Опубликовано в журнале Новый Мир, номер 8, 2007
Бучаченко Анатолий Леонидович — химик, специалист в области химической физики. Родился в 1935 году. Окончил Нижегородский университет. Академик РАН, лауреат Государственной и Ленинской премий. Заведующий кафедрой химической кинетики химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Заведующий отделом Института химической физики им. Н. Н. Семенова РАН. Автор многих научных монографий и публикаций, а также научно-популярной книги “Химия как музыка” (Тамбов, 2004). В “Новом мире” публикуется впервые.
Что есть наука
Это скучный вопрос — что такое наука. Есть десятки ответов на него — ярких и унылых, серьезных и шутливых, глубоких и примитивных. Многие из них демонстрируют остроумие, изощренность и элегантность мышления. Но точен и бесспорен лишь один, простой и лишенный пафоса, — наука есть добыча Знаний. За ним все — и цель, и профессия, и вдохновение, и способы добычи, и пути познания. Великий Ньютон заключил эту мысль в чеканную и монументальную формулу: “Наука есть движение мысли человеческой вслед за мыслью Творца”. Это движение по дороге великих, блестящих идей и унизительных заблуждений, вдохновения и отчаяния, взлетов и падений, ярких озарений и унылых, тусклых тупиков, дорога восторга и смертельных ошибок. Великая и драматическая дорога познания, бесконечная и полная очарования…
Очарование познания
Наука открыла устройство мира. Она показала, что мир устроен изумительно просто, но в этой таинственной простоте есть интригующая загадочность. Наука открыла чертежи и законы, по которым сотворен мир; она установила, что мир создан по точному математическому законодательству — по формулам и уравнениям с точно заданными мировыми константами. Это законодательство наука отчеканила в теориях — строгих и совершенных. Первая из них и самая древняя — эвклидова геометрия, теория физического пространства (Эйнштейн назвал ее триумфом мышления). Она не могла предвидеть искривление пространства, открытое Эйнштейном через 23 века после Эвклида, и потому она не точна. Однако отклонение в размерах объектов эвклидовой геометрии (без учета искривления пространства) от реальных размеров (с учетом искривления) в масштабе одного метра составляет величину, меньшую диаметра атома водорода (около 0,5 ангстрем, или 0,5╥10-10 м); это соответствует точности теории 10-8%. Классическая, ньютоновская механика дает безупречное описание законов и явлений движения тел, однако для быстро движущихся тел (при скоростях, близких к скорости света) ее предсказания чуть-чуть отличаются от опыта. Но родились две теории относительности — специальная и общая, которые безупречны; их точность превосходит фантастическую величину 10-12%. Они включают ньютоновскую механику и дают блестящее описание не только нашего, классического, земного мира, но и мира космогонического, экзотического с позиции простого жителя Земли. Более того, они включают динамическую теорию гравитации и описание космогонических явлений и объектов (например, двойных пульсаров и черных дыр).
Заметим, что обе теории относительности появились раньше, чем обнаружились их подтверждения, и это демонстрирует волшебную силу науки и человеческой мысли, когда предсказания опережают опыт. И нужно добавить, что эти теории заключены в безупречно строгую и загадочно точную математическую форму.
Абсолютно безупречной и точной является электромагнитная теория полей — электрического, магнитного, светового (теория Максвелла). Она прекрасно работает в масштабном диапазоне от протонов и нейтронов до галактических размеров, то есть дает классическое описание полей с поражающей воображение точностью 10-34%; из нее также родилась специальная теория относительности. Все теории — и материальных тел, и полей — великолепно согласованы, дополняют и расширяют друг друга, обеспечивая точное и строгое описание классического мира — мира макроскопических тел.
Наука, описывающая микромир, — квантовая механика — родилась в начале XX века, точнее, вечером 19 октября 1900 года, когда к Максу Планку пришел его друг Рубенс и принес экспериментальные результаты по излучению абсолютно черного тела в длинноволновой области. “Квантовая магия”, “квантовое таинство” — вот лишь некоторые ее определения; это самая точная и загадочная наука, где все не так, но все верно и более того — абсолютно точно. И она математически так же строга и совершенна, как и классическая механика. “Царственное уравнение” квантовой механики — уравнение Шредингера — абсолютно точно; не найдено ни одного явления или события в микромире, которое расходится с его количественными предсказаниями.
Наш жизненный опыт говорит, что тела могут иметь любую энергию, а все объекты — либо частицы, либо волны; третьего не дано. В мире квантовой механики это третье есть: объекты микромира ведут себя непостоянно и нелогично — они преображаются из частиц в волны и обратно. Кроме того, им разрешены только определенные энергетические состояния и запрещено иметь произвольную, любую энергию. И эти волшебные свойства — не вымысел, они все строго подтверждены всем опытом жизни и экспериментальной науки. Неопровержимая достоверность парадоксального результата…
Да, в квантовой механике все не так, но она — величайшее достижение XX века, опора новой, современной цивилизации, ее новое лицо и новые прорывы — от атомной энергии до высадки человека на Луну. Она породила изысканную, элегантную теорию — квантовую электродинамику, квантовую теорию полей и движущихся зарядов. Точность этой теории такая же, как если бы расстояние от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса измерялось с точностью до толщины человеческого волоса. И это не просто впечатляющий образ; за этим стоит точность 10-8%. Именно с такой точностью вычисленный из квантовой электродинамики магнитный момент электрона совпадает с экспериментально измеренным1. И не надо забывать, что все эти совершенные теории, так безупречно точно изображающие мир, рождены на кончике пера и на острие мысли — это ли не свидетельство волшебного могущества науки и ее великого очарования?
Получается, что мы живем в двух мирах: макромир, мир “больших” объектов, управляется законами классической механики; микромир, мир “малых” частиц, беспрекословно подчиняется законам квантовой механики. Но они несовместны, они не могут быть одновременно справедливы, они находятся в состоянии “свирепого антагонизма”. И эта мысль для великих умов невыносима, она мучила Эйнштейна в его поисках единой теории поля2, в его поисках объединения упрямо необъединяющихся теорий макромира и микромира. Каждая из них безупречна и совершенна, но именно то обстоятельство, что два совершенства несовместимы, рождает смутное подозрение, что в этом таится их несовершенство.
Конечно, в пределе, когда микромир сближается по размерам с макромиром, обе механики объединяются — это естественно. Но остается интрига — как и по каким законам квантовая механика “перетекает” в классическую. Это относится и к объединению квантовой механики с общей теорией относительности, то есть к квантовой теории гравитации. Большинство физиков считает, что возникающие квантовые поправки ничтожны и проявляются лишь на масштабе так называемой планковской длины (около 10-35 м). Но самые изысканные умы это не удовлетворяет: стремление к полной гармонии и совершенной красоте безгранично.
Сегодня — и опять на кончике пера и острие математической мысли — рождаются контуры великой Универсальной Теории Всего — и веществ, и полей, и микро-, и макромира. И эта теория объединяет обе механики; более того, в этой новой теории они не могут существовать друг без друга, ибо это теория Великого Объединения, к которой упрямо шел Эйнштейн. Это теория суперструн, в которой электроны и кварки — эти фундаментальные частицы — составляются из петель вибрирующих, колеблющихся волокон, суперструн. И все свойства мира и его элементов определяются свойствами и поведением суперструн.
