и чувство. То, что древние называли духом, в языке нашего времени стало сознанием.
2
Рецепт создания Вселенной
«Все люди от природы стремятся к знаниям», – утверждал Аристотель более 2000 лет назад. Благодаря этому естественному порыву человечество прошло через самые неожиданные приключения. Открытие ДНК, проект «Геном человека», первые шаги человека на Луне, создание и запуск Большого адронного коллайдера, отправка на Марс аппаратов Spirit, Opportunity и Curiosity – это лишь некоторые из самых ярких достижений человечества за последние годы.
В прошлом веке три могущественных инструмента позволили понять и овладеть огромной частью материального мира: классическая ньютоновская физика, квантовая механика Планка и теория относительности Эйнштейна. Именно благодаря им в 70-х годах XX века родилась новая модель, способная объяснить поведение Вселенной и ее основных структурных элементов.
Стандартная физическая модель
Стандартная физическая модель представляет собой математическую теорию о строении и функционировании нашего мира. Ее нельзя назвать полной, но это самое лучшее, что мы смогли придумать, чтобы объяснить реальность, в которой живем.
Для того чтобы разобраться в гипотезе, предложенной в этой книге, необходимо понять из чего состоит наша видимая Вселенная. Только когда мы узнаем, из чего создан человек, мы сможем сделать заключение о том, как устроен наш невидимый мозг и где он находится.
Согласно стандартной физической модели, основными элементами для создания мира являются: фундаментальные частицы, силы и взаимодействия, законы природы. Играя свойствами фундаментальных частиц и управляя силами природы и их взаимодействиями по своему желанию, мы можем создавать вселенные на собственный вкус. Какие-то из них будут пригодны для жизни, другие же останутся необитаемыми. Зная это, несложно вычислить основные структурные компоненты и минимум необходимых сил для сотворения мира, содержимое которого станет действовать по тем же законам, что и человеческий разум.
Фундаментальные частицы
Еще 2000 лет назад греческие философы Левкипп и Демокрит утверждали, что Вселенная складывается из крохотных неделимых частиц, которые они назвали атомами[53]. Но это были лишь догадки. Ни тогда, ни сейчас невозможно заглянуть внутрь атома и рассмотреть его структуру и действующие в нем силы. Вот для чего ученым нужны модели – чтобы представить происходящее на таком микроскопическом уровне. Модели являются идеальными, а не реальными представлениями материальных атомов.
Первые прототипы, демонстрирующие устройство атомов, появляются в конце XIX – начале XX века. В 1897 году британский физик Д. Д. Томсон, сотрудник Тринити-колледжа в Кембридже, с помощью стеклянных колб и электрических разрядов показал выделение очень мелких частиц. Эти частицы, обладающие маленькой массой и отрицательным электрическим зарядом, он назвал электронами. Томсон представлял атом в виде положительно заряженной массивной сферы, внутри которой находятся отрицательно заряженные электроны. Выглядело это как «пудинг с изюмом».
Модель атома Томсона
Эксперименты, которые проводил Эрнест Резерфорд в 1911 году, привели к открытию протона. Его заряд положительный, а масса в 2000 раз больше массы электрона. Резерфорд предложил модель атома, похожую на миниатюрную Солнечную систему: в центре находится положительно заряженное ядро из протонов и других частиц (Солнце), а электроны с отрицательным зарядом вращаются вокруг него (как планеты).
Модель атома Резерфорда
Модель Резерфорда не смогла объяснить все свойства атома, и тогда физик Нильс Бор допустил, что электроны двигаются вокруг ядра из протонов только по стационарным круговым орбитам, которые он назвал уровнями энергии.
Модель атома Бора
Поскольку точное определение местоположения уровней энергии электронов внутри атома вызывало трудности, такие физики, как Гейзенберг, Шредингер и Дирак, выдвинули концепцию орбит. Орбитами можно назвать те области атома, где вероятность встретить электрон, вращающийся вокруг ядра, достигает максимума.
Современная модель атома
Оставшаяся масса атома приходится на нейтроны – частицы, открытые в 1932 году Джеймсом Чедвиком. Характерной особенностью нейтрона является значительный вес и отсутствие электрического заряда. В 1930 году был открыт мюон – частица, идентичная электрону, но в 200 раз тяжелее. В 1950-м обнаружили пятую частицу – нейтрино, – в изобилии присутствующую в космических лучах, прибывающих на Землю от Солнца.
Кварки
В 1964 году Гелл-Манн и Цвейг доказали, что протоны и нейтроны не являются самими маленькими составляющими атомного ядра. И те и другие включают в себя еще более мелкие частицы – кварки. Кварк не единообразен: он существует в шести вариациях, называемых ароматами. Под ароматом понимают качества или физические свойства, которые позволяют нам различить шесть типов кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, истинный и красивый. В свою очередь каждая из упомянутых разновидностей существует в трех разных цветах, также обозначающих физические свойства.
Типы кваркова = верхний, b = нижний, e = очарованный, x = странный, c = истинный, f = красивый Частицы с чертой сверху соотносятся с античастицами.
Учитывая ароматы и цвета, в целом получается 18 разновидностей кварков. Более того, каждому кварку соответствует своя античастица, таким образом, их всего 36. Важно помнить, что лишь две из этого количества частиц принимали участие в создании материального мира: верхний (up) и нижний (down) кварк. Протон состоит из двух up-кварков и одного down-кварка; нейтрон – из двух down-кварков и одного up-кварка.
Протон Нейтрон
Электрон – это частица, которая двигается по орбите вокруг атомного ядра. В соответствии с этой моделью она является фундаментальной (не имеющей составных частей).
Струны
В последние годы появилась новая модель, утверждающая, что мельчайшие компоненты материи – фундаментальные частицы – в действительности не точечные и не компактные, какими мы их всегда считали. Если бы оказалось возможным в достаточной степени увеличить кварк с помощью супермикроскопа, то выяснилось бы, что частица, которую представляли твердой как камень, – лишь плод нашего воображения.
На самом деле в таком крошечном масштабе мы разглядели бы одномерное волокно энергии, вибрирующее, как струна скрипки.
Именно это одномерное волокно энергии, вибрирующее на разных скоростях, и выглядит как нечто твердое и массивное, если рассматривать в другом разрешении. На уровне размера атома струны трансформируются в массивные и конкретные фундаментальные частицы, уже нам знакомые: кварки и электроны.
На приведенном ниже рисунке представлена модель базовой структуры материи – от макроуровня (в виде капли воды) до микроуровней (выраженных кварками):
Структура материи
Вселенная из битов
Существует ли нечто более фундаментальное,
