Научный взгляд на устройство вселенной

ТЕБЕ — МАЛО, МНЕ — В САМЫЙ РАЗ 43
На этом примере можно продемонстрировать еще один прин-
ципиально важный аспект эффективной теории. Иногда физики 
используют термин «фундаментальный» как относительное по-
нятие. С точки зрения термодинамики атомное и молекулярное 
описания фундаментальны. Но если говорить о физике элемен-
тарных частиц, которая рассматривает кварки и электроны вну-
три атомов, то сам атом тоже имеет сложную структуру и состоит 
из более мелких элементов. Таким образом, с точки зрения физики 
элементарных частиц разговор на уровне атомов возможен только 
в рамках эффективной теории.
Описание науки как строгой последовательности развития 
от полностью понятных областей к пределу человеческих знаний 
лучше всего подходит для таких наук, как физика и космология, где 
мы хорошо понимаем функциональные единицы и соотношения 
между ними. Вполне может быть, что в более новых областях на-
уки, таких как системная биология, эффективные теории работать 
не будут. Здесь отношения между происходящим на молекулярном 
уровне и на более крупных макроскопических уровнях, а также 
релевантные механизмы обратных связей еще только предстоит 
понять до конца.
Тем не менее концепция эффективной теории применима 
к широкому кругу научных тем. Математические уравнения, в со-
ответствии с которыми происходит эволюция биологического 
вида, не изменятся с появлением новых физических результатов; 
эту тему мы обсуждали с математическим биологом Мартином 
Новаком. Он и его коллеги могут определить параметры этих урав-
нений независимо от любых более глубоких описаний. Вполне 
возможно, что на самом деле эти параметры определяются более 
базовыми величинами — физическими или какими-нибудь дру-
гими, — но сами по себе уравнения, по которым биологи отсле-
живают развитие популяций со временем, ни от чего не зависят.
В физике элементарных частиц без эффективных теорий 
не обойтись. Мы выделяем простые системы на разных масштабах 
и рассматриваем их взаимоотношения. Следует отметить, что пре-
словутая невидимость внутренней структуры частицы, из-за кото-
рой мы сосредоточиваемся на «видимых» величинах и не обраща-

44 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
РЕАЛЬНОСТИ 
ем внимания на более фундаментальные эффекты, так замечатель-
но скрывает внутренние взаимодействия, что для их обнаружения 
нам приходится тратить огромные деньги и прикладывать гро-
мадные усилия. Именно тот факт, что наиболее фундаментальные 
теории на доступных масштабах проявляются чрезвычайно слабо, 
делает современную физику такой сложной и затратной. Чтобы 
заметить проявления фундаментальной природы вещества и вза-
имодействия на этом уровне, мы должны либо непосредственно 
исследовать все более мелкие масштабы, либо проводить все более 
точные измерения. Только при помощи передовых технологий мы 
можем получить доступ к самым мелким и самым крупным ли-
нейным масштабам. Поэтому, чтобы хоть немного продвинуться 
вперед, нам приходится проводить сложнейшие эксперименты 
и строить гигантские сооружения, такие как Большой адронный 
коллайдер.
ФОТОНЫ И СВЕТ
Истории появления различных теорий света прекрасно демон-
стрируют, как по мере развития науки эффективные теории ис-
пользуются и сменяют друг друга, как одни идеи отбрасываются, 
а другие сохраняются и применяются в конкретной ограниченной 
области. Еще в Древней Греции человек начал изучать свет — тог-
да родилась геометрическая оптика. И сегодня это одна из тем, 
по которым сдает экзамены любой студент-физик. Эта теория 
предполагает, что свет движется по прямой, и позволяет опреде-
лить, как ведут себя его лучи в различных средах и как их можно 
регистрировать и использовать.
Странно, что практически никто — по крайней мере в Гар-
варде, где я сегодня преподаю, а когда-то училась — не изучает 
классическую и геометрическую оптику. Может быть, ее немного 
преподают в школе, но, откровенно говоря, она и там не занимает 
существенного места в расписании.
Геометрическая оптика вышла из моды. Ее расцвет насту-
пил несколько веков назад с появлением ньютоновой «Оптики» 
и продолжался в XIX в., когда Уильям Роуэн Гамильтон впервые 

ТЕБЕ — МАЛО, МНЕ — В САМЫЙ РАЗ 45
математически предсказал новый взгляд на природу оптических 
явлений.
Классическая теория оптики по-прежнему применяется 
в таких областях, как фотография, медицина, инженерное дело 
и астрономия, используется при изготовлении новых зеркал, те-
лескопов и микроскопов. Специалисты по классической оптике 
и инженеры разрабатывают устройства для демонстрации различ-
ных физических явлений. Тем не менее все они лишь применяют 
оптику и не открывают никаких новых законов.
В 2009 г. мне было предоставлено почетное право прочесть 
так называемую гамильтоновскую лекцию в Университете Дубли-
на, которую до меня читали несколько весьма уважаемых моих 
коллег. Она посвящена памяти сэра Уильяма Роуэна Гамильтона, 
замечательного ирландского математика и физика XIX в. Призна-
юсь, я настолько привыкла, что имя Гамильтона стало почти на-
рицательным в физике, что, как это ни смешно, поначалу даже 
не связала его с реальным человеком, к тому же ирландцем. Меня 
поразило, в каком множестве областей математики и физики, 
в том числе и в геометрической физике, Гамильтон совершил на-
стоящий переворот.
День Гамильтона в Дублине празднуется очень широко. Торже-
ственная процессия движется вдоль Королевского канала; затем все 
останавливаются на мосту Брум-бридж и наблюдают, как самый 
молодой участник процессии пишет те самые уравнения, которые 
Гамильтон много лет назад, находясь в эйфории от собственного 
открытия, вырезал на перилах моста. Я побывала в знаменитой уни-
верситетской обсерватории в Дунсинке, где жил Гамильтон, увидела 
систему блоков и деревянную раму, на которой 200 лет назад стоял 
телескоп. Гамильтон приехал в Дунсинк в 1827 г. после окончания 
Тринити-колледжа; он тогда получил кафедру астрономии и долж-
ность Королевского астронома Ирландии. Местные жители шутят, 
что Гамильтон, несмотря на выдающиеся математические таланты, 
не слишком разбирался в астрономии, да и не интересовался этой 
наукой; за ним числится множество научных достижений, но на-
блюдательная астрономия в Ирландии, возможно, как раз из-за Га-
мильтона отстала на полвека.

46 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
РЕАЛЬНОСТИ 
Тем не менее день Гамильтона — дань уважения этому велико-
му теоретику и его многочисленным достижениям. Среди них — 
открытия в оптике и динамике, математическая теория кватер-
нионов (обобщение комплексных чисел), а также достоверная 
демонстрация предсказательных возможностей математики и на-
уки вообще. Открытие кватернионов стало настоящим прорывом. 
Кватернионы важны для векторного исчисления, которое является 
основой для математического изучения всех трехмерных явлений. 
Сегодня они используются еще в компьютерной графике и, следо-
вательно, в индустрии развлечений и видеоигр. Всякий владелец 
PlayStation или Xbox в какой-то степени обязан Гамильтону.
Гамильтон внес серьезный вклад в оптику. В 1832 г. он пока-
зал, что в результате преломления света, падающего под опреде-
ленным углом на кристалл с двумя независимыми осями симмет-
рии, получается пустотелый световой конус. Исходя из этого он 
предсказал явления 

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: