Обратный ход

В 1789 году Лавуазье напечатал список простых веществ, то есть тех, которые химия не умеет разложить. В списке тридцать три строки: кислород, водород, азот, углерод, сера, семнадцать металлов. Есть в нём известь и магнезия, которые через девятнадцать лет разложил электрическим током Гемфри Дэви. И есть две строки, которые сегодня читаются странно: свет и теплород, невесомая жидкость, из которой будто бы состоит тепло. Лавуазье не ошибся в определении. Он честно назвал элементом то, что пока нечем разбить, и с тех пор так устроен каждый нижний этаж: он последний, пока не появится инструмент мощнее.

Путь от этого списка до кварков занял почти два века. Почти каждый нижний этаж сначала вычислили и только потом увидели, иногда через сотню лет. Спуск не зеркален подъёму. Когда молекулы складываются в воду, подробности стираются: инженеру, который считает трубу, всё равно, что в воде есть кислород. Спускаясь, эти подробности приходится добывать обратно, и способов два: разбить целое силой или прочитать на нём следы того, из чего оно сделано.

Увидеть и сломать

Чтобы разглядеть мелкую вещь, нужна проба мельче её. Свет не покажет атом, потому что волна видимого света в тысячи раз длиннее атома, и чем мельче деталь, тем жёстче должен бить пробный снаряд. Чтобы вещь сломать, нужно другое: столько энергии, сколько держит её вместе. Это два разных порога, и на каждом этаже они стоят на своём расстоянии друг от друга.

У атома они разнесены далеко. Оторвать электрон от водорода несложно, хватает жёсткого ультрафиолета или искры в газовой трубке. А чтобы разглядеть атом изнутри, пробе нужна энергия в сотни раз больше. Поэтому атомы научились разбирать задолго до того, как смогли в них заглянуть. У ядра пороги сближаются, и разница между «сломать» и «увидеть» уже не в сотни раз, а примерно в десять.

В протоне пороги сходятся. Внутри три кварка, и поле между ними ведёт себя как натянутая нить: тянет так, будто на ней висит груз в полтора десятка тонн, и эта сила не слабеет, сколько ни растягивай. Если ударить по кварку и потащить его наружу, нить не отпускает, а тянется, и энергии в ней набирается столько, что из неё рождается новая пара частиц, кварк и антикварк. Нить лопается, у каждого обрывка оказывается свой партнёр, и из протона вылетает не кварк, а новые частицы, собранные из кварков. Физики зовут их адронами, и протон тоже адрон. Тянешь деталь, получаешь ещё одну целую вещь. С тех пор как кварки придумали, прошло шестьдесят лет, ускорители разбили несчётное число протонов, и свободного кварка не видел никто. Здесь «разобрать на части» перестаёт работать. Даже масса протона почти вся приходится на энергию поля и движения внутри него, а сами кварки дают около процента.

Почему толпа сдаётся раньше

Вода кипит при ста градусах. Если посчитать, сколько энергии держит молекулу воды среди соседей, и перевести это в градусы, выйдет около пяти тысяч. С кристаллом аргона то же самое: по прочности связей он должен бы держаться до шестисот с лишним градусов тепла, а плавится при минус ста восьмидесяти девяти. Так на каждом этаже: уровень распадается задолго до того, как тепла хватило бы порвать его связи. Если мерить от абсолютного нуля, разница бывает в три раза, а бывает и в пятьдесят.

Причина в свободе. Молекула, улетевшая в пар, получает огромный простор: мест, где она может оказаться, и способов лететь у неё несравнимо больше, чем в тесноте жидкости. Толпе выгодно разойтись, как только выигрыш в свободе перевешивает цену связи, и наступает этот момент задолго до того, как тепла хватило бы порвать каждую связь силой. Одиночке такая сделка недоступна, её заключает только толпа. Правило работает и в обратную сторону: если остужать медленно, уровень собирается примерно при той же температуре, при которой распадается.

Выше химии градусник перестаёт различать этажи. Белок, клетка, организм, мозг, общество гибнут от нагрева в одном узком окне: большинству живого хватает пятидесяти-шестидесяти градусов, самые стойкие микробы живут чуть выше ста двадцати, и только сухие споры бактерий выносят жар посильнее. Окно задаёт шаткая укладка белков, и оно одно на всех. Значит, эти этажи отделены друг от друга не прочностью связей, а устройством, памятью и непрерывным потоком энергии и вещества. Разбирать их по этажам нагревом бесполезно: всё рухнет разом. Их разбирают иначе, обрывом потока или точечным вмешательством.

Вселенная прошла первой

Всю эту лестницу Вселенная прошла сама, только снизу вверх, остывая. Поэтому спуститься на этаж ниже по размеру значит нагреться и вернуться назад во времени. Через двадцать миллионных долей секунды после начала кварки заперлись в протоны и нейтроны и с тех пор не выходили. Через три минуты протоны и нейтроны склеились в ядра лёгких элементов. Через триста восемьдесят тысяч лет стало так прохладно, как в спирали лампы накаливания, ядра поймали электроны, получились атомы, и Вселенная стала прозрачной. Тот свет доходит до нас до сих пор, только остывший почти до абсолютного нуля, и ловят его уже радиотелескопы.

По прочности связи атомы водорода могли бы собраться гораздо раньше, при жаре в пятьдесят раз сильнее. Но на каждую частицу вещества приходилось больше миллиарда частиц света. Даже когда средняя из них была уже слишком слабой, среди миллиарда всегда находилась одна достаточно сильная, чтобы разбить новый атом. Это та же сделка между связью и свободой, что в кипящем чайнике, только прочитанная в обратную сторону.

Правило «мельче значит раньше и горячее» держится до этого момента, а потом ломается дважды. Тяготение строит в другую сторону: сначала небольшие сгустки, потом галактики, потом скопления галактик, а самые большие образования собираются до сих пор. А химическая сложность, из которой сделаны длинные молекулы, клетки и мы, появилась последней, хотя по размеру сидит в середине лестницы. Ей нужны холод, тяжёлые элементы, которые наварили звёзды, планеты и перепад: горячее Солнце на фоне ледяного неба.

Часто говорят, что ранняя Вселенная была маленькой. Горячей она была, но мелкими были не её размеры, а волны частиц: чем горячее, тем они короче, и тем более мелкие подробности частицы различают, сталкиваясь друг с другом. Через секунду после начала область, которую уже успел пересечь свет, была больше, чем расстояние от Земли до Луны, а за её краем Вселенная продолжалась.

Пять смертей

Что останется от уровня, если довести его до распада, зависит от того, как он был устроен. Способов умереть у уровня пять.

Составной уровень рассыпается на части, которые переживают распад: химическая реакция отдаёт атомы, ядерная отдаёт протоны и нейтроны. Такой уровень часто можно собрать обратно. В 1955 году вирус табачной мозаики разделили на РНК и белок, смешали их в пробирке, и вирус собрался сам и снова заражал листья. Ещё раньше, в 1907 году, американский зоолог Генри Уилсон продавил губку сквозь мелкую ткань, и разрозненные клетки сползлись в новую губку.

Коллективный порядок уходит, не выпуская ничего. Лёд тает, и из него не вылетает ни одной детали: все молекулы на месте, пропал только строй. Железо при семистах семидесяти градусах перестаёт быть магнитом, и опять ничего не отваливается: крошечные магнитики атомов просто перестают смотреть в одну сторону.

Запертый уровень отвечает на удар копиями самого себя. Разбей протон, и получишь новые адроны, а не кварки.

Уровень, который держится потоком, умирает, когда поток обрывается, и устройство уходит раньше деталей. Сознание гаснет через пять–десять секунд после того, как к мозгу перестаёт поступать кровь. А в 2019 году исследователи из Йеля взяли мозги свиней, забитых на мясокомбинате, и через четыре часа после смерти пустили через них тёплый раствор, заменяющий кровь. Клетки частично ожили: ткань снова потребляла глюкозу и кислород, а в тонких срезах клетки передавали друг другу сигналы. Общей электрической активности, признака работающего мозга, приборы не нашли, в том числе потому, что в раствор нарочно добавили вещества, глушащие нервные сигналы. Клетки пережили мозг на несколько часов. С городом бывает то же. В Детройте в 1950 году жило почти два миллиона человек, к 2020 году осталось около шестисот сорока тысяч. Автомобильные заводы ушли, и с ними ушёл поток денег и людей, который держал город. Дома, улицы и трубы остались.

Уровень, который держит тяготение, рассыпается на своих членов. Рассеянные звёздные скопления со временем расходятся на одиночные звёзды, маленькие галактики возле большой вытягиваются в звёздные ручьи. Если луна подойдёт к планете слишком близко, её разорвёт прилив: ближнюю к планете сторону тянет сильнее, чем дальнюю, и собственное тяготение луны уже не может удержать её целой. На орбите остаются обломки, то есть кольцо. По одной из гипотез, кольца Сатурна и есть остатки такой луны, но спор о том, откуда они взялись, не закончен.

Что считать частями, зависит ещё и от того, сколько энергии вложить. Воду можно разобрать на молекулы, на атомы водорода и кислорода или на ядра и электроны, смотря чем бить. Список Лавуазье устарел не потому, что он плохо думал, а потому, что у него не было тока Дэви.

Вода или магнит

Разбивать приходится потому, что вычислить нижний этаж по верхнему нельзя, и это не философия, а измеренный факт. Нагрей воду в прочном сосуде до трёхсот семидесяти четырёх градусов под давлением около двухсот двадцати атмосфер, и граница между жидкостью и паром исчезнет. Вещество станет одним, по всему объёму заколышутся сгустки плотности всех размеров, и оно помутнеет, как молоко. Теперь возьми магнит особого рода, в котором магнитики атомов могут смотреть только вверх или вниз, и нагрей его до точки, где он теряет намагниченность. Возле неё по нему бегают такие же сгустки согласных магнитиков всех размеров. Растут, гаснут и откликаются на толчок и те и другие по одним законам, с одними и теми же числами. Глядя только на это поведение, нельзя сказать, вода перед тобой или магнит.

Подробности нижнего этажа доходят наверх только в виде поправок, и чем крупнее смотришь, тем они слабее. Поднимаясь по этажам, мир теряет степени свободы, то есть независимые способы шевелиться, и по дороге вернуть их не может. Для широкого класса теорий это доказано. Александр Замолодчиков сделал это в 1986 году для воображаемого мира, где пространство — одна линия, а в 2011 и 2012 годах другие физики — для плоского мира и для нашего. Нижний этаж нельзя вывести из верхнего. Его можно только заставить проявиться: энергией, пробой или вмешательством.

Отпечатки

Зато верхний этаж хранит следы нижнего, и их можно читать, ничего не ломая. Типов следов немного, и они повторяются.

Первый след — целые числа там, где им неоткуда взяться. Закон, который Джон Дальтон сформулировал в начале девятнадцатого века, проще всего увидеть на двух газах, углекислом и угарном. В обоих есть только углерод и кислород, и в углекислом на то же количество углерода приходится ровно вдвое больше кислорода, чем в угарном, а не в полтора и не в одну целую семь десятых раза. Целое отношение значит, что вещество отмеряется порциями, атомами. Грегор Мендель, монах из Брно, скрещивал горох и во втором поколении получал жёлтые и зелёные горошины в отношении три к одному. Из этой дроби следовало, что наследственность передаётся неделимыми единицами, по одной от каждого родителя. Мендель напечатал это в 1866 году, за восемьдесят семь лет до того, как разгадали устройство ДНК.

Второй след — повторяемость. Дмитрий Менделеев разложил элементы так, что их свойства повторялись периодами, и оставил в таблице пустые клетки. Для одной из них он описал металл, которого никто не видел: вес его атома, плотность, поведение в реакциях. В 1875 году француз Лекок де Буабодран нашёл галлий. Первая измеренная плотность с предсказанием не сошлась. Менделеев написал, что образец, видимо, плохо очищен, Лекок очистил его, перемерил и получил число Менделеева. Таблица указывала на устройство атома, на слои электронов, раньше, чем открыли сам электрон. Тот же приём сработал ещё дважды: повторяющиеся «магические» числа особо устойчивых ядер выдали слои протонов и нейтронов в ядре, а узоры, в которые складывались новые частицы, выдали кварки.

Третий след — дрожь. Жан Перрен в 1908 году смотрел в микроскоп на крупинки гуммигута, жёлтой смолы, из которой делают краску. Крупинки в воде дёргались, потому что их толкали молекулы, а толчков с разных сторон никогда не бывает поровну. Будь молекулы бесконечно мелкими и бесконечно многочисленными, толчки сглаживались бы, и крупинки стояли бы на месте. Они прыгали, и по размаху прыжков, как за три года до того предсказал Эйнштейн, Перрен пересчитал молекулы, не увидев ни одной.

Четвёртый след — нехватка. Когда ядро распадается, выстреливая электроном, энергия у электрона каждый раз разная, и часть её будто пропадает. Вольфганг Паули в 1930 году не поехал на встречу физиков в Тюбинген, потому что в Цюрихе был бал, и отправил письмо, где предложил «отчаянное средство»: пропавшую энергию уносит невидимая лёгкая частица без заряда. Энрико Ферми назвал её нейтрино, по-итальянски «нейтрончик». Поймали её у ядерного реактора в 1956 году.

Пятый след — отскок. Помощники Эрнеста Резерфорда стреляли альфа-частицами, которые вылетают при радиоактивном распаде, в тонкую золотую фольгу. Почти все пролетали насквозь, но редкие отлетали назад. Резерфорд потом сравнивал это с артиллерийским снарядом, отскочившим от папиросной бумаги. В 1911 году он понял, что почти вся масса атома собрана в крошечном плотном ядре. Почти через шестьдесят лет электроны, выпущенные в протон, так же отскочили от точечных зёрен внутри него.

Шестой след — закон, который ломается на своём размере. Газы слушаются простого закона, пока их не сожмут так, что молекулам становится тесно, и по тому, как закон начинает расходиться с опытом, Ван-дер-Ваальс в 1873 году вычислил, что у молекул есть размер.

Один след пока не закрыт. Звёзды на окраинах галактик обращаются слишком быстро, а галактики в скоплениях движутся так, будто их держит в разы больше вещества, чем видно. Фриц Цвикки заметил это в 1933 году, Вера Рубин измерила вращение галактик в семидесятых. Это та же нехватка, что у Паули, и большинство физиков видит в ней невидимое вещество, тёмную материю. Меньшинство считает, что само тяготение на больших расстояниях устроено иначе. След есть, частицы пока нет.

Выключить и посмотреть

В биологии и в искусственном интеллекте главный способ спуститься — выключить часть и посмотреть, что сломалось. У генетиков это нокаут гена, у нейробиологов повреждение участка мозга, у исследователей нейросетей обнуление куска сети. Слабое место метода в том, что целое умеет обходиться без части и прикрывать потерю. У дрожжей выключили по одному почти каждый ген, и оказалось, что на сытной среде жизненно нужны меньше пятой части из них. Остальные не бесполезны. Просто такой опыт отвечает на вопрос «без чего здесь не обойтись», а не на вопрос «что это делает».

В 2017 году Эрик Йонас и нейробиолог Конрад Кординг проверили методы науки о мозге на устройстве, известном до последнего транзистора: на процессоре 6502, который стоял в первых домашних компьютерах и игровых приставках. Транзисторов в нём около трёх с половиной тысяч. Исследователи выключали их по одному, записывали «активность», искали связи и нашли транзисторы, без которых не запускается игра Donkey Kong. Как работает процессор, они из этого так и не поняли, хотя его схема известна целиком. У нейросетей есть своя версия той же ловушки. Выключишь один слой, который решает, на какие слова смотреть, и другие слои возьмут его работу на себя. Авторы, заметившие это, назвали находку эффектом Гидры.

Для нейросетей придумали и свой ускоритель частиц: вспомогательную сеть, которая раскладывает внутреннее состояние большой модели на множество простых признаков, из которых в каждый момент включены немногие: «речь о мосте Золотые Ворота», «это программный код», «в коде ошибка». Разложение выходит красивым, но в нём есть изъян, которого нет в физике. В физике разложение закреплено жёсткими правилами: частица определяется тем, как она ведёт себя при поворотах, сдвигах и заменах одного на другое, и эти правила допускают только один способ разобрать целое. У нейросети таких правил нет. Она упаковывает признаков больше, чем у неё нейронов, и разложить их можно по-разному. В одном опыте две одинаковые вспомогательные сети обучили на одной и той же модели, поменяв только случайное число, с которого начинается обучение, и совпала примерно треть признаков. Признаки нейросети — удобный словарь, а не единственный.

Где кончается спуск

Где спуск кончается, никто не знает, но есть правдоподобная догадка. Чтобы разглядеть всё более мелкое, нужна всё более жёсткая проба. При энергии почти в миллион миллиардов раз больше, чем у самого мощного ускорителя, проба соберёт в одной точке столько энергии, что сама схлопнется в чёрную дыру. Горизонт дыры растёт вместе с энергией: чем сильнее бьёшь, тем крупнее пятно, за которое не заглянуть, и разрешение начинает ухудшаться. Многие физики считают это дном. Есть и теории, в которых дна нет, но проверить их пока нечем.

По дороге вниз бывают и сюрпризы. Когда сталкивают тяжёлые ядра, на мгновение получается горячий суп, в котором кварки уже не заперты по отдельным протонам. Его ждали как простейший газ, а он оказался жидкостью, текущей почти без трения. Новое целое появилось там, где ждали голых частей.

Рецепт

Рецепт спуска умещается в абзац. Сначала найди то, что верхний уровень никогда не создаёт и не уничтожает: атомы в химии, гены в скрещиваниях. Это кандидаты в части. Прикинь, сколько стоит сломать и сколько увидеть; если пороги близки, части не освободить. Помни, что целое распадётся раньше, чем порвутся его связи, потому что толпе выгодно разбежаться. Если уровень держится потоком, как живое, мозг, фирма или город, не грей его, а ослабляй поток и смотри, что уходит первым. Часто перед распадом такая система всё медленнее оправляется от мелких толчков, хотя это предупреждение срабатывает не всегда. Ищи следы нижнего на верхнем: целые отношения, повторяемость, дрожь, нехватку, отскок, