюлетата идват към тях странично, а не падат отвесно върху главите им, но може умът им тогава да е бил зает с други неща.

Ето един любопитен момент, който изглежда непонятен днес – Даниел Сантбек, както и други от неговата епоха, е бил съвършено наясно, че гюлетата не следват триъгълни траектории. Ако го е смущавало да нарисува диаграма, явно противоречаща на онова, което всеки можел да види, то той е направил всичко по силите си да го прикрие. Целта на диаграмата е била да изобрази приетата ортодоксия на аристотелската физика и да я свърже с едно просто тригонометрично изчисление. Защо изглеждало, че истинските гюлета следват извити траектории? Това бил мъчен въпрос несъмнено, но древната философия ценяла разума и логиката над всичко друго, включително над свидетелството на сетивата. Разумът бил начинът за установяването на фундаментални истини и неизбежни заключения. Хората и техните сетива били погрешими и ненадеждни.

До Средновековието аристотелската философия вече била застинала в едно установено и неоспоримо учение, съхранявано в древни книги, наследени от едно по-мъдро и по-просветено време. Много от това знание се било сраснало с ортодоксията на католическата църква, така че да се поставя под въпрос аристотелското учение дори по такъв привидно извъндоктринален въпрос като летежа на гюле, значело да се рискува да се извърши ерес. (Инквизицията, онова страховито оръдие на римската църква, преценявала кое е ерес и кое не, а разискванията на нейните членове имали обичая да преминават в мистерии, цепещи косъма на две и непроницаеми за непросветените.)

Ако имало явно противоречие между ортодоксалното учение и наблюденията на света около теб, най-добре било да се придържаш към ортодоксията и да съчиниш някакви правдоподобни причини защо човек не трябвало непременно да вярва на онова, което вижда. Това била мъчна работа несъмнено, но Аристотел го нямало, за да сложи нещата по местата им, така че неговите интелектуални наследници и ученици трябвало да се борят със задачата да измислят как този най-превъзходен интелект би разрешил мъчнотията.

Правилното обяснение на летежа на гюлето се появило през 1638 г. на страниците на Discorsi e Dimostrazioni Matematiche intorno à due nuove scienze (в превод „Беседи и математически доказателства относно две нови науки“) – последната книга, написана от Галилео Галилей. Роден в Пиза през 1564 г., Галилео бил по онова време на 72 години и живеел под домашен арест в селцето Арчетри край Флоренция, след като бил осъден от католическата църква заради възприемането и разгласяването на идеята, че Земята се върти около Слънцето, а не обратното. Църквата била забранила публикуването на каквото и да било, написано от Галилео в домашния му арест, но „Беседите“ след продължителни усилия видели бял свят в Нидерландия, където протестантството било изместило католицизма и думата на папата вече не всявала страх. Или поне не толкова, колкото преди.

Неприятностите на Галилео с църквата произтичали от неговото участие в разгорещения спор относно коперниканството – хипотезата, че Слънцето се намира в центъра на Вселената, Земята и другите планети обикалят около него, а Луната се върти около Земята. При всичките беди, които му донесла, астрономията изобщо не била първоначалният интерес на Галилео. Неговите първи прозрения още от времето му като студент били свързани с въпроса за движението. Той експериментирал и теоретизирал върху движението през целия си живот, но едва в самия му край, затворен против волята си в Арчетри, намерил време да събере мислите си в подреден вид и да ги изложи на хартия. „Двете нови науки“ от беседите били движението и свойствата на твърдите тела (тяхната сила, еластичността им и т.н.); и в двете области мисленето на Галилео било революционно. Но аз искам да се съсредоточа върху нововъведенията му в движението и механиката.

Галилео бил най-голямото от седем деца, чийто баща Винченцо бил професионален музикант и донякъде музикален теоретик; за майка им не се знае много. Семейството се преместило от Пиза във Флоренция през 1574 г., когато Галилео бил на десет години. Известно време младият Галилео се образовал при монасите от „Валомброза“, бенедиктинско манастирско училище на около трийсет километра от Флоренция. Нещо в манастирското образование го привлякло и той станал послушник, може би с намерението да приеме църковен сан. Но баща му, явно практичен човек, го прибрал оттам, за да го направи студент по медицина – по онова време, като и днес, това било надежден начин за един интелигентен млад мъж да намери пътя си към преуспяващо бъдеще. Като най-голям син, отговорността по грижите за семейството, когато родителите му вече нямало да ги има, щяла да падне най-вече върху раменете на Галилео. През 1581 г. той се записал покорно в Университета на Пиза да следва медицина.

Две години по-късно Галилео чул една лекция върху Евклид, изнесена от Остилио Ричи, математик на служба при великия херцог на Тоскана. Галилео бил запленен от ясния разум и елегантната логика на геометрията. Това бил предмет, който носел неопровержими истини. Ричи бил впечатлен от ентусиазма на младежа и го запознал с творчеството на Архимед, един от най-великите математици в човешката история, а също и практичен човек, който изобретил най-различни устройства и машини. Ричи писал на Винченцо Галилей, увещавайки го да разреши на сина си да се прехвърли да учи математика, предмет, към който той проявявал явна любов и истинско проникновение. Да бъдеш математик в онези дни обаче далеч не било сигурен път към благоденствие или уважение. Математиците били до голяма степен презирани от философите и теолозите, господстващите интелектуалци от онази епоха, и смятани за не много по-горе от „грубите механици“, ако заимстваме израза на Шекспир. Математиците можело да откриват зависимости в природата, но те определено нямало да намерят причините и основанията зад тях. Проникването в тайните на природата (или на Бог, което било равнозначно) било от компетенцията на философията. Малък брой математици, като самия Ричи, можели да си изкарват прехраната като част от двора на някой благородник – занимавайки се с обучение и земемерство, помагайки в мореходните и военните изчисления и пр. Останалите можело да вършат същото, но несистемно, намирайки си според силите си временна работа тук-там. Математикът от XVI в. можел също да си докарва по някоя пара, правейки хороскопи. Изучаването на небесата, геометричните пътища на Слънцето, Луната и планетите, било смятано за раздел на математиката, а астрологията била една от по-доходоносните ѝ страни.

Накратко, Винченцо не споделял въодушевлението на сина си от математиката и настоял той да продължава с медицината въпреки увещанията на бележития Ричи. В крайна сметка никой от двамата не надделял. Галилео, установявайки един модел, който щял да бележи целия му живот, хванал по свой път. Постепенно изоставил медицинското си обучение, посещавал лекции по математика и философия и напуснал Университета на Пиза през 1585 г. без диплома по никой предмет.

В продължение на няколко години Галилео се препитавал криво-ляво, като преподавал математика и правел хороскопи. Но той вече настъпвал към една неизследвана интелектуална територия. Съвременните академични проучвания не разкриват много за лич­ността на Галилео – или по-скоро те разкриват множество противоречащи си личности. Той бил предпазлив; бил безразсъден. Бил скромен; бил безочлив. Уважавал църквата; кипял срещу нейните сковаващи правила. Всички тези неща биха могли да са истина.

Една история разказва, че дори като начинаещ студент в Пиза Галилео обичал да противоречи на учителите си. Основното задължение на университетския преподавател в онези дни, трябва да се отбележи, било не да пробужда духа на интелектуално търсене или да подтиква най-добрите студенти към търсенето на ново знание, а да обучава учениците в сигурните неща, изложени в древните книги. Учителят по философия излагал аристотелската мъдрост със съответния съвременен коментар, предназначен само да изглади тук-там някои слабости, и то строго в духа на оригинала. Учителят по математика излагал Евклид заедно с геометрията на небесата съгласно сложната система на Птолемей, според която Земята стояла в центъра, а Слънцето, Луната и планетите се въртели около нашия неподвижен дом, движейки се не по прости окръжности, а по окръжности върху окръжности върху окръжности (трябвало да бъдат окръжности, защото философията изисквала небесата да са изградени от съвършени геометрични форми, а окръжностите били най-съвършената от всички).

Аристотелската физика твърдяла, че по-тежките обекти падат към земята по-бързо от леките. Галилео, както се твърди, започнал да се съмнява в това, когато му хрумнало, че при градушка ледените зърна с всякакви размери, големи и малки, пристигат всичките заедно. Това е труднообяснимо, ако всички зърна падат от една и съща височина. Ако някой аристотелец се е замислял за това, реакцията му ще да е била пренебрежителна. Ние знаем, че по-тежките обекти падат по-бързо. Това е истината от големите мислители на миналото. Простите наблюдения на някакво случайно явление на земята са ни в клин, ни в ръкав. А и кой знае откъде идват изобщо зърната градушка?

До 1589 г. Галилео вече бил успял да се сдобие с място на преподавател по математика в Университета на Пиза. Това била зле платена позиция, а и самият университет не бил сред най-добрите, но пък и удостоверенията на Галилео били оскъдни. Най-вече той се бил сприятелил с неколцина видни люде, които били впечатлени от неговите знания и плам, и така били задвижени някои връзки в негова помощ.

Може би най-трайната история за Галилео, освен по-късната му разпра с католическите власти, е за това как пускал предмети от наклонената кула в Пиза, за да провери дали, както вярвал той, всички те щели да падат с една и съща скорост и да стигнат земята за едно и също време. Сведенията за това се изчерпват с по-късни спомени, плюс слухове, преразказани от неколцина души, и известно време съвременните историци се съмнявали дали тези експерименти действително са се случили. Сега тежестта на мнението, изглежда, отново се накланя обратно към идеята, че Галилео наистина е правил подобни експерименти, но не е ясно кога – като студент или по-късно като преподавател?