Теории всего на свете

Красота восхода

Когда я впервые увлекся физикой, меня завораживала глубина ее объяснений вещей фундаментальных. К примеру, связь материи, энергии и пространства-времени в общей теории относительности казалась мне чрезвычайно изящным и глубоким объяснением (впрочем, так оно и есть).

А сегодня меня больше восхищают объяснения, лежащие в основе явлений, которые мы постоянно, каждый день видим вокруг себя и которые так легко принять как нечто само собой разумеющееся.

Эти строки Э. Э. Каммингс написал в начале своего лирического прославления нашей звезды. Как нетрудно понять, в них превозносится ежедневное событие – восход. Мы воспринимаем его как нечто (не)значительное и (не)таинственное, но это восприятие может стать для кого-то еще глубже, если мы узнаем о (по меньшей мере) трех объяснениях, которые лежат в основе данного явления. Каждое из них обладает как минимум одним из качеств, обозначенных в вопросе Edge: глубиной, изяществом или красотой.

Если вы (как и я) живете в умеренных северных широтах, вы наверняка знаете, что на ближайшем к вам горизонте, примерно между юго-востоком и северо-востоком, ежедневно поднимается солнце, причем точка пересечения им линии горизонта меняется в течение года: восход происходит все позже по мере того, как его точка смещается к северу и дни укорачиваются, а после зимнего солнцестояния процесс поворачивает вспять. За этим довольно сложным поведением таится простая истина: солнце точно соблюдает расписание, и мы можем на него положиться, рассчитывая, что каждое утро где-то в восточной стороне оно будет подниматься над горизонтом.

Подобно великим творениям искусства, великое научное объяснение не теряет своей способности внушать восторженный трепет всякий раз, когда мы к нему обращаемся. В частности, так обстоит дело и с объяснением, согласно которому суточные и годовые циклы восходов вызваны вращением чуть наклонной Земли вокруг Солнца, чье положение относительно некоторой оси можно считать фиксированным – благодаря закону сохранения, по-прежнему остающемуся для нас загадкой.

В отличие от двух других выбранных мною объяснений вышеприведенное десятилетиями наталкивалось на скептицизм со стороны ученых. Гелиоцентрическое представление о Солнечной системе, предложенное Коперником в середине XVI столетия, широко приняли только ближе к середине XVII века. Мне кажется, эта победа над твердолобым научным скептицизмом и религиозной враждебностью лишь добавляет ему привлекательности.

Еще одно объяснение тоже явно обладает изяществом. Оно показывает, почему цвет неба меняется по мере подъема солнца. Лорд Рэлей сменил Джеймса Клерка Максвелла на посту кавендишского профессора физики[75] в Кембридже. Среди его первых достижений – формулировка законов рассеяния света. Его первая попытка вывести эти законы основывалась на неверной предпосылке: он считал, что свет рассеивается в упругом эфире. Хотя существование такого эфира опровергли только годы спустя, он заново провел свои расчеты, используя электромагнитную теорию Максвелла, носящую в высшей степени объединительный характер (иными словами, соединявшую в себе объяснение целого ряда разнородных явлений). «Рэлеевское рассеяние» – результат применения этих теорий к тем случаям, когда электромагнитная волна встречает на своем пути электрически поляризованные частицы значительно меньшего размера по сравнению с длиной этой волны. Как обнаружил Рэлей, интенсивность такого рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. К 1899 году он показал, что сами молекулы воздуха являются мощными «рассеивателями».

Вот, в сжатом виде, суть объяснения того, почему небо голубое, а рассветы – алые. Голубой свет гораздо сильнее рассеивается молекулами воздуха, чем свет с большей длиной волны. Поэтому солнечный диск кажется красным, когда свет от него должен проходить длинный атмосферный путь во время восхода и заката. (Следует также учитывать солнечный спектр и особенности визуального восприятия, свойственные нашим глазам.) Розовые облака, которые иной раз добавляют очарования восходу, состоят из сравнительно крупных капель, и те рассеивают покрасневший солнечный свет более равномерно, чем это делают молекулы воздуха, так что в цветовом отношении мы видим то же, что эти капли получают.

Третье объяснение восхода – самое глубокое и в философском, и в космологическом смысле. Какие процессы, идущие в самом Солнце, позволяют ему давать свет и тепло, кажущиеся нам вечными? Понимание особенностей ядерных реакций, проходящих в центре Солнца, явилось лишь частью объяснения, которое (во многом благодаря опубликованной в 1957 году работе Фаулера и Хойла[76]) позволило нам понять не только то, как распространяется свет звезд, но и то, как возникают во Вселенной почти все природные элементы. Они рождаются благодаря цепным реакциям, идущим внутри стабильных и катастрофически нестабильных звезд – космических газовых шаров – на различных стадиях звездной эволюции, причем на них оказывают влияние все фундаментальные силы природы: гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия.

Читатели Edge знают: научное понимание усиливает, а не уменьшает красоту природы. И для меня все перечисленные объяснения вносят свой вклад в красоту восхода.

Кстати, как там насчет объяснения красоты? Нейрофизиологи ломают голову над изображениями, полученными методом ядерного магнитного резонанса. Недавнее сопоставление целого ряда таких данных заставило предположить, что все наши эстетические суждения, похоже, подразумевают использование нейронных цепей в правой передней островковой доле – области коры головного мозга, которую обычно связывают с ощущениями от внутренних органов. Возможно, наше чувство прекрасного – какой-то побочный продукт эволюционных механизмов, в нужный момент поддерживающих в нас чувство сплоченности с ближними, а иногда и чувство отвращения. Когда наши астрономы обнаружат множество экзопланет, мы можем столкнуться с доказательствами существования каких-то форм внеземной жизни задолго до того, как придем к глубокому, изящному или красивому пониманию человеческой эстетики.