Физики не единодушны в отношении к суперструнам. Есть шанс их найти экспериментально в столкновениях сверхбыстрых частиц в ускорителях-коллайдерах, хотя для этого нужны огромные (возможно, недостижимые) мощности. Здесь стоит вспомнить историю позитрона: его предсказание было принято физиками безучастно. Каково же было их изумление, когда через год позитрон был обнаружен экспериментально…
Уже есть пять теорий суперструн; они дали также новую жизнь десятимерной теории супергравитации. И все они развиваются, переливаются друг в друга, совершенствуя и обобщая друг друга, и этот процесс обязательно приведет к единой теории, к пониманию того, как чарующе элегантно устроен наш мир и наша Вселенная3. Но и сегодня, как и четыреста лет назад, остаются правдой слова Галилея: “Здесь скрыты столь глубокие тайны и столь возвышенные мысли, что <…> радость творческих исканий и открытий продолжает существовать”. А рядом с ними — очарование…
Великий путь познания прошла химия — от древней алхимии до современной науки, достигшей верхнего горизонта — способности детектировать и распознавать отдельную, одиночную молекулу, пространственно фиксировать ее и перемещать, измерять все ее свойства, включая электропроводность, химические преобразования и функционирование. Химия освоила современные физические технологии, достигнув умения не только наблюдать процессы преобразования молекул за фантастически короткие времена 10-15 секунды, но и управлять ими. И сейчас идет гонка за времена 10-18 секунды…
В химии появилось осознание своего собственного Великого Объединения: в ней есть шестнадцать базовых атомных орбиталей — электронных волновых функций, своеобразных “химических нот”4. И как из комбинации простых шахматных ходов слагаются бесконечные шахматы, как из семи музыкальных нот рождается волшебная и вечная музыка, так из шестнадцати простых атомных орбиталей — химических нот — сотворена могучая и неисчерпаемая химия, построен весь атомно-молекулярный мир, создана вся химическая архитектура мира и его самого сознательного элемента — Человека. Вся природа — и неживая, и живая — построена на фундаменте, сложенном этими шестнадцатью атомными орбиталями.
Но самые впечатляющие, завораживающе прекрасные открытия делает биология. Двигаясь по дорогам вслед за Творцом, она приносит то, что не может не вызывать восторга. Посмотрите, как восхитительно устроен и красиво функционирует генетический аппарат. А как безупречно работают молекулярные машины — ферменты, снабжающие организм аденозинтрифосфатом, главным энергоносителем в организме. И эти энергоснабжающие машины производят энергоноситель в огромном количестве — в сутки половину веса организма; это количество покрывает все потребности организма на все процессы — от проницаемости клеточных мембран до сокращения мышц и запоминания…
А как прекрасна ДНК-полимераза — фермент, ответственный за деление клеток, за размножение и воспроизведение всего живого на Земле. Это комбайн, составленный из нескольких молекулярных машин, каждая из которых выполняет свою функцию, действуя изумительно согласованно с другими. Этот комбайн движется по двойной спирали ДНК, расплетает ее на одиночные нити, принимает подаваемые ему нуклеотиды (а их приносит транспортная РНК), отбирает нужный, соответствующий заданному коду, затем присоединяет его к нити ДНК, а та не только “шьет” новую нить ДНК, но еще и сама исправляет ошибки, которые она изредка допускает в своем “швейном” деле. При этом новые нити строятся сразу на обеих “старых”. Это восхитительно прекрасный процесс редупликации ДНК. Привыкнуть к чему-либо — значит потерять очарование, но к тому, что делает ДНК-полимераза, привыкнуть невозможно…
Изумительно устроены и функционируют синапсы — структурные элементы нейронов, где происходит запоминание, рождаются мысли и мышление; восхищает работа кинезина — молекулярного двигателя-извозчика, доставляющего нейромедиаторы из аппарата Гольджи в синапс. Не может не вызывать восхищения микросома — структура, способная свернуть двухметровую спираль ДНК в шарик микронного размера. Или таинство экспрессии генов… А как волшебно устроена иммунная система… И, конечно, рождает восхищение потрясающая согласованность огромного каскада биохимических реакций, обеспечивающих жизнь организма строительным материалом, энергией и исполнением его разнообразных функций. Современная биология — самая энергичная наука, поражающая своими открытиями в познании самой жизни и ее вершины — мышления. И конца этой дороги познания не видно; и всегда биология будет источником очарования. По мнению автора, в сегодняшней науке есть две самые горячие точки — суперструны и молекулярная биология, и обе они чарующе прекрасны.
“Вне науки” и “вне современной науки”
Здесь заключена интрига вопросов: есть ли вещи непознаваемые, как отличить их от вещей непознанных, беспредельна ли наша способность познания мира? Есть ли вещи вне науки? Но и в последнем вопросе скрыто два: “вне науки?” или “вне современной науки?”. Разница между ними такая же, как между любовью ко всему человечеству и любовью к одному, конкретному человеку.
Во времена Аристотеля вне науки было электричество. Но при Фарадее оно стало элементом цивилизации; зато вне науки оставались лазеры, радиоактивность, компьютеры, мобильный телефон, телевизор и многое другое, что входит в понятие современной цивилизации. Еще недавно, десяток лет назад, в химии даже не возникало мысли об одиночной молекуле как объекте исследований и познания. А сегодня это прекрасно освоенная область химии. И уже создан транзистор на одной молекуле, появились одномолекулярные магниты и реальны контуры новой технологической цивилизации — молекулярной электроники, в которой функциональными элементами служат одиночные молекулы5.
Еще недавно говорить о влиянии магнитного поля на химические реакции считалось признаком постыдного невежества, это было вне науки. А сегодня утвердились новые области — спиновая химия, химическая радиофизика, химическая поляризация ядер; они принесли крупные открытия новой, магнитной изотопии и новых, магнитно-спиновых эффектов. Здесь наука разрушила старые догмы и предрассудки и принесла новую правду.
Еще недавно даже в мыслях не допускалось участие парамагнитных состояний в производстве главного энергоносителя в организме — аденозинтрифосфата; теперь же это участие доказано. Отсюда следует возможность магнитной поляризации ядер фосфора при ферментативном синтезе аденозинтрифосфата, возможность энергетической накачки ядерного зеемановского резервуара и радиоизлучения этого резервуара (в химических реакциях это уже известно — мазер с химической накачкой). А отсюда шаг до физических основ телепатии, которая сегодня, бесспорно, вне науки.
И такими неожиданными и почти волшебными превращениями явлений и событий из состояния “вне науки” в состояние “так и должно быть” полны физика, химия и особенно биология. Чудо — это то, что не имеет причины. И потому поиск причин “вненаучных чудес” и включение в ряд “законных” научных находок есть одно из великих очарований науки.
Все сказано на свете:
Несказанного нет.
Но вечно людям светит
Несказанного свет.
(Новелла Матвеева)
Именно этот чарующий свет непознанного зовет людей науки… У них это профессиональная гонка за новым, неизведанным. Тайна всегда пленительна и очаровательна. “Самое прекрасное и глубокое переживание, выпадающее на долю человека, — это ощущение таинственности. Оно лежит в основе религии и всех наиболее глубоких тенденций в искусстве и в науке. Тот, кто не испытал этого ощущения, кажется мне если не мертвецом, то, во всяком случае, слепым” — это Эйнштейн6.
И это не по И. П. Павлову, не по его условным рефлексам, ибо новое обещает не только приятное, но и может грозить опасностями. Погоня за новым — это не гонка за удовольствиями. “Только очарование, сопровождающее науку, способно победить свойственное людям отвращение к напряжению ума” (Гаспар Монж).
Есть ли непознаваемое?
Научное творчество, как и всякое творчество, есть превращение непредсказуемого в неизбежное. Но все ли поддается такому превращению? Одно из очарований науки — соблазн найти ответ на этот вопрос. Известно, что единственная борьба, в которой приятно проигрывать, — это борьба с соблазнами…
Самый трудный вопрос — почему? Почему так совершенны совершенные теории? Почему эвклидова геометрия и ньютоновская механика так точно описывают макромир, а квантовая механика — микромир? Почему так точны уравнения Максвелла и теории относительности? Почему мир существует с такими фундаментальными константами? Почему существует сознание, откуда оно взялось? Почему в живых организмах все белки построены из “левых” аминокислот (вращающих плоскость поляризации света по часовой стрелке), а все полисахариды — из “правых” молекул? Почему нейромедиаторы синтезируются в одном месте, а работают в другом? Почему так чбудно устроена рибосома? Даже если мы хорошо поймем, как работают нейроны и синапсы — эти структурные элементы мозга, где формируется память, где происходят химические реакции запоминания и считывания памяти (а к этому упорно и успешно идут современные нейрофизиология и нейрохимия), — это не будет ответ на вопрос “почему”. Можно догадываться, как происходит мышление, как генерируются мысли, как происходит синтез новых знаний и идей на базе известных, заложенных в синапсах. Похоже (и подсказки дает микроэлектродная техника современной нейрофизиологии), что это происходит как согласованная, совместная, когерентная работа ансамблей синапсов, но что стимулирует их когерентность — вопрос открытый, и не видно, как искать ответ.
Конечно, можно отмахнуться от этих вопросов, от этих соблазнов и заявить, что они неуместны — как неуместна табличка “Добро пожаловать” на дверях морга. Но найдется не меньше людей, которых поиск ответов и сопровождающая его игра ума и интеллекта будут интриговать. И вот уже не праздный, а социально значимый вопрос — почему у человека два ума. Один — алгоритмизированный, появляется, усовершенствуется и обогащается как результат опыта, обучения, образования (говорят, образование — это то, что остается после того, как все выученное забыто). Совершенство, глубина и сила этого ума — признак таланта (который, как известно, попадает в цель, в которую никто не может попасть). Но есть и другой ум — неалгоритмизированный, существующий независимо, неуправляемо от человека, ум загадочный, божественный — источник внезапных озарений, догадок, ум неожиданный, автономный, непредсказуемый; ум гения, попадающий в цель, которую никто не видит. Лежат ли ответы на эти загадки на дорогах науки или они вне науки, неподвластны науке — вопрос открытый. Даже великие умы расходятся на этот счет; кажется, граница между проблемами, решаемыми средствами науки и не решаемыми в принципе7, лежит не в области знаний, а в области вкуса или веры.
Происхождение жизни как явления, существование сознания даже в рамках традиционных представлений об Эволюции как стимулирующем факторе развития остаются загадочными. И вечное очарование науки, зовущая магия тайны — способность науки внезапно давать ответы на загадочные вопросы. Или не давать их вовсе…
Магия познания увлекает надеждами, хотя, как утверждают острословы, надежда — всего лишь отсроченное разочарование. И все-таки есть надежда понять, что такое сознание и каково происхождение жизни на основе теории суперструн, — кто знает…
Очарование скромности и безупречности
Наука живет почти независимо от общества; огромное большинство людей абсолютно равнодушно к ней, к ее взлетам и открытиям; люди знают, что все блага можно приобрести в магазине, не интересуясь, откуда все это появилось, не задумываясь, причем здесь наука. Признание в науке приходит, как правило, редко и поздно; чаще всего — никогда. Настоящие ученые, как правило, скромны; добыча знаний — это постоянное прикосновение к тайнам, они величественны и внушают почтение, а настоящее величие всегда скромно. В мире ученых другая шкала ценностей…
Уничтожить науку нельзя. Да и не стоит, ведь она — элитарная часть цивилизации, ее высшая культура. Она величественна и вечна, как пирамиды Египта. Добыча знаний — вещь безобидная, поэтому истинная наука чиста и безупречна. Открывая новые знания, она выполняет две функции — создает полезные вещи и обнаруживает вещи, опасные для людей, предупреждая об опасностях. Наука становится опасной, когда ее отнимают у ученых; так было с атомной бомбой, с химическим и бактериологическим оружием… И так будет всегда, потому что Knowledge itself is a Power; эта фраза переводится на русский как “знание — сила”, и в этом звучании она стала крылатой. Но истинный перевод есть “знание — власть”, власть в первую очередь, и уж во вторую — сила. И те, кто отнимает у ученых науку, знают эту истину лучше всех. Часто говорят, что наука стоит на острие прогресса, но умалчивают, что сам прогресс часто лицемерен и лишь маскируется благородными красками.
Да, в науке есть лукавство… Нет, она не врет, просто она не говорит всей правды. А иногда запускает мифы — вроде сказок о глобальном потеплении или о повороте Гольфстрима и глобальном оледенении. (Кстати, неоднократные чередования периодов охлаждения и потепления в земной истории хорошо известны ученым; в нынешнем потеплении нет никакой экзотики.) Люди из научного мира не скрывают, что такие мифы — способ выбивать деньги на науку из не слишком умных правительств…
В движении по дорогам науки можно отчетливо выделить три группы участников, три эшелона. В первом идут те, кто совершает прорывы, кто открывает новые области познания, новые научные поля. Во втором эшелоне те, кто “пасется” на этих полях, собирая часто неплохой урожай. В третьем — те, кто собирает остатки, кто вытаптывает до пыли эти некогда зеленевшие идеями поля. Сильная наука там, где мала доля последних; в слабой науке мала доля первых двух.
Вокруг науки всегда ореол загадочности, и потому вокруг нее вьется (и кормится) много авантюристов и невежд, спекулирующих этим ореолом. Но самые опасные и для науки, и для общества — имитаторы. Борьба с ними — почти безнадежное дело8. Причина процветания лженауки очевидна: освоение истинных, добротных знаний требует хотя бы небольшого напряжения ума, фальшивки от имени науки подносятся готовыми, увлекают лживыми обещаниями и доверчиво воспринимаются обществом. В этом смысле наука становится своеобразным заложником своего могущества и авторитета. И это тот экзотический случай, когда авангард науки располагается сзади. Повторим: истинная наука чиста и безупречна…
Эстетика науки
Когда в близкой мне химии докладчик рассказывает, как он показал, что механизм химической реакции сложный, я отчетливо осознаю, что он его не знает и все, что он говорит, — вранье. Познанное всегда просто и красиво. Ахмед Зевайл, создатель фемтохимии, выразил эту мысль так: “Я уверен, что за каждой значимой и фундаментальной концепцией должна стоять простота и ясность мысли”9.
Эстетика науки есть отражение эстетики и тонкой красоты мира, эстетики и красоты мышления как главного метода познания этого мира. Галилей это заметил четыре столетия назад, указав, что наука начертана на страницах огромной книги, имя которой — Вселенная, и написана она на языке математики, самой изящной и эстетически совершенной науки. Всякое противоречие, любая несогласованность, отсутствие единства и гармонии — антиэстетичны. Противоречие классической и квантовой механики было мучительным для эстетического ума Эйнштейна и упрямо вело его к поиску Единой Теории.
Музыка — самое абстрактное и самое волнующее искусство. Наука подобна музыке, хотя абстрактность ей нельзя приписать, скорее напротив… Наука — вещь настолько высокая и красивая, что о ней уместно говорить лишь в аристократически изысканных выражениях, тонких лингвистических оборотах и писать языком, которым написаны прекрасные книги Пенроуза и Грина (см. выше). То же относится и к людям науки; величие ученого, по Эйнштейну, — это не его непогрешимость и безупречность; это его цельность, гармония ума и совести, его произведение ума на порядочность. Кстати, это относится к любому человеку… “Подлинный прогресс человечества зиждется не столько на изобретательности ума, сколько на совести людей” — это опять Эйнштейн10.
И наконец, еще одно очарование науки, замеченное Эйнштейном: “Научные исследования и вообще поиски истины и красоты — это область деятельности, в которой дозволено всю жизнь оставаться детьми”11.
Послесловие
Эта статья посвящена моим друзьям, коллегам и знакомым из научного мира. И тем, кто рядом и кто далеко… Их много, и они все прекрасны…
1 Пенроуз Р. Новый ум короля. М., УРСС, 2003.
2 См.: Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М., “Наука”, 1989, стр. 309; Дюкас Э., Хофман Э. Альберт Эйнштейн как человек. — “Вопросы философии”, 1991, № 1, стр. 61.
3 См.: Грин Б. Элегантная Вселенная. М., УРСС, 2005.
4 Бучаченко А. Л. Химия как музыка. Тамбов, “Нобелистика”, 2004.
5 См.: Минкин В. И. Молекулярная электроника на пороге нового тысячелетия. — “Российский химический журнал”, 2000, т. 44, № 6, стр. 3 — 13; Бучаченко А. Л. Новые горизонты химии: одиночные молекулы. — “Успехи химии”, 2006, т. 75, № 1, стр. 3 — 26.
6 Эйнштейн А. Мое кредо. — В его “Собрании научных трудов” в 4-х томах, т. 4. М., “Наука”, 1967, стр. 176.
7 Блюменфельд Л. А. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики. М., УРСС, 2002, стр. 140.
8 См.: Кругляков Э. П. “Ученые” с большой дороги. М., “Наука”, 2005.
9 Зевайл А. Путешествие сквозь время. Шаги к нобелевской премии. Тамбов, “Нобелистика”, 2004, стр. 39.
10 Дюкас Э., Хофман Э. Альберт Эйнштейн как человек. — “Вопросы философии”, 1991, № 1, стр. 88.
11 Эйнштейн А. Собрание научных трудов. Т. 4, стр. 176.