Проблемы пространства и времени

Нашу жизнь мы делим на три периода: прошлое, настоящее и будущее. При этом настоящее – это объективная реальность; прошлое – то, что безвозвратно ушло от нас; будущее – это то, о чем можно только предполагать. Однако уже Эйнштейн понимал, что прошлое, настоящее и будущее – это лишь иллюзии, потому что в иной системе координат на простой вопрос, что сейчас происходит на Марсе, нельзя дать точный ответ, пишет Пол Дэйвис, физик-теоретик из Австралийского центра астробиологии Университета Макуэри в Сиднее. (Дэйвис П. Это таинственное течение// В мире науки, № 1, 2003, с. 26 – 31).

Дело в том, что Земля и Марс удалены друг от друга на 20 световых минут, и наблюдатель на Земле не сможет мгновенно узнать о событиях, происходящих на Марсе, поскольку скорость передачи информации не превышает скорости света. Самый простой выход из этой ситуации – считать, что и прошлое, и будущее зафиксированы. По этой причине физики предпочитают рассматривать время как нечто целостное, простирающееся подобно ландшафту, на котором располагаются прошедшие и будущие события. Такое представление о природе времени полностью исключает как существование некоего особого момента, называемого настоящим, так и процесса непрерывного превращения будущих событий в настоящие, а затем и в прошедшие.

Некоторые физики говорят, что времени вообще не существует. Другие полагают, что ему следует приписать более значительную роль, а не преуменьшать ее. Между двумя крайностями лежит поразительная идея о том, что время существует, но не представляет собой фундаментального понятия. Время, которое мы воспринимаем, каким-то образом порождается статичной вселенной.

Философы обсуждали проблему природы времени еще до Сократа, но современные физики придают представлениям о времени конкретность. Согласно одной из идей, время может возникать из того, каким образом разделена вселенная, и то, что мы воспринимаем как время, отражает связи между ее частями.

Каждое мгновение нашей жизни уникально и неповторимо. Мы вполне убеждены в том, что время течет, т.е. настоящее постоянно обновляет само себя. Мы также интуитивно уверены в том, что будущее открыто нам, пока оно не становится настоящим, а прошлое – неизменным. В потоке времени структура из неизменного прошлого, мгновенного настоящего и открытого будущего непрерывно перемещается вперед. Она встроена в наш язык, в наше мышление и в поведение, она определяет то, как мы проживаем жизнь.

Однако, сколь бы естественным ни был такой образ мыслей, отражения его в науке вы никогда не найдете, пишет Крейг Каллендер, профессор философии университета Сан-Диего в Калифорнии, редактор многих книг по квантовой гравитации и времени. (Каллендер К. Время как иллюзия// В мире науки, 2010, № 8 – 9, с. 33 – 39).

Уравнения физики не говорят, какие именно события происходят в данный момент, они подобны карте, на которой нет значка, отмечающего наше местоположение в данный момент. Настоящего момента в них нет, а значит, нет и потока времени. Более того, согласно теории относительности Эйнштейна, не только не существует какого-то единого особого настоящего, но одинаково реальны все моменты. В принципе, будущее не больше открыто, чем настоящее.

Мыслителей во все времена занимал разрыв между научным пониманием времени и его повседневным восприятием. По мере того как физики постепенно лишали время всех приписываемых ему свойств, эта пропасть расширялась. Сегодня разрыв между временем физиков и временем повседневного опыта достиг логического завершения, поскольку многие физики-теоретики пришли к выводу, что времени как фундаментального понятия вообще не существует.

Идея реальности без времени поначалу представляется столь поразительной, что трудно понять, как она может быть непротиворечивой. Все, что мы делаем, мы делаем во времени. Мир – это последовательность событий, связанных между собой временем. Каждый может видеть, что волосы седеют или выпадают, тела передвигаются, но походка меняется, становясь старческой, то есть неуверенной. Мы видим перемены, т.е. изменения свойств во времени. В отсутствие времени мир был бы абсолютно неподвижным. Теория отсутствия времени затрудняется объяснить, как мы можем видеть изменения, если мир на самом деле не меняется.

Исследования показывают, что на фундаментальном уровне время может не существовать, оно может возникнуть на более высоких уровнях – как стол кажется монолитным, хотя на самом деле представляет собой совокупность частиц, состоящих в основном из пустого пространства. Монолитность – это коллективное, или производное свойство частиц. Время тоже может быть производным свойством каких-то базовых ингредиентов мира, что бы они собой ни представляли.

Концепция производного времени потенциально столь же революционна, как разработка теории относительности или квантовой механики. Эйнштейн говорил, что ключевым шагом в создании теории относительности было переосмысление понятия времени. Для физиков, которые стремятся осуществить мечту Эйнштейна об объединении теории относительности и квантовой механики, время вновь оказывается ключевым понятием.

Стоит обратить внимание на то, что в физике Ньютона законы движения требовали от времени ряда определенных свойств, хотя это не вполне заметно. По Ньютону, последовательность происходящих событий все наблюдатели воспринимают одинаково. Классическая физика подразумевает, что независимо от того, где и когда произошло событие, вы можете объективно судить о том, произошло оно раньше любого другого события во вселенной, позже его или одновременно с ним. Следовательно, время полностью упорядочивает все события в мире. Одновременность абсолютна, она не зависит от наблюдателя. Более того, чтобы можно было определять скорости и ускорения, время должно быть непрерывным.

В классической физике время должно иметь также свойство длительности (то, что физики называют метрикой), чтобы можно было определять, как далеко во времени отстоят друг от друга события.

В сущности, Ньютон исходил из допущения, что в мире существуют «главные часы», которые однозначно и объективно задают мгновения в мире. Физика Ньютона слышит ход только этих часов и никаких других. Кроме того, Ньютон чувствовал, что время течет, и его течение указывает, какое направление есть будущее, хотя эти дополнительные свойства не были строго необходимыми для его законов.

Время Ньютона представляется нам сегодня старомодным, хотя показывает, как оно удивительно. Многие его свойства – упорядоченность, непрерывность, длительность, одновременность, течение и «стрела» - логически устранимы. Но все они взаимосвязаны в «главных часах», которые Ньютон назвал временем. Эта совокупность свойств оказалась настолько удачной, что сохранялась неизменной почти 200 лет.

Атаки на нее начались на рубеже 19 – 20 веков. Первым ударом стала работа австрийского физика Людвига Больцмана, который отметил, что законы Ньютона одинаково справедливы для движения и вперед, и назад во времени, откуда следует, что оно не имеет встроенной «стрелы». Больцман предположил, что различие между прошлым и будущим определяется асимметрией структуры материи во вселенной. Хотя физики до сих пор спорят о деталях этого предположения, Больцман убедительно лишил ньютоновское время одного из его свойств.

Следующую атаку предпринял Эйнштейн, отбросивший идею абсолютной одновременности. Согласно его частной теории относительности, то, какие события становятся одновременными, зависит от того, как быстро движется наблюдатель. Истинная арена события – не время или пространство, а их совокупность: пространство-время.

Для двух наблюдателей, которые движутся с разными скоростями, время события и место, где оно произошло, будут различными, но местоположение его в пространстве-времени – одним и тем же. Пространство и время – вторичные концепции, которые, по словам математика Генриха Минковского, обречены обратиться всего лишь в тени.

В 1915 году была опубликована общая теория относительности, в которой Эйнштейн обобщил частную теорию и распространил ее на случаи, в которых действует сила тяготения. Гравитация деформирует время таким образом, что в разных местах секунда может протекать неодинаково. Синхронизировать часы и сохранять их синхронизацию возможно только в редких случаях. В целом представить мир движущимся шаг за шагом в едином временном темпе невозможно. В предельных случаях мир может оказаться вообще неразделимым на мгновения. При этом определить, какое из событий произошло раньше, а какое позже, оказывается невозможным.

Общая теория относительности имеет много функций, в названиях которых содержится слово «время»: координатное время, собственное время, глобальное время. Все вместе они выполняют ряд функций ньютоновского времени, но по отдельности ни одно из них не заслуживает звания времени. Физики либо не слушают эти часы, либо даже если слушают, показания их применимы только к небольшим кускам вселенной или к конкретным наблюдателям. Несмотря на то, что специалисты сегодня тревожатся, что единая теория поля исключит время, есть достаточно оснований считать, что время было утрачено еще в 1915 году, и мы просто еще не до конца осознали это.

Так насколько же ценно время? Возможно, вас убедили, что разница между пространством и временем почти исчезла, и что истинной ареной событий в релятивистской вселенной стал большой четырехмерный блок.

Относительность уподобила время пространству, сделав его всего лишь еще одним измерением в этом блоке. Пространство-время подобно булке, которую можно разрезать на «пространство» и «время» практически любым способом. Однако в общей теории относительности время сохраняет особую и важную функцию: оно позволяет проводить местное разграничение между «времяподобными» и «пространствоподобными» направлениями. Между событиями, связанными времяподобным направлением может существовать причинно-следственная связь. Объект или сигнал могут передаваться от одного такого события к другому, влияя на происходящее. События, между которыми существует пространствоподобная связь, причинно-следственной связи между собой не имеют. Никакие объект или сигналы не могут передаваться от одного такого события к другому. В математическом отношении различие между этими двумя видами направлений определяется только знаком «минус», имеющим огромное влияние. Последовательность событий в пространствоподобных направлениях разные наблюдатели могут воспринимать по-разному, а во времяподобном направлении последовательность событий всегда одинакова для всех наблюдателей. Если один из них понимает, что одно событие может вызвать другое, это понимают и все наблюдатели.

Представьте себе, пишет Каллендер, разрезание пространства-времени на слои от прошлого к будущему. Каждый такой слой, или срез, представляет собой трехмерное пространство в определенный момент времени. Совокупность всех срезов пространственно-связанных событий есть четырехмерное пространство-время. Теперь представьте себе вид на мир «сбоку» и разрежьте его соответственным образом. С этой точки зрения каждый трехмерный срез окажется странной совокупностью события, связанных в пространствоподобных (только двух) и времяподобном направлениях.

Первый способ хорошо знаком физикам, не говоря о кинозрителях. Кадры фильма представляют собой срезы пространства-времени: они показывают пространство в последовательные моменты времени. Подобно кинороманам, которые мгновенно оценивают ситуацию, физики могут, сделав один полный пространственный срез, реконструировать события в других путем применения законов физики.

Простой аналогии второму способу не существует. Он соответствует разрезанию не от прошлого к будущему, а с востока на запад. Пример такого среза – северная сторона вашего дома и то, что произойдет на этой стене в будущем. Приложив к нему законы физики, вы сможете реконструировать вид остальной части вашего дома (а фактически – всей вселенной). Это может показаться странным, но это так и есть. На первый взгляд далеко неочевидно, позволят ли законы физики осуществить подобную реконструкцию, но как недавно показали математики Уолтер Крейг из Университета Мак-Мастера и философ Стивен Уэйнстейн из Университета Уотерлоу, сделать это можно, по крайней мере, в некоторых простых случаях.

Оба способа «расслоения» в принципе возможны, но кардинально отличаются друг от друга. При обычном разрезании от прошлого к будущему необходимые данные получить довольно легко. Например, вы измеряете скорости всех частиц. Скорость частицы, находящейся в одном месте никак не зависит от скорости частицы, находящейся в каком-то другом месте, поэтому измерить их довольно легко.

Однако во втором случае свойства частиц нужно будет установить весьма специфическим образом, иначе одного среза будет недостаточно для реконструкции всех остальных. Для сбора необходимых данных потребуется выполнять очень сложные измерения на группах частиц. Однако даже эти измерения позволяют реконструировать все пространство-время только в некоторых особых случаях вроде рассмотренного Крейгом и Уэнстейном.

В самом строгом смысле время – направление в пространстве-времени, в котором возможно надежное прогнозирование, направление, в котором мы можем рассказывать наиболее содержательные истории. История вселенной разворачивается не в пространстве, а во времени.

Возникает закономерный вопрос: может ли время закончиться? И да, и нет, отвечает на него Дж.Массер (В мире науки (11 – 12), 2010). Общая теория относительности предсказывает, что время заканчивается в точках, называемых сингулярностями, например, в таких, где вещество достигает центра черной дыры, или когда вселенная коллапсирует в «Большом хлопке». Теория также предсказывает, что сингулярности невозможны. Термин «сингулярность» можно отнести к любой границе времени: и к началу (большой взрыв) и к концу (большой хлопок), это мгновенное событие, породившее когда-то пространство-время, это точно такое же мгновенное событие, последствием которого может стать исчезновение пространства-времени.

Итак, полагает Дж.Массер, время может закончиться разными способами. Например, когда формируется черная дыра, плотность вещества возрастает, что усиливает мощь гравитационных сил, которые в свою очередь, еще больше увеличивают плотность. Вещество перестает быть, и время уходит из этой области. То же самое может происходить и с вселенной в целом.

Рассмотрим некоторые существующие на этот счет сценарии:

-большой хлопок. Космологическое расширение замедляется, ему препятствуют гравитационные силы заполняющего вселенную вещества. В конце концов, расширение останавливается и обращается вспять, завершаясь коллапсом обратно в сингулярность, которая означает конец времени. Когда-то казавшийся правдоподобным, теперь такой сценарий развития событий выглядит сомнительным. Не только потому, что материя слишком разряжена, чтобы тормозить расширение своим гравитационным полем, но и потому, что существует некая ненаблюдаемая форма энергии – темная энергия, источник ускоренного расширения вселенной;

-тепловая смерть. Вселенная расширяется вечно, становясь все более пустой и темной. Астрономы рассматривают такой вариант будущего нашей вселенной как наиболее предпочтительный. Хотя время никогда не заканчивается, оно все больше теряет смысл. Вселенная вступает в фазу так называемой «тепловой смерти» – состояния равновесия, в котором любой процесс быстро завершается, так что время перестает обозначать четкую последовательность событий и становится плохо определено;

-большой разрыв. Вселенная разрывает себя в клочья. Такой сценарий может реализоваться, если темная энергия – не постоянная величина, что предполагают большинство современных космологических моделей, но обладает сильно отрицательным давлением: такая энергия получила название «фантомной». Благодаря ей, вселенная может расширяться очень интенсивно – так, что даже атомы будут разорваны и время перестанет существовать;

-вмораживание. Вселенная наполняется фантомной энергией и достигает бесконечной плотности, расширившись до конечного объема. Материя блокируется в пространстве, и время тоже будут пленено. Локальное вмораживание может произойти, если вселенная представляет собой мембрану, движущуюся в многомерном пространстве-времени (согласно теории суперструн), которая начинается стремительно вращаться;

-торможение. Расширяющая вселенную темная энергия начинает все более тормозить ее, приводя рост к резкой остановке. На конечном этапе космические структуры должны быть разорваны бесконечно большими приливными силами. Несмотря на то, что другие характеристики остаются конечными, последствия для времени будут плачевны;

-внезапная сингулярность. Силы сжатия обыкновенной материи становятся бесконечными, в то время как плотность и скорость космологического расширения сохраняются неизменными. Со временем может происходить все что угодно.

Уже задолго до Эйнштейна философы обсуждали, может ли время умереть. И.Кант рассматривал понятие «антиномии» как нечто такое, что можно определить двумя разными способами, не давая представления об общем положении дел. Так, например, не существует такого момента, как 12:00 – это одновременно и конец предыдущего дня, и начало следующего (в системе отсчета времени до 24 часов этот момент – одновременно и 24:00 и 00:00).

Аристотель обращал внимание на тот же принцип, говоря, что время не может ни начаться, ни кончиться. Каждый момент времени – это одновременно конец некой эры и начало новой эры. Любое событие – следствие предыдущего и причина последующего. Так как же время может закончиться? Какая сила не допустит, чтобы самым последним событием в истории естественно последовало следующее событие? Возможно ли логически, чтобы время могло завершиться? Но если время не может закончиться, то тогда вселенная с необходимостью должна жить вечно, и тогда разрешаются все загадки, поставленные перед лицом вечности. Философы полагают абсурдной идею того, что реальная вселенная может быть бесконечной, т.е. что она может быть математической идеализацией.

Вселенная проявляется из сингулярности и может испытывать различные временные катаклизмы в своей эволюции. Согласно теории относительно, в сингулярности Большого взрыва прообраз каждой галактики есть в точности математическая точка нулевого размера. При подсчете плотности вещества в такой точке нам необходимо делить на нулевой объем. В результате получается бесконечность. Другие типы сингулярностей могут характеризоваться не бесконечной плотностью, а другими физическими характеристиками, также принимающими бесконечные значения, следовательно, быть нереалистичными.

Несмотря на то, что современные физики не испытывают к бесконечностям такого отвращения, как Аристотель и Кант, они все же замечают, что теории, их содержащие, выходят за границы своей применимости. Вспомним школьную физику и теорию оптических лучей. В ее рамках красиво объясняются свойства линзы и эффекты кривых зеркал. Но согласно этой теории, линза фокусирует свет от удаленного источника в математической точке, формируя пятно бесконечной яркости. В реальности свет фокусируется не в точке, а в круглом пятне, яркость которого может быть велика, но всегда конечна. Теория оптических лучей дает ошибку, потому что в действительности свет – это не луч, а волна.

Точно так же большинство физиков полагают, что космические сингулярности на самом деле имеют конечную плотность. Теория относительности перестает быть применяемой вблизи сингулярности, поскольку не может учитывать в этой области законы изменения гравитации и реальные свойства материи, которые препятствуют возникновению бесконечной плотности. И для понимания того, что происходит вблизи сингулярности, требуется более общая теория, например, квантовая теория гравитации. Физики до сих пор находятся в процессе ее разработки, но уже очевидно, что эта теория должна вобрать в себя все основные понятия квантовой механики, а именно вещество, свет, волновые свойства. Как раз последние призваны превратить сингулярности из геометрической точки в область ненулевого объема, что позволит избежать ошибок в результате деления на ноль. При таком подходе время может и не иметь конца.

Некоторые физики полагают, что время все-таки может быть конечным. Проблема этой интерпретации заключается в том, что известные законы физики оперируют со временем, описывая движение и эволюцию тел в его рамках, и поэтому конечные точки времени в принципе не могут быть рассмотрены. Существование этих точек могло бы быть продиктовано не просто новым законом физики, а новым типом физических законов, избегающим концепции времени и движения во времени, меняя ее на геометрические подходы.

Таким образом, противоречий в подходах ученых ничуть не меньше, чем у философов, и они также страдают от антиномий.

Джон Арчибальд Уиллер, один из первых, кто начал работать в квантовой гравитации, писал о том, что уравнения Эйнштейна гласят, что здесь конец, а физика говорит, что конца не существует. Многие сдались, оставили исследования, полагая, что наука в принципе не может дать ответа на вопрос о конце времени – для них граница времени есть граница их эмпирического опыта. Но нашлись и такие, которые считают, что необходимо просто перевести рассмотрение проблемы в другую плоскость, что именно квантовая гравитация позволит по-новому взглянуть на задачу и дать ее однозначное решение.

Дж.Массер полагает, что конец времени может оказаться процессом, происходящим шаг за шагом, по мере того как вселенная регрессирует в более простое состояние, в котором понятие времени перестает иметь смысл, и выделяет следующие стадии конца времени:

-сломанная стрела времени. Время перестает идти вперед, когда вселенная достигает состояния общего равновесия, исчерпав всю свою энергию. Такой сценарий реализуется в вечно расширяющейся вселенной, но время может потерять свою ориентацию и в других космологических моделях. Начиная с этого момента, единственным движением будут случайные колебания плотности и энергии, приводящие к тому, что показания часов – если таковые там окажутся – будут прыгать туда – сюда;

-про время ничего нельзя сказать. Концепция длительности станет бессмысленной, когда все системы, отмечающие обычные интервалы времени, разлетятся в бесконечность или попадут в черные дыры. Энергия может вернуться из черной дыры, но только в форме излучения, т.е. в виде фотонов или других безмассовых частиц. Поскольку эти частицы не обладают фиксированной шкалой и не меняются со временем, из них нельзя «сделать» новых часов;

-время становится пространством. Время может стать еще одним пространственным измерением, нарушая причинно-следственные связи. Один из способов того, как это может произойти заключается в следующем. Допустим, что наша вселенная находится на «бране» (брана от мембрана – фундаментальный физический объект в теории струн), двигающейся сквозь многомерное пространство. Если брана начинает быстро вращаться, так что измерение времени искривляется и становится пространственным, то случается то, что называется «вмораживанием»;

-распад геометрии. Время исчезает, когда вселенная стремится к состоянию хаоса. Это состояние не вовлекает глубочайшие уровни реальности, глубже, чем частицы и взаимодействия. Процессы настолько становятся сложными, что оказывается невозможно точно определить их временное и пространственное положение. Один из способов осознать эту идею – использовать голографический принцип.

Человеческий организм – искусно организованная система. Подобно тому, как жизнь возникает из сложной совокупности молекул, каждая из которых сама по себе жизнью не обладает, время могло бы рождаться из хаоса, упорядочивая само себя. Мир времени обладает жесткой структурой: время диктует нам, когда происходят события, как долго они длятся и в каком порядке следуют друг за другом. Возможно, такая упорядоченность и не наблюдаема, но она, безусловно, имеет место. Но то, что создано, может быть разрушено – как только структура рухнет, то время закончится.

В таких рассуждениях гибель времени становится не более парадоксальной, чем разрушение любой сложной системы. Одну за другой время теряет свои определяющие характеристики, переходя от состояния «существование» к состоянию «несуществования».

Первой из таких характеристик могла бы быть направленность времени, «стрела времени», направленная из прошлого в будущее. Еще в середине 19 века ученые установили, что свойство направленности – это не свойство времени самого по себе, а свойство материи. Времени же присуща симметрия: оно может быть направлено как из прошлого в будущее, так и наоборот.

Все события, происходящие вокруг нас, безусловно, последовательны. Так, если чашка упадет на пол, то она может разбиться. Обратный же процесс – самопроизвольное воссоздание чашки из осколков – никому не доводилось видеть. Этот пример – иллюстрация второго закона термодинамики, согласно которому энтропия замкнутой системы не может убывать во времени. У целой же чашки энтропия будет ниже, чем у разбитой чашки.

Необратимых физических процессов в природе очень много, поэтому второй закон термодинамики налагает отчетливую печать временной асимметрии на наш мир, разграничивая направления «вперед» и «назад» вдоль временной оси. Для удобства стрелу времени направляют вперед, в будущее. Это не значит, что она сама туда летит. Точно также стрелка компаса не движется к полюсу, хотя и указывает на Северный магнитный полюс. Обе стрелы свидетельствуют только о некой симметрии, а не о движении. Стрела времени указывает на асимметрию нашего мира во времени, а не на асимметрию течения времени. Термины «назад» и «вперед» вполне законны, когда речь идет о временной последовательности. Точно так же как термины «вверх» и «вниз», когда говорится о направленности пространственной. Говорить же о «прошлом» и «будущем» как об объективной сущности столь же бессмысленно, как и об объективной сущности «низа» и «верха».

«Стрела времени» есть свойство вещества развиваться от состояния порядка к состоянию с большим беспорядком, к состоянию хаоса (родители могут наблюдать это на своих детях). Если этот процесс замедляется, это означает, что вселенная приближается к состоянию равновесию, или тепловой смерти. Отдельные частицы будут продолжать как-то двигаться, но вселенная в целом не будет меняться: любые часы будут отсчитывать время в обе стороны, и будущее будет неотличимо от прошлого.

Некоторые ученые говорят о возможности обращения стрелы времени так, что вселенная будет развиваться вспять во времени, по своему же пройденному пути, но это не оживет умерших, жизнь которых всегда однонаправлена во времени.

Другой характеристикой времени, которая может быть утрачена, может оказаться концепция длительности, интервала времени. Однако, даже если утратят смысл такие порции времени, как секунда, минута, час, год, это еще не означает, что время уже умерло. В этом ключе время отличается от пространства, которое дает несколько ограничений на размещение объектов. Два близких во времени события неразрывно связаны. Но два близкие в пространстве объекта могут не иметь совершенно ничего общего. Пространственные связи не так значимы, как временные.

То, что время постепенно теряется, необходимо для нашего существования. Нам нужно время, чтобы направлять свое развитие. Нам необходимо знать длительность и шкалу временных событий, чтобы формировать сложные структуры. Нам требуются причинно-следственные связи процессов, а также пространственные разделения, наши тела могут создавать небольшие островки порядка в мире. С таянием этих свойств человек не может жить.

Одна из высших целей современной физики – объединение теории относительности с квантовой механикой для создания единой теории, которая будет охватывать и гравитационный и квантовый аспекты материи, т.е. квантовой теории гравитации. И одна из преград на этом пути – то, что в квантовой механике время должно обладать свойствами, противоречащими тому, что говорилось до сих пор.

Квантовая механика утверждает, что поведение частиц намного сложнее того, что может быть описано в таких классических понятиях, как скорость и местоположение. Полное описание объекта дается математической функцией, которая называется квантовым состоянием, непрерывно изменяющимся во времени. Используя его, физики могут рассчитать вероятность результата эксперимента для любого момента. Если мы заставляем электрон пролететь через устройство, которое может отклонить его вверх или вниз, квантовая механика не может сказать определенно, куда он отклонится. Она может лишь указать вероятности, например, 25% для отклонения вверх и 75% для отклонения вниз. Две системы с одинаковыми квантовыми состояниями могут дать разные результаты, т.е. результаты экспериментов вероятностны.

Для осуществления вероятностных предсказаний квантовой теории необходимо, чтобы время обладало определенными свойствами.

Во-первых, именно время обеспечивает возможность существования противоречий. Грани 3 и 5 игральной кости не могут быть обращены вверх одновременно. Они могут оказаться обращенными вверх только в разные моменты времени. С этим свойством времени связан тот факт, что сумма вероятностей оказаться обращенной вниз для всех шести граней должна составлять 100%, иначе само понятие вероятности потеряет смысл. Это же справедливо для вероятностей того, что квантовая частица будет находиться в данном месте или иметь данное значение импульса.

Во-вторых, имеет значение порядок квантовых измерений во времени. Допустим, я пропускаю электрон через устройство, отклоняющее его сначала в вертикальном направлении, а потом в горизонтальном, и на выходе измеряю момент его импульса. Затем я повторяю эксперимент, но сначала отклоняю электрон в горизонтальном направлении, а после этого в вертикальном, и снова измеряю его момент импульса. Результаты измерения будут очень сильно различаться.

В-третьих, квантовое состояние определяет вероятности для всего пространства в некий момент времени. Если состояние охватывает две частицы, измерение на одной из них мгновенно изменяет состояние другой, где бы та ни была, результатом чего становится «ужасное действие на расстоянии», так тревожившее Эйнштейна в отношении квантовой механики. Причина тревоги состояла в следующем: чтобы частицы могли реагировать одновременно, вселенная должна иметь «главные часы», которые теория относительно безоговорочно запрещает.

Квантовая механика, при всей противоречивости некоторых выводов, возвращает концепцию времени к классической механике Ньютона. Возможно, еще больше проблем, чем беспокоящее физиков отсутствие времени в теории относительности, создает ключевая роль времени в квантовой механике. Именно в этом кроется глубинная причина столь большой трудности создания единой теории.

Среди защитников течения времени ученый-физик из Канадского института теоретической физики Рафаэль Сорокин, который предложил теорию причинно-следственных множеств. Согласно этой теории мир представляет собой множество событий, называемое косетом, которое (множество) растет по мере возникновения новых событий в соответствии с правилами теории вероятности. Есть надежда, что этот процесс воспроизводит воспринимаемые нами черты пространства-времени, включая поток времени. Главный вопрос состоит, однако, в том, что порождает ли этот процесс миры, совместимые с теорией относительности.

Примирению общей теории относительности с квантовой механикой посвящено много исследований, в том числе теория суперструн, причинно-динамических разбиений, некоммуникативной геометрии. Их можно разделить на две группы.

Те физики, которые полагают, что наиболее надежным основанием может послужить квантовая механика, например, сторонники теории суперструн, берут за основу полнокровное время.

Те же, кто считает, что лучшая исходная точка – общая теория относительности, начинают с теории, в которой роль времени принижена, и поэтому скорее готовы принять идею о реальности без времени.

Чтобы выразить проблему достаточно отчетливо, Каллендер предлагает сосредоточиться на втором подходе. Главное положение данной стратегии он видит в том, что это, по сути, теория петлевой квантовой гравитации, которая ведет свое происхождение от канонической теории квантовой гравитации, развивавшейся в 1950-е и 1960-е годы. Идея состояла в том, что методы, которые были использованы для разработки квантовой теории электромагнетизма можно применить и для гравитации. Когда в конце 1960-х годов физики Джон Уиллер и Брайс Девитт попытались сделать это, они пришли к очень странному результату. Полученное ими уравнение не содержало переменной времени. Символ t, обозначающий время, просто выпал.

Это испугало физиков на целые десятилетия. Как это время могло исчезнуть? Сегодня этот вывод уже не представляется таким странным. Время почти полностью исчезло из общей теории относительности еще до того, как были предприняты попытки объединить его с квантовой механикой.

Если вы примите этот результат буквально, вам придется сделать вывод о том, что время физические не существует. По крайней мере, в некоторых исследованиях делается попытка переписать уравнения квантово механики без использования времени, как того требует теория относительности.

Возможность такого маневра обусловлена тем, что хотя в общей теории относительности глобальное время отсутствует, она способна описывать изменения. Делает это она, в сущности, непосредственно, соотнося физические системы друг с другом, а не с абстрактным понятием глобального времени. В мысленном эксперименте Эйнштейна наблюдатели определяют соотношение между событиями во времени путем сопоставления показаний часов с помощью световых сигналов. Можно описать изменения положения спутника на околоземной орбите с помощью показаний домашних часов и наоборот. При этом мы, в сущности, описываем соотношение двух физических объектов без использования глобального времени в качестве посредника. Появление морщин на лице можно корректировать с положением спутника на орбите. Выразить ускорение бейсбольного мяча можно не в метрах в секунду в квадрате, а в изменении ледника. И таких примеров множество. Изменения легко описать, не прибегая ни к чему.

Огромная сеть взаимных корреляций организована очень четко, поэтому можно ввести некий фактор, назвав его временем, и привязывать все события к нему, что избавит от необходимости отслеживать все прямые соотношения. С помощью физических законов, работающих во времени, можно точно и кратко суммировать все механизмы вселенной. Но этот удобный факт не свидетельствует о том, что время – фундаментальная часть мироздания. Время – это лишь удобная абстракция, не более реальная в природе, чем деньги.

Отказ от концепции времени привлекателен, но сопровождается множеством сложностей. В частности, он потребует радикального пересмотра квантовой механики. Вновь вернемся ненадолго к знаменитому примеру с кошкой Шредингера. Кошка находится между жизнью и смертью, и ее судьба зависит от состояния квантовой частицы. Согласно обычному ходу рассуждений, кошка после проведения измерения или какого-то иного эквивалентного процесса, принимает одно из двух состояний (становится живой или мертвой). Однако, состояние кошки никогда не определится. Несчастное животное может быть мертвым для самого себя, живым для человека в комнате, мертвым для другого человека и так далее.

Сделать момент гибели кошки зависящим от наблюдателя, как требует теория относительности – это одно. Гораздо удивительнее другое – что сам факт смерти животного становится относительным, как полагает Карло Ровелли из Средиземноморского университета в Марселе (Франция), один из основателей теории петлевой квантовой гравитации. Поскольку время столь важно, его исключение преобразует всю систему взглядов физиков на мир.

Даже если мир в своей основе не содержит времени, кажется, что оно все же существует. Перед любым сторонником квантовой гравитации встает неотложная необходимость объяснить, почему же мир представляется имеющим время. Общая теория относительности тоже не содержит ньютоновского времени, но она, по крайней мере, оперирует различными его частичными заменителями, которые в совокупности при слабой гравитации и малых относительных скоростях ведут себя так же, как ньютоновское время. В уравнении Уиллера – Девитта и этих заменителей нет. Предположения о том, как время (или хотя бы его иллюзия) может возникнуть из ничего, выдвинули английский физик Джулиан Барбор и Карло Ровелли. Однако каноническая квантовая гравитация уже предложила более разработанную теорию.

Идея, известная под названием полуклассического времени, возвращает нас к статье английского физика Невилля Мотта, опубликованной еще в 1931 году. В ней рассматривается соударение атома гелия с более тяжелым атомом. Для моделирования всей системы Мотт воспользовался уравнением, которое не содержит времени и обычно применяется к статическим системам. Затем он разделил всю систему на две подсистемы и использовал ядро гелия в качестве «часов» для атома. Примечательно, что по отношению к ядру гелия атом подчиняется стандартным уравнениям квантовой механики, содержащим время. Роль времени исполняет функция пространства. В итоге, хотя вся система в целом существует вне времени, ее отдельные части существуют во времени. Время для подсистем оказывается скрытым в не содержащем времени уравнения для всей системы.

Ряд физиков полагают, что вселенная в целом может не содержать времени, но если мысленно разделить ее на части, то некоторые из них смогут служить часами для других. Время возникает из безвременья. Мы воспринимаем время потому, что по своей природе представляем собой одну из таких частей.

Роман Марселя Пруста «В поисках утраченного времени» был вызван, видимо, исключением Эйнштейном времени из общей теории относительности: время исчезло, а как жить дальше? Художник великолепно ответил на этот непростой вопрос. Философское осмысление романов Пруста дал отечественный философ Мераб Мамардашвили.

Итак, как ни интересна, ни поразительна эта идея, она оставляет желать большего. Вселенная не может всегда оставаться разделенной на части, играющие роль часов. И в этих случаях теория не дает вероятностных прогнозов. Рассмотрение таких ситуаций потребует полной квантовой теории гравитации и более глубокого понимания сущности времени.

Физики начали с четко структурированного времени, воспринимаемого опытным путем, с неизменным прошлым, мгновенным настоящим и открытым будущим. Постепенно они разбирали эту структуру, и сегодня от нее осталось немного. Теперь им предстоит пройти весь путь обратно и реконструировать воспринимаемое время из времени нефундаментальной физики, которое само нужно будет реконструировать из системы корреляций между частями фундаментального статичного мира.

Французский философ Морис Мерло-Понти (1908 – 1961) говорит, что время на самом деле не течет, а его кажущееся течение представляет собой продукт тайного погружения в реку свидетельств его течения. Это значит, что склонность верить в течение времени – результат того, что мы сами забываем поместить себя и свои связи в общую картину. Мерло-Понти говорил о нашем субъективном восприятии времени и до недавних пор даже не предполагал, что само объективное время может быть объяснено как следствие таких связей.

Возможно, время существует только при условии, что мир разделен на подсистемы, и мы смотрим, что связывает их между собой. В этой картине время возникает потому, что мы воспринимаем себя отдельными от всего прочего.

Некоторые физики и философы считают, что проблема вмораживания вселенной, означающая, что времена не меняются, уходит корнями в один из основополагающих принципов теории относительности – принцип общей ковариантности. Согласно этому принципу, законы физики одинаковы для всех наблюдателей. Физики обычно рассматривают этот принцип с точки зрения свойств пространства и времени. Для двух наблюдателей пространство-время будет иметь разные формы в зависимости от того, кто из них движется, и какие силы при этом действуют.

В конце 1980-х годов философы Джон Эрман и Джон Д.Нортон из Питсбургского университета утверждали, что ковариантность заставляет задуматься о вечном вопросе метафизики. Вопрос поставлен так: существует ли пространство и время независимо от звезд, галактик и веществ, их составляющих (положение, получившее название субстанционализм), или же они представляют собой всего лишь искусственно введенные параметры для описания того, как соотносятся физические объекты (реляционизм).

Нортон и Эрман пересмотрели давно забытый мысленный эксперимент Эйнштейна. Рассмотрим брешь в пространстве-времени. Вне этой пустой области распределение материи фиксирует геометрию пространства-времени согласно уравнениям общей теории относительности. Однако внутри ковариантность позволяет пространству-времени принимать любые формы. Если пространственно-временной континуум сам по себе сущность (так утверждает теория субстанционализма), то общая теория относительности должна быть недетерминированной. Иначе говоря, описание мира должно содержать элемент случайности. Чтобы теория была детерминистской, пространство и время должны быть чистым вымыслом (это соответствует реляционистскому подходу).

На первый взгляд это говорит о победе теории реляционизма. К тому же другие теории, такие теории, как электромагнитного поля, основываются на принципах симметрии, напоминающих реляционизм. Но у реляционизма есть свои недостатки. Он порождает проблему «замороженного» времени: пространство может изменяться со временем, но все его возможные формы эквивалентны, следовательно, на самом деле оно никогда не изменяется. Более того, теория реляционизма сталкивается с субстанционалистскими основами квантовой механики. Если пространство-время не имеют фиксированного смысла, разве вообще возможно проводить наблюдения в определенных местах и в определенные моменты времени, как того, казалось бы, требует квантовая механика? Различные пути решения данной дилеммы ведут к очень разным теориям квантовой гравитации. Некоторые исследователи пытаются применить релятивистский подход. Они полагают, что время не существует, ищут возможность объяснить изменения как иллюзии. Другие ученые, включая тех, кто занимается теорий струн, склоняются к субстанционализму.

Это хороший пример того, насколько ценен философский подход в физике. Если кто-то думает, что проблема времени в канонической теории квантовой гравитации – исключительно проблема квантовой физики, это говорит о непонимании сути проблемы, так как она существует давно и носит общий характер.

Второй пример взаимодействия физиков и философов касается стрелы времени – асимметрии между прошлым и будущим. Многие полагают, что стрела времени объясняется вторым законом термодинамики, который гласит: энтропия, для простоты определяемая как количество беспорядка внутри системы, увеличивается с течением времени.

Однако дело в том, что общепринятое объяснение второго начала термодинамики, выдвинутое австрийским физиком Больцманом, носит вероятностный характер. Основная идея заключается в том, что беспорядочных состояний системы гораздо больше. Если в настоящий момент система довольно упорядочена, то в следующий момент времени она, скорее всего, будет находиться в более беспорядочном состоянии. Однако это рассуждение симметрично во времени: в предыдущий момент система тоже могла быть более неупорядочена. По Больцману, единственным способом гарантировать рост энтропии в будущем становится низкое значение энтропии системы в предыдущий момент времени. Таким образом, второй закон не носит абсолютного характера.

Другие теории о стреле времени также несовершенны. Утверждается, например, что почти каждая попытка объяснить асимметрию времени включает логическую ошибку: рассуждения, как правило, скрывают в себе предположение о асимметричности времени. Подобные работы могут быть полезны в качестве интеллектуальной совести практикующего физика, пишет Дж.Массер. Жизнь была бы скучна, если бы мы всегда прислушивались к своей совести, и физики всегда поступали правильно, когда игнорировали философов. Но иногда совесть – единственное оружие в вечной борьбе с логическими ошибками.

Путешествие во времени

В повседневной жизни мы не замечаем искажений времени, поскольку они проявляются лишь при околосветовых скоростях. Даже скорость самолетов настолько мала, что растяжение времени за обычный авиаперелет составляет лишь несколько наносекунд. Тем не менее, атомные часы достаточно точны, чтобы этот временной сдвиг и доказать, что время при движении растягивается.

Чтобы пронаблюдать действительно заметные искажения времени, нам понадобится заглянуть за пределы повседневного опыта. В больших ускорителях элементарные частицы могут быть разогнаны до скоростей, близких к скорости света. Наблюдения показывают, что в соответствии с теорией Эйнштейна мюоны распадаются медленнее. Для неподвижного наблюдателя заметные временные искажения испытывают и частицы космических лучей. Скорость – один из способов перенестись в будущее. Часы в космосе идут быстрее, чем на Земле. Эти искажения времени учтены при создании GPS, иначе моряки и крылатые ракеты постоянно сбивались бы с курса.

Гравитация нейтронных звезд настолько велика, что время на их поверхности замедляется примерно на 30% по сравнению со временем на Земле. Если бы некий космонавт сумел приблизиться к черной дыре на малое расстояние, а затем вернуться живым и невредимым, то он смог бы оказаться в далеком будущем.

Каким же образом можно было бы реализовать идею путешествия во времени? Самой большой проблемой при создании туннельной машины времени является построение пространственно-временного туннеля. Отправной точкой исследований стало предположение о том, что такой туннель должен быть схож с черной дырой, являясь телом с чудовищной силой тяготения. Возможно, наше пространство пронизано такими туннелями еще со времени Большого взрыва. В таком случае высокоразвитая цивилизация могла бы воспользоваться ими. Пространственно-временные туннели могут возникать в микроскопических масштабах и иметь размеры порядка атомного ядра. В принципе такой туннель может быть стабилизирован энергетическим импульсом и затем как-нибудь растянут до приемлемых размеров. Короче говоря, чтобы такой туннель был проходимым, он должен содержать некую экзотическую материю. Это должно быть нечто, что создаст антигравитационное поле, и тем самым будет препятствовать превращению массивной системы в черную дыру под воздействием собственной гигантской массы. Источником антигравитации, или гравитационного отталкивания, может стать отрицательная энергия (отрицательные энергетические состояния присущи некоторым квантовым системам).

Затем необходимо будет обеспечить устойчивость этого туннеля. Введение в него отрицательной энергии, полученной квантовыми методами при помощи так называемого эффекта Казимира, позволит сигналам и материальным объектам безболезненно проходить через звездные врата. Отрицательная энергия будет препятствовать стремлению туннеля сжаться в точку с бесконечной плотностью и стать черной дырой.

С помощью космического корабля можно было бы отбуксировать один из входов туннеля к поверхности нейтронной звезды, обладающей невероятной плотностью и мощным полем тяготения, которое замедлит ход времени. При этом на другом конце туннеля время будет лететь быстрее и входы звездных врат окажутся разделенными не только в пространстве, но и во времени.

В науке рассматривается и вариант перемещения в прошлое. В 1948 году Курт Гедель нашел решение для составленных Эйнштейном уравнений гравитационного поля, описывающих вращающуюся вселенную. Путешествуя в пространстве такой вселенной, космонавт может достичь своего прошлого. Это происходит вследствие взаимодействия поля тяготения на электромагнитные волны. В такой вселенной свет (и, соответственно, причинно-следственная связь между объектами) будет вовлечен во вращательное движение, что позволит материальным объектам описывать траектории, замкнутые не только в пространстве, но и во времени.

Решение Геделя отложили в сторону как математический парадокс, поскольку нет свидетельств тому, что наша вселенная вращается. Тем не менее, полученный им результат показал, что теория относительности не исключает перемещения назад во времени. Эйнштейн был весьма озабочен этим фактом.

Были предложены и другие сценарии путешествия в прошлое, но все они, в конце концов, сошлись на необходимости создания описанного выше туннеля.

Макс Тегмарк, профессор физики и астрономии Пенсильванского университета, поднимает вопрос о том, в какой мере физики и математики могут, стоя на философских позициях, лучше понять вселенную. (Тегмарк М. Параллельные вселенные// /В мире науки, № 8, 2010с, с. 23 – 33). Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что параллельные вселенные уже не метафора. Пространство, по-видимому, бесконечно, за пределами досягаемости телескопов существуют области пространства, идентичные нашей и в этом смысле являющиеся параллельными вселенными. Существует возможность вычислить, как далеко они от нас находятся.

Границы физики постоянно расширяются, включая все более отвлеченные представления, например, о шаровидной Земле, невидимых электромагнитных полях, замедлении времени при больших скоростях суперпозиции, квантовых состояний, искривлении пространства и черных дырах. Представление о сверхвселенной основано на проверенных теориях – квантовой механике и теории относительности, оно отвечает основным критериям эмпирической науки: позволяет делать прогнозы, и может быть опровергнуто.

Ученые рассматривают четыре типа параллельных вселенных. Главный вопрос не в том, существует ли сверхвселенная, а сколько уровней она имеет?

Уровень первой сверхвселенной очевиден. Пространство может быть конечным, если оно имеет положительную кривизну или необычную топологию. Сферическая, тороидальная или кренделевидная, вселенная может иметь конечный объем, не имея границ. Фоновое космическое микроволновое излучение позволяет проверить существование подобных структур. Другой вариант сводится к предположению о том, что пространство бесконечно, но материя сосредоточена в ограниченной области вокруг нас. Здесь будут действовать те же законы физики, но при иных стартовых условиях.

Теперь о сверхвселенной второго уровня. Если нам трудно представить сверхвселенную первого уровня, то попытка представить бесконечное множество таких сверхвселенных еще более затруднена. У физиков, при оценке параметров этой вселенной, преобладает мнение, что размерность пространства-времени, свойства элементарных частиц и многие так называемые физические константы не встроены в физические законы, а являются результатом процессов, известных как нарушение симметрии. Предполагают, что пространство в нашей вселенной некогда имело девять равноправных измерений. В начале космической истории три из них приняли участие в расширении и стали теми измерениями, которые характерны для нас. Шесть остальных сейчас невозможно обнаружить либо потому, что они остались микроскопическими, сохранив тороидальную топологию, либо потому, что вся материя сосредоточена в трехмерной поверхности (мембране, или просто бране) в девятимерном пространстве. Так была нарушена исходная симметрия измерений. Существует к тому же модель Пола Стейнхардта из Принстонского университета и Нила Тьюрока из Кембриджского университета. Модель восходит к идее физика Ричарда Толмена о цикле рождений и разрушений вселенной, которая предусматривает трехмерную брану, совершенно параллельную нашей, и лишь смешанную относительно нее в измерении более высокого порядка. Небольшое изменение физических констант, определяемых нарушением симметрии, приводит к качественно иной вселенной. Будь масса протона больше всего на 0,2%, протоны распались бы с образование нейтронов, делая атомы нестабильными. Будь силы электромагнитного взаимодействия слабее на 4%, не существовало бы водорода и обычных звезд.

Третий уровень сверхвселенной лежит вокруг нас. Он возникает из знаменитой и весьма спорной интерпретации квантовой механики – идеи о том, что случайные квантовые процессы заставляют вселенную размножаться, образуя множество своих копий – по одной для каждого возможного результата процесса. В свое время квантовая механика объясняла природу атомного мира, который не подчинялся законам классической ньютоновской механики. Велись споры о том, в чем же истинный смысл новой теории. Она определяет состояние вселенной не в таких понятиях классической механики, как положения и скорости всех частиц, а через математический объект, называемый волновой функцией. Согласно уравнению Шредингера, это состояние изменяется с течением времени таким образом, который математически определяют термином унитарный. Он означает, что волновая функция вращается в абстрактном бесконечномерном пространстве, называемом гильбертовым. Хотя квантовую механику часто определяют как принципиально случайную и неопределенную, волновая функция эволюционирует вполне детерминистским образом. В отношении нее нет ничего случайного или неопределенного.

Самое трудное состоит в том, чтобы связать волновую функцию с тем, что мы наблюдаем.

Общий вывод таков: начальные условия и физические константы в супервселенных первого, второго и третьего уровней могут различаться, но фундаментальные законы физики одинаковы.

И здесь мы должны остановиться на том, что существуют две логичные, но диаметрально противоположные парадигмы соотношения математики и физики, возникшие еще в античности. Согласно парадигме Аристотеля, физическая реальность первична, а математический язык является лишь удобным приближением. В рамках парадигмы Платона, истинно реальны именно математические структуры, а наблюдатели воспринимают их несовершенно. Иными словами, эти парадигмы различаются пониманием того, что первично – лягушачья точка зрения наблюдателя (Аристотеля) или птичий взгляд с высоты (точка зрения Платона).

Парадигма Аристотеля – это то, как мы воспринимали мир с раннего детства, задолго до того, как впервые услышали о математике. Точка зрения Платона – это приобретенное знание. Современные физики-теоретики склоняются к ней, предполагая, что математика хорошо описывает вселенную именно потому, что вселенная математична по своей природе. Тогда вся физика сводится к решению математической задачи, и безгранично умный математик может лишь на основании фундаментальных законов рассчитывать картину мира на уровне лягушки, т.е. вычислить, какие наблюдатели существуют во вселенной, что они воспринимают, и какие языки они изобрели для передачи своего восприятия. Математическая структура – абстракция, неизменная сущность вне времени и пространства. Если бы история была кинофильмом, то математическая структура соответствовал бы не одному кадру, а фильму в целом. Возьмем для примера мир, состоящий из частиц нулевых размеров, распределенных в трехмерном пространстве. С точки зрения птицы, в четырех размерном пространстве-времени траектория частиц представляет собой «спагетти». Если лягушка видит частицы, движущимися с постоянными скоростями, то птица видит пучок прямых не сваренных спагетти. Если лягушка видит две частицы, обращающиеся по орбите, то птица видит две «спагеттины», свитые в двойную спираль. Для лягушки мир описывают законы движения и тяготения Ньютона, для птицы – толстый их клубок, сложное переплетение которых соответствует группе частиц, хранящих и перерабатывающих информацию. Наш мир сложнее рассмотренного М.Тегмарком примера, и ученые не знают, какой из математических структур он соответствует.

В парадигме Платона заключен вопрос, почему наш мир таков, как он есть, а мог бы он быть иным? Для Аристотеля этих вопросов просто не существует.

Если вселенная математична по сути, то почему в ее основе лежит только одна из множества математических структур, получается, что фундаментальная асимметрия заключена в самой сути природы? Ответ на эту загадка заключается в предположении о том, что все математические структуры реализуются физически, и каждая из них соответствует параллельной вселенной.

Элементы этой вселенной не находятся в одном и том же пространстве, но существуют вне времени и пространства. В большинстве из них, вероятно, нет наблюдателей. Гипотезу можно рассматривать как крайний платонизм, утверждающий, что математические структуры платоновского мира идей существуют в физическом смысле. Это сродни тому, что космолог Джон Барроу из Кембриджского университета назвал «p» в небесах, философ Роберт Нозик из Гарвардского университета описывал как «принцип плодовитости», а философ Дэвид Льюис из Принстонского университета именовал модальной реальностью.

Таким образом, четвертый уровень сверхвселенной замыкает иерархию, поскольку любая самосогласованная физическая теория может быть выражена в форме некой математической структуры.

Если переходить к выводам, то они таковы. Во-первых, сложность наших построений лишь возрастает, когда мы акцентируем внимание на отдельном элементе ансамбля, теряя симметрию и простоту, свойственные совокупности всех элементов. В этом смысле сверхвселенные более высоких уровней проще. Переход от нашей вселенной к сверхвселенной первого уровня исключает необходимость задавать начальные условия. Дальнейший переход ко второму уровню устраняет необходимость задавать физические константы, а на четвертом уровне вообще ничего задавать не нужно. Чрезмерная сложность – лишь субъективное восприятие. А с позиции птицы, эта сверхвселенная едва ли может быть проще.

Во-вторых, все жалобы на непостижимость имеют эстетическую, а не научную природу, и оправданы лишь при аристотелевском мировосприятии. Когда мы задаем глубокий вопрос о природе реальности, не следует ли нам, пишет М.Тегмарк, ожидать ответа, который может показаться странным? Эволюция снабдила нас интуицией в отношении повседневной физики, жизненно важной для наших далеких предков, поэтому, как только мы выходим за рамки повседневности, мы вполне можем ожидать странностей.

Химия

Все живые организмы состоят из органических соединений. Так устроено в природе, что «молекулярный скелет» абсолютно всех органических молекул – это более или менее сложная цепочка соединенных между собой атомов углерода. Связь «углерод – углерод» - это самая важная химическая связь для всего живого на земле. Атом углерода, как и все прочие атомы, представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное слоями электронных облаков. Но для химиков представляет интерес только внешний слой, потому что именно с наружными облаками обычно случаются превращения, которые и называются химическими реакциями. В процессе такой реакции атом стремится достроить свой внешний электронный слой так, чтобы вокруг ядра крутились 8 электронов. Сам по себе атом углерода имеет только 4 внешних электрона, поэтому в химической связи с другими атомами он стремится обобществить 4 чужих облака. Так, в простейшей органической молекуле – метане – атом углерода совместно владеет электронами с 4 атомами водорода.

А теперь представим, что нам надо синтезировать очень сложную органическую молекулу, похожую на ту, которая встречается в природе. Природные вещества зачастую обладают полезными свойствами – излучают свет, оказывают антибактериальное воздействие, полимеризируются. Наладить такого рода синтез в лабораторных условиях чрезвычайно важно. Белковые молекулы синтезируются методами генетической инженерии, а небелковые приходится создавать в лабораторных условиях, что очень сложно. Несколько маленьких органических молекул служат строительными блоками будущей сложной природной конструкции. Как заставить их взаимодействовать между собой? Ведь атом углерода в органической молекуле стабилен и ни в какие реакции с другими атомами вступать не намерен.

Как расшевелить атом углерода, сделать его реакционноспособным? Использование палладия стало очень удачным выходом, он оказался идеальным местом встречи атомов углерода. На атоме палладия два атома углерода располагаются так близко, что между ними может начаться взаимодействие. За решение данной проблемы Нобелевской премии по химии за 2010 год были удостоены Ричард Хек (США), Ей-ичи Негиши (гражданин Японии, преподает в США) и Акира Сузуки (Япония).

Химия занята изучением строения веществ и происходящих с ними превращений на атомно-молекулярном уровне. Химия живых и неживых существ изучалась довольно широко, а вот химический переход от безжизненных веществ к той сложной системе взаимодействующих молекул, где отражаются все отправления (функции), именуемые нами жизнью, остается крупнейшей проблемой химии. Итак, какого рода химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?

По мере расширения и охлаждения вселенной кварки, объединяясь, породили лептоны и нейтроны, а ядерный синтез – ядра гелия, составившие 25% вещества вселенной. Остальное вещество находилось в виде протонов. С течением времени под действием силы тяготения стали скапливаться огромные газовые облака, образуя галактики и звезды.

В сердцевине этих звезд образовались атомные ядра тяжелее ядер гелия. По завершении отпущенного им срока эти звезды взрывались, извергая множество ядер в межзвездное пространство, где большая их часть притягивала к себе электроны, образуя ту форму материи, которая известна нам ныне – атомы. Некоторые атомы оказались в составе огромных «облаков» (туманностей), которые срастались, образуя небесные тела: светила и планеты.

У атомов появились общие электроны, что привело к образованию молекул. Все вопросы, касающиеся объединения атомов, их количества, скорости объединения (реакции), величины поглощаемой или выделяемой при этом энергии, находятся в ведении той отрасли знания, которая называется химия. Химические изменения изображаются в виде следующей цепи уравнений:

Реагирующие атомы или молекулы – их сочетания – возникновение производных атомов и молекул.

Один из атомов – гелий – дает нам возможность подступиться к разгадке тайны жизни. От распределения электронов в углероде зависит образование четырех ковалентных связей в виде общих с другими атомами пар электронов. Это могут быть одиночные, двойные или даже тройные связи. К тому же атомы углерода легко соединяются между собой. Такая гибкость в выборе связей позволяет молекулам принимать различные формы – от самых простых до крайне сложных.

Молекулы на основе углерода изначально могли быть относительно простыми, но способность углерода к связыванию позволяла им становиться все более сложными, что в итоге привело к сложной системе, именуемой жизнью. Химический процесс представлен следующей схематической цепочкой:

Простые атомы – простые молекулы – сложные молекулы – более сложные молекулы – еще более сложные молекулы – система очень сложных молекул – сложная система под названием жизнь.

Существует несколько версий относительно происхождения жизни, кратко рассмотрим их.

Гипотеза о сверхъестественном происхождении жизни предполагает, что жизнь возникла в результате божественного творения (креационизм). Наука принципиально исключает такого рода процессы.

Гипотезу о самопроизвольном (спонтанном) зарождении сложных форм жизни опроверг Луи Пастер в начале 1860-х годов, поставив многолетний опыт, который убедительно показал, что вещество, изолированное от своего окружения, неспособно породить жизнь. С научной точки зрения в его опытах смущало только одно. Ведь, если каждый живой организм происходит от предшествующих живых организмов, то каким образом появился самый первый живой организм?

Гипотеза о возникновении жизни извне. Уже Анаксагор (ок.500 – ок.428) рассуждал о «семенах вещей», которые рассеянны во вселенной и присутствуют во всех организмах, что может быть истолковано как представление о панспермии, в соответствие с которой жизнь на планету пришла извне. Это предположение в 1871 году усилил шотландский физик Томпсон, лорд Кельвин, когда обнаружил в метеоритах углерод. Еще более усилил эту гипотезу немецкий физик Герман фон Гельмгольц, заявив, что жизнь может быть так же стара, как и сама материя. Но где бы ни зародилась жизнь, исходным материалом для нее служила неживая материя.

А в 1907 году шведский химик Сванте Аррениус, удостоенный Нобелевской премии за теорию электрической диссоциации, написал книгу, которую назвал «Образование миров». Он предположил, что жизнь где-то зарождается, пробивается сквозь атмосферу других планет и странствует во вселенной в виде спор, подталкиваемая давлением света от находящейся в центре этой планетарной системы звезды. Эта мысль долго будоражила умы исследователей, одни исследования показали, что споры, помещенные в ультрафиолетовое излучение Солнца, погибают, другие, что они выживают.

Вот что пишут Дэвид Уормфлэш, астробиолог из Хьюстонского университета и Бенджамин Вейсс из Массачусетского технологического института. (Уормфлэш Д., Вейсс Б. Родом из космоса// В мире науки, № 2, 2006, с. 28 – 33). Как показали исследования, выполненные Европейским космическим агентством, из всех спор, защищенных алюминиевой фольгой от излучения, жизнеспособными после пребывания в космосе оставались 80%, а при возвращении на Землю из них развивались нормальные бактериальные клетки. Большая часть спор, которая не была защищена, погибла, но одна из 10 тысяч осталась невредимой.

Еще большей стойкостью к действию радиации, чем споры, обладает бактерия, выделенная биологом Артуром Андерсоном в 1950-х годах. Этот микроорганизм не погибает даже при дозах облучения, применяющихся при стерилизации пищевых продуктов, более того, он размножается внутри ядерных реакторов. Окажись организмы с подобными свойствами в составе метеоритов, какая-то часть их вполне выдержит многолетнее странствие в космическом пространстве, хотя такого рода эксперименты не проводились.

Гипотеза о самопроизвольном зарождении жизни на самой Земле. В 1924 году русский биохимик Александр Опарин обнаружил, что белки, находящиеся в растворенном состоянии могут слипаться, образуя сгустки, которые он навал коацерватами, заявив, что они способны на метаболизм. А далее опережение в росте, борьба за выживание, естественный отбор установили такой вид устроения материи, который теперь присущ всему живому. В 1929 году его, по сути, повторил британский биохимик Дж.Б.С.Холдейн, проводя опыты о влиянии ультрафиолетового излучения на атмосферу Земли, в процессе которого могли возникнуть органические соединения, породившие жизнь.

В ходе опытов, который проводил Стэнли Миллер, аспирант Нобелевского лауреата Гарольда Клейтона (Чикагский университет, США), гипотеза Опарина – Холдейна получила подтверждение. И хотя полностью сформировавшиеся живые организмы так и не были получены, само получение в опытах молекулярных соединений, необходимых для обеспечения жизни, было прорывом. А далее наступает эпоха ДНК: Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик установили исходное строение молекул, отвечающей за наследственность, а именно – дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК.

После того, как молекулярные биологи приступили к упорядочиванию запутанных отношений между ДНК, РНК (рибонуклеиновой кислотой), белками и прочими молекулами, обеспечивающими жизнедеятельность живых организмов, стали известны дополнительные сведения о молекулярных взаимодействиях.

В чем состояли принципиальные изменения? Ранее живые организмы описывались в соответствии с присущими им функциями, где важнейшие:

-метаболизм: поглощение энергии, ее усвоение и вывод отходов;

-рост и восстановление: достижение нужных размеров и устранение неполадок;

-ответ на раздражители: выполнение действий в соответствии с внешними событиями;

-воспроизводство: создание себе подобного организма.

Современная биология избрала другой путь. Она исходит из того, что любое живое существо – клеточное. Отдельный организм может быть одноклеточным или состоять из множества взаимодействующих специализированных клеток, но в основе всех организмов лежит клетка. Каждая клетка обладает мембранной оболочкой для обособления ее от остального мира. Внутри этой мембраны содержится полный набор команд по работе и восстановлению клетки. Эти команды записаны в виде кода в ДНК.

Сейчас уже ясно, что существует не два вида клеток, а три. Они различаются размещением команд: эукариоты имеют ядро, прокариоты его не имеют, археи сходны с прокариотами (у них нет ядра), но обладают помимо таких же, как у эукариот, еще присущими только им генами.

ДНК архей содержится в простой кольцевой молекуле, а не в нескольких скрученных молекулах, где хранятся ДНК эукариот. Большинству архей присущ метаболизм без участия кислорода (анаэробные археи), а некоторые (именуемые экстремофилами) обитают в условиях, при которых не выживали бы иные организмы. Гипертермофилы, обитающие в воде с температурой выше точки кипения, были обнаружены в горячих источниках, а другие – в соленой или кислотной среде вроде пресноводных озер под антарктическими льдами, соленых озер. Археи считаются самыми древними клетками, предшествующими прокариотам и эукариотам, по своей виду они ближе всего к самой ранней форме жизни. Отсутствие ядра и более простая ДНК делают архею возможным основанием для первичного простого организма.

Говоря о функциях клетки, мы будем рассматривать информацию о том, что собой представляет молекула ДНК. В первую очередь это сравнительно длинная двойная спиральная молекула, состоящая из соединенных попарно нуклеотидов. Геном человека состоит из трех миллиардов пар нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит одно из четырех азотистых оснований – A, C, G, T.

Звено между этими нуклеотидами соединяет пары азотистых оснований, которые связаны между собой заданным образом: аденин (A) – лишь с тимином (T), а гуанин (G) – с цитозином (C), это так называемые пары оснований Уотсона – Крика. Молекула ДНК строит молекулы РНК (матричной – мРНК, транспортной – тРНК и рибосомной – рРНК), представляющие собой одинарные спиральные цепочки нуклеотидов. Нуклеотиды РНК имеют то же строение, что и ДНК, только место тимина занимает урацил.

Двухцепочная ДНК слишком велика, чтобы пройти сквозь отверстия в мембране ядра у эукариот, тогда как одноцепочечная и более короткая матричная РНК свободно туда проходят. Прокариоты не сталкиваются с подобной трудностью, так как их ДНК не заключена в ядре. ДНК реплицируется (удваивается) расщеплением связей посередине с последующим восстановлением комплиментарных половин самой молекулы посредством спаривания соответствующих азотистых оснований Уотсона – Крика. Расщепление и восстановление требуют участия ферментов. РНК, переписанная с ДНК, затем строит белки, состоящие из длинной цепочки аминокислот. Схема:

ДНК – РНК – белки.

Белки обеспечивают отправления (функции) клетки, запуская определенные химические реакции внутри клетки: реакции, строящие требуемые части клетки, переваривающие пищу, запасающие энергию и обеспечивающие иные функции. Для уяснения работы белковых ферментов, ускоряющих течение лишь определенных химических реакций, рассмотрим, как человеческий организм получает энергию: в процессе окисления сахаров и жиров. Такое же окисление происходит во внешнем мире. Взять, например, горение сахара-сырца, воспламенение жира – оба процесса требуют очень высокой температуры. Как же решает подобные задачи организм человека? Собираемые РНК белки позволяют химическим реакциям протекать при значительно меньшей температуре тела, хотя их самих реакций не затрагивает, так что они не расходуются. Обычно подобные молекулы именуют катализаторами. В случае с биологическими молекулами катализаторами выступают ферменты (энзимы). Часто ферменты временно связывают сложные молекулы. Замедляя движение этих молекул, ферменты дают им возможность соединяться с другими сложными молекулами.

Каталитический дожигатель выхлопных газов в автомобиле служит примером небиологического катализатора. Разделенные частицы платины, палладия или родия расщепляют окиси азота, высвобождая кислород и азот, соединяют угарный газ с кислородом для получения углекислого газа либо расщепляют несгоревшие углеводороды до двуокиси углерода и воды.

ДНК и РНК представляют собой сочетание нуклеотидов, каждый из которых состоит из фосфата, сахара (рибозы или дезоксирибозы, т.е. той же рибозы, но без одного атома кислорода, когда гидроксильная группа ОН при одном из атомов углерода заменена на атом водорода Н, и азотистых оснований). Белки – длинные цепочки из аминокислот. Каждая такая цепочка именуется полимером. Единичные молекулы называются мономерами, а сборку больших молекул из маленьких именуют полимеризацией.

Одна из реакций полимеризации – конденсация, при которой два мономера связываются, вызывая выпадение молекулы воды и образуя так называемый димер (двухчастный). Три связанных мономера именуют триммером, четыре – тетрамером и так далее. Обычно при соединении двух мономеров образовавшуюся молекулу называют полимером (многочастной). Примером небиологической реакции полимеризации, сопровождающейся конденсацией, может служить схватывание бетона. Силикатные мономеры образуют полимеры, избыток воды испаряется, а смесь гравия с песком заключается внутрь полимерной массы. В итоге получается очень прочное соединение.

Итак, ДНК содержит чертежи всех белков, включая ферменты, а РНК собирает ферменты, часть которых ускоряет репликацию ДНК. Ферменты невозможно собрать без чертежей от ДНК, а ДНК не в состоянии самовоспроизводиться без ферментов. Что же было раньше, а что потом?

Выход из затруднения предложил биохимик Лесли Оргел в 1960-е годы. РНК несла достаточное количество генетической информации, но если бы она еще могла выступать в роли ферментного катализатора, то была бы способна решать задачи и ДНК, и белков. В таком случае исходной молекулой была бы не ДНК или белки, а РНК. Кроме того, молекулы РНК легче синтезировать по сравнению с ДНК, и ДНК могла бы развиться из РНК.

На протяжении 1970-х годов в роли ферментов отмечались одни белки. Но в начале 1980-х годов молекулярные биологи Томас Чек и Сидни Олтмен обнаружили, что и РНК может выступать в качестве катализатора. Теперь известно около 100 ферментативных РНК, именуемых рибозами.

Это открытие пролило свет на вопрос о происхождении жизни. Уолтер Гилберт из Гарвардского университета в 1986 году ввел в оборот понятие РНК-мир. Вот что он писал. Первую стадию эволюции затем продолжают молекулы РНК своей каталитической деятельностью, необходимой для собственной сборки из нуклеотидного бульона. Молекулы РНК развиваются в способные к самоудвоению формы, используя рекомбинацию и мутацию для освоения новых ниш. Потом они обретают всю совокупность ферментативной деятельности. На следующей стадии молекулы РНК начинают синтезировать белки, сначала создавая адаптирующиеся молекулы РНК, способные связывать активированные аминокислоты, а затем выстраивая их согласно матрице РНК с использованием других молекул РНК вроде ядра РНК рибосомы. Этот процесс привел бы к созданию первых белков, которые оказываются лучшими ферментами, нежели их собраться из РНК. Эти белковые ферменты складываются из минимальных составляющих структуры.

Рассмотрим подробнее гипотезу РНК-мир, и начнем с того отдаленного времени, когда только возникала Солнечная система. Наше предсолнце тогда состояло из сердцевины (ядра), где тяготение сближало протоны до такой степени, что происходил ядерный синтез, и газовой атмосферы, которая нагревалась под действием испускаемой энергии. На первой ступени жизни предсолнца в его сердцевине происходило слияние водородных ядер (протонов) с образованием ядер гелия (именуемых альфа-частицами). Атмосфера ярко светилась под действием выделяемой из недр предсолнца энергии.

Со временем водород в сердцевине частично выгорел. Отсутствие топлива привело к сжатию сердцевины и повышению ее температуры, что вызвало расширение атмосферы и ее красное свечение. Между тем сжавшаяся сердцевина нагрелась до такой степени, что началось слияние трех ядер гелия с образованием ядер углерода, и эта переработка гелия в углерод получила название тройного альфа-процесса, или тройной гелиевой реакции. Ввиду большой массы предсолнце обладает большой силой тяготения, так что гелий быстро выгорает. Сердцевина опять сжимается, температура ее повышается, и в итоге новые реакции синтеза порождают элементы тяжелее углерода. Слияние ядер происходит послойно, так что сердцевина крупной звезды напоминает луковицу, где каждому слою соответствует своя реакция синтеза. Атмосфера расширяется и сжимается слегка, не поспевая, однако, за изменениями в сердцевине (она старается предотвратить вызванное тяготением сокращение, и таким образом синтезируются все более тяжелые ядра). Когда начинается образование ядер железа, синтез подходит к концу. Образование ядер железа оказывается не столь энергетически выгодным, и синтез более тяжелых ядер идет на спад. Неотвратимо приближается коллапс сердцевины, она взрывается, выбрасывая некоторую часть и всю атмосферу в межзвездное пространство.

Вещество, состоящее из 70% водорода, 28% гелия и 2% более тяжелых элементов, разлетается с огромной скоростью. Замедляя свое движение под действием сил тяготения, исторгнутое вещество наполняет межзвездное пространство более тяжелыми ядрами.

История жизни предсолнца позволяет объяснить происхождение тяжелых ядер в нашей солнечной системе и на Земле, однако крупные звезды по астрономическим меркам имеют непродолжительный срок жизни – от миллионов до сотен миллионов лет. Так что до образования солнечной системы могли существовать тысячи предсолнц. Получается, что в газовом облаке, уплотнившемся под действием притяжения и давшем нам начало, возможно, присутствовали ядра, образованные предшествующими звездами.

Наше Солнце не столь массивно. Образование Земли протекало сходным со звездами образом, но здесь, вследствие значительно меньшей массы, у слипшихся частиц слияния ядер не происходило. Слипшиеся частицы сталкивались и скучивались, так что более плотное вещество оседало в сердцевине (ядре), а менее плотное поднималось на поверхность планеты.

Частицы газа и пыли сталкивались друг с другом, объединялись в ходе так называемого сращения и в итоге образовали горячую первобытную землю. Сросшиеся массы, именуемые планетезималями, продолжали падать на поверхность молодой Земли. Возможно, одна крупная планетезималь по касательной столкнулась с Землей, выбив из нее вещество, давшее начало Луне, а также заставив ее вращаться.

По мере охлаждения Земли происходила конденсация воды, шло образование морей и океанов. Газовая атмосфера состояла из водяных паров, углекислого газа, аммиака, метана и небольшого количества оставшегося водорода, не утраченного Землей ввиду присущей ей слабой силы тяготения. Свободного кислорода, по сути, не было, так как даже имевшиеся крохи оказались в связанном состоянии.

При таком развитии событий на Земле могли начаться химические реакции. Простые молекулы при химическом взаимодействии образуют аминокислоты – предшественники азотистых оснований. Опыт Стэнли Миллера (1953), благодаря случайным реакциям, дал множество органических молекул, некоторые из них представляли аминокислоты – предшественницы азотистых оснований.

Проводились сходные опыты с использованием различных вещество и ультрафиолетового излучения вместо электрических разрядов, однако результаты получались одинаковыми: в различных количествах получались все 20 аминокислот, присутствующих в живых организмах. Такой процесс мог начаться в атмосфере, а потом перейти в толщу океана. Или же он начался глубоко под водой в океане близ гидротермальных отдушин, где высокая температура давала энергию и ускоряла химические реакции. Но поскольку жизни еще не было, молекулы могли собираться в тоще океана без поглощения их организмами-санитарами, как происходило бы сегодня.

Простые молекулы при химическом взаимодействии образуют рибозу. Хотя реакция возникла, полная цепочка реакций, приводящая к образованию рибозы в качестве основного продукта, еще не наблюдалась. В реакциях, где рибоза является побочным продуктом, выход большей частью мал, чтобы иметь устойчивые реакции для получения молекул в достаточном количестве для начала жизни. Возможно, ученые не выявили требуемых реакций для образования нужной рибозы, или же тогда присутствовали уникальные неорганические либо органические катализаторы. Вместо того, чтобы следовать подходу Миллера и продолжать «варить» простые молекулы все дольше и дольше, ученые перескочили этот этап и приступили к соединению промежуточных молекул, чтобы увидеть, как мог протекать дальнейший процесс.

Простые молекулы при химическом взаимодействии образуют фосфорную кислоту. Это простая неорганическая реакция, совершаемая атомами фосфора, которые получаются при выветривании скальных пород.

Азотисты основания и рибоза при химическом взаимодействии образуют нуклеозиды. Ученые достигали некоторых успехов в проведении данных реакций, но сам синтез оказался неэффективным без использования ферментов, чтобы катализировать данный процесс.

Нуклеозиды и фосфаты при химическом взаимодействии образуют нуклеотиды. Одни нуклеотиды получаются достаточно легко, другие – крайне трудно. Камнем преткновения к тому же служит образование большого количества нуклеотидов. Одни наличествуют в организмах, другие отсутствуют, и, что может помешать репликации РНК, поскольку она не будут соединяться с встречающимися в природе нуклеотидами. Опять же тогда могли присутствовать неорганические или органические катализаторы, содействующие протекающие такой реакции. Катализаторы могли возникнуть на Земле или быть занесены хвостами комет, либо метеоритами. Природа самих катализаторов пока неизвестна, не исключается протекание в ту пору неферментативных реакций.

Нуклеотидные мономеры, полимеризуясь, образуют нуклеотидные полимеры – РНК. Полимеризация может оказаться затруднительной в изобилующей водой среде. Бульон мог оказаться слишком разбавленным: вероятно, он должен быть более густым – наподобие каши или даже теста для пиццы. Полимеризация посредством конденсации могла происходить в мелком пруду, на песчаном берегу или на глинистом взморье. Длинные органические молекулы могли не вынести сильного ультрафиолетового излучения, что предполагает наличие некоторого укрытия, чтобы состоялась полимеризация. Вполне вероятно, что молекулы паров воды в верхних слоях атмосферы разлагались под действием солнечных лучей, в ходе так называемой фотодиссоциации, порождая водород и кислород. Водород, преодолев силу притяжения, покидал Землю, а кислород превращался в первый озоновый слой Земли, укрыв ее поверхность от ультрафиолетовых лучей. Находясь слишком высоко в атмосфере, кислород не мог мешать течению ведущих к зарождению жизни химических реакций на земной поверхности, а задержка ультрафиолетовых лучей обезопасила органические молекулы от распада (продолжалось становление атмосферы, процессы внутри которой породили проблему погоды).

Другое возможное развитие событий связано с самовоспроизводящейся молекулой, которая предшествовала РНК. Предполагаемая молекула-предтеча синтезировалась легче РНК, имея при этом сходное с ней построение. На ее роль претендуют два соискателя:

-ТНК (треозонуклеиновая кислота), состоящая из четырех атомов углерода с двумя центральными гидроксильными группами с транизомерией моносахаридов (треоза), а не пять (рибоза), которые образуют остов РНК. Синтез ТНК, который не встречался в природе в добиологическом мире происходил бы легче по сравнению с РНК, поскольку ТНК требует идентичных остатков с двумя атомами углерода, а не с двумя и тремя, как у содержащей пять атомов углерода рибозы. Полимеры ТНК образуют двойную спираль подобно ДНК и совместимы с ДНК и РНК.

ПНК (пептиднуклеиновая кислота), остов которой образован не сахарами, а полимерами аминокислоты N(2-аминоэтил)-глицин. Эта молекула образует двойную спираль, ее составляющие легко синтезируются устойчивыми реакциями простых молекул, и она легко полимеризуется. Был ли у РНК самовоспроизводящийся предшественник, неясно.

РНК-мир. С появлением РНК механизм образования первой клетки проясняется. РНК-миру для его становления остается пройти четыре этапа:

-первый этап. Этап репликации (самовоспроизведения). Состоит из пяти шагов. 1) Нить РНК создает свою комплиментарную нить (C-G, A-U) притягиванием друг к другу спариваемых аминокислот. Возможно образование любых сочетаний, однако, неустойчивые сочетания не смогут удержаться вместе, как это происходит с парами оснований Уотсона – Крика (AU, GC), которые и берут верх; 2) комплиментарная нить РНК отделяется от исходной нити; 3)Комплиментарная нить создает свою собственную комплиментарную нить, совпадающую с исходной РНК; 4) молекулярные комплиментарные нити разделяются, образуя копию исходной молекулы РНК и комплиментарную молекулу РНК, которые, в свою очередь, могут теперь строить очередные копии по тому образцу.

Воспроизведение всех этих шагов в лабораторных условиях пока не увенчалось успехом. Возможно, протеканию этих реакций способствовали катализаторы. Здесь могли участвовать неорганические катализаторы в виде заряженных кристаллов глины, притягивая молекулы и удерживая их в нужном для реакции положении. Другой вариант связан с возможностью проведения необходимых репликаций, молекулами РНК – рибозимами, которые обладают ферментной активностью. Здесь могли присутствовать и органические катализаторы, которые пока не выявлены. Другая трудность связана с право- и левовращающимися спиральными молекулами РНК и ДНК.

Возможность дарвиновской эволюции на молекулярном уровне наличествует на всех этапах развития РНК-мира. Изменение происходит при репликации, как следствие случайной природы самого процесса. Полученные молекулы начинают бороться за аминокислоты, и преуспевшие в этом завладевают большинством аминокислот, став преобладающими;

-второй этап. Направляемый РНК белковый синтез. РНК, синтезирующие белковые молекулы, должны пользоваться даруемыми дарвиновской теорий выгодами, вероятно, через некоторую косвенную обратную связь, которая пока еще не выявлена;

-третий этап. Разделение на клеточные скопления. Должно начаться образование мембран из сложных белков или жирных липидных молекул, ведущее к отделению множеств РНК друг от друга. Это вызовет усиление конкуренции между ними и белковыми молекулами, прежде чем они подойдет к этапу становления клетки. Эти клеточные скопления именуют протоклетками;

-четвертый этап. Сцепление белков и РНК. Предположив разделение этих первых РНК на гены, каждый из которых синтезирует один белок, получим, что они должны состоять из 70 – 90 нуклеотидов. Для сравнения заметим, что ген современного человека включает несколько тысяч нуклеотидов. Первичный белок (в действительности остаток аминокислоты, именуемой пептидом), вероятно, состоял из 20 – 30 нуклеотидов. Согласно теоретическим выкладкам, минимальное число генов должно равняться 256, и тогда первая клеточная РНК состояла примерно из 20 тысяч нуклеотидов;

-пятый этап. Сохранение информации в ДНК и образование белковых ферментов-катализаторов. РНК вполне способна хранить генетическую информацию, но двойная спираль ДНК лучше приспособлена к более надежному ее хранению по сравнению с одной спиралью РНК. Развивая мысль о сборке рибонуклеиновой кислоты множества молекул в качестве хранителей информации и ферментов, получаем, что с эволюционной точки зрения обеспечивающая более надежное хранение генетической информации ДНК сменит в этой роли РНК. Белковые ферменты оказываются более действенными как катализаторы по сравнению с РНК и потому белки приходят на их место. Таким образом, молекулы РНК ограничиваются транскрипцией мРНК, транспортировкой тРНК и катализом рРНК, так кА остальные их обязанности взяли на себя молекулы, справляющиеся с ними гораздо лучше. Дарвин был бы доволен. Как только протоклетке удастся обрести способность к метаболизму и воспроизведению, она становится полноценной клеткой. Начало жизни положено.

Каковы же альтернативы РНК-миру? Их несколько.

Первая альтернатива. Первичность белков. Американский биохимик Сидни Фокс (1912 – 1998) в 1977 году показал, что отдельные смеси аминокислот при нагревании без воды полимеризуются, образуя протеиноиды (короткие полипептидные цепи с некоторыми каталитическими свойствами). Если опустить протеиноиды в воду, они образуют мембрану и начинают походить на клетки. Такие клеткообразные структуры Фокс назвал микросферами. Внутри микросфер белки предположительно катализировали образование РНК и ДНК.

Вторая альтернатива. Глиняный мир. Согласно этой гипотезе радиоактивность аминокислоты энергий для полимеризации на глиняной подложке, содержащей железо и цинк, которые служили неорганическими катализаторами для образования и белков, и РНК. Такой подход в 1962 году предложил Кэрис-Смит. (Данных о нем нет)

Научное сообщество пока не балует эти гипотезы вниманием, но все может измениться, если обнаружится какое-нибудь свидетельство в пользу одной из них.

Все по химии

В биологию. ДНК клетки, приступающая к делению, претерпевает кардинальные изменения: двойная спираль раскручивается, цепи расходятся. На каждой из них начинается синтез комплементарных полинуклеотидов, на одной – непрерывный, на другой – прерывистый. Его катализирует фермент под названием полимераза, а другой фермент, лигаза, сшивает полинуклеотидные фрагменты в непрерывную цепь. Так из одной молекулы ДНК образуется две.

Чтобы идентифицировать конкретное основание в какой-либо области генома, необходим сенсор, способный заметить субнанометровое различие между азотистыми основаниями. Единственный физический метод, обладающий столь высокой разрешающей способностью – сканирующая туннельная спектроскопия. Однако при секвенировании (расшифровка последовательностей нуклеотидов) последовательностей длиной в миллиарды звеньев чаще всего используются не физические, а химические способы. Геном был расшифрован с помощью методики, разработанной в конце 1970-х годов английским биохимиком Фредериком Сангером (р.1918), который дважды в 1958 и 1980 годах удостаивался Нобелевской премии (вместе с Питером Бергом Уолтером Гилбертом).

Процедуре секвенирования предшествует разрезание исследуемой молекулы ДНК на фрагменты, клонирование их в Escherichia coli (кишечная палочка), многократная дупликация для получения миллионов копий каждого фрагмента. В результате последнего шага дупликации, проводимого в особых условиях, получают набор копий фрагментов разной длины, каждый из которых заканчивается флуоресцентно меченым нуклеотидом. Фрагменты разделяют по длине с помощью электрофореза, регистрируют световой сигнал от каждого из них по мере прохождения через детектор и получают нуклеотидную последовательность исходной цепи. Достаточно полное представление об этом процессе дают схемы из статьи профессора генетики в Гарвардской медицинской школе, руководителя Гарвардского центра вычислительной генетики Дж.Черча. (Черч Дж. Каждому – по геному// В мире науки, 2006, № 4, с. 31 – 39). Последуем за ним.

Первый шаг. Перед секвенированием по методу Сангера молекулу ДНК разрезают на фрагменты и клонируют в Escherichia coli (кишечная палочка). Выделенные из бактериальных клеток фрагменты многократно амплифицируют с помощью полимеразной реакции (ПЦР).

Второй шаг. Полимеразная реакция состоит в следующем. Образец ДНК нагревают до температуры расхождения цепей. Затем в реакционную смесь добавляют дезоксинуклеозидтрифосфаты и праймер – короткий олигонуклеотид, комплементарный небольшому сегменту ДНК-матрицы. Он гибридизуется с этим сегментом, и ДНК полимераза последовательно присоединяет к его концу дезоксинуклеозидтрифосфаты, комплементарные нуклеотидам копируемой цепи. Процесс многократно повторяют, пока не получат миллионы копий каждого фрагмента.

Третий шаг. Раствор с одноцепочечными фрагментами и праймерами распределяют по четырем пробиркам, в каждую из которых добавлены разные дезоксинуклеозидтрифосфаты и один из флуоресцентно меченных дезоксинуклеозидтрифосфатов. Удлинение гибридизировавшегося с ДНК-ферментом праймера происходит до тех пор, пока в цепь не включится дезоксинуклеозидтрифосфаты. В этом месте синтез останавливается, и в результате в каждой из пробирок образуется уникальный набор отрицательно заряженных фрагментов разной длины, оканчивающихся одним из меченных дезоксинуклеозидтрифосфатов.

Четвертый шаг. Фрагменты разделяют по размеру с помощью капиллярного электрофореза. Когда фрагменты определенной длины проходят через окно детектора, освещаемое лазерным лучом, дезоксинуклеозидтрифосфаты начинают флуоресцировать. Длина волны флуоресценции зависит от того, какой именно дезоксинуклеозидтрифосфат находится у них на конце, так что на выходе получается цветная картинка, которую можно трансформировать в нуклеотидную последовательность.

К явным достоинствам метода Сангера относятся его относительная простота и высокая точность, но, несмотря на последующие усовершенствования, он остается дорогим и трудоемким. Поэтому задача создателей альтернативных путей секвенирования состояла в повышении скорости процедуры и ее удешевлении. Для этого нужно было исключить этапы разделения, занимающие много времени, миниатюризировать всю систему, сохранив при этом возможность прочитывать последовательности миллионов фрагментов. Отсюда и возникли другие методы секвенирования. Укажем на них.

Метод удлинения цепи. Одночепочечный фрагмент ДНК, называемый матрицей, вместе с коротким олигононуклеотидом, комплементарным ее концевому участку, фиксируют на подложке. Добавляют флуоресцентно меченные дезоксинуклеозидтрифосфаты и полимеразу, которая присоединяет к концу праймера дезоксинуклеозидтрифосфат, комплементарный соответствующему звену матрицы. Несвязавшиеся дезоксинуклеозидтрифосфаты и полимеразу удаляют с помощью лазера, возбуждают флуоресценцию присоединенного к праймеру нуклеотида и идентифицируют его. Затем удаляют флуорофор и продолжают удлинение цепи.

Метод лигирования. К одноцепочечной матрице присоединяют праймер, примыкающий к тому сегменту матричной ДНК, который хотят секвенировать. Синтезируют короткие олигонуклеотидные зонды, в которых в заданной позиции содержится один из четырех нуклеотидов – A, C, G, T. После того, как один из зондов находит комплементарный нуклеотид в матрице, лигаза сшивает его с праймером. Этот момент фиксируют, идентифицируют зонд, удаляют с матрицы комплекс и повторяют процедуру.

Метод амплификации. Световой сигнал от одной молекулы, сигнализирующий о моменте присоединения к праймеру очередного нуклеотида или сшивания праймера с зондом, очень слабый. Чтобы усилить его, удлинение цепи или лигирование проводят одновременно на миллионных копиях одной матрицы. Копии получают в бесклеточной системе одним из двух способов, используя в обоих случаях полимеразной реакции (ПЦР):

-первый способ. Молекулярные колонии образуются прямо на стеклянной пластинке или на пластине гелия. Они состоят из миллионов копий одной и той же матрицы;

-второй способ. Масляная капля с включенной в нее полимеразой служит миниатюрной реакционной камерой. Матрица, фиксированная на стеклянной бусине, проникает внутрь капли, и образует на ней до 10 миллионов копий.

Метод мультиплексных систем. Чтобы максимально ускорить процесс, секвенируют одновременно тысячи и даже миллионы разных фрагментов матрицы. Для этого их фиксируют на одной подложке и проводят реакцию удлинения цепи с регистрацией флуоресценции. Альтернативный подход состоит в иммобилизации бусинок с миллионами копий матрицы и одновременном их секвенировании методом лигирования.

Метод секвенирования с помощью нанопор. Отрицательно заряженная одноцепочечная ДНК проходит через нанометровую пору в мембране, наружная поверхность которой несет отрицательный заряд, а внутренняя – положительный. Как только очередной нуклеотид перекрывает внутреннее отверстие в поре, электропроводность мембраны, измеряемая в пикоамперах, изменяется. Нуклеотиды разного типа, из которых состоит цепочка ДНК, немного различаются по размерам и поэтому закрывают пору в большей или меньшей степени и на разное время. Соответственно этому изменяется и электропроводность. Если удастся существенно повысить разрешающую способность метода, то каждый скачок электропроводности будет отвечать прохождению через пору одного нуклеотида, и с диаграммы, получаемой на выходе, можно будет считывать нуклеотидные последовательности. Секвенирование генома человека займет в этом случае всего 20 часов, поскольку многократной амплификации матрицы не понадобится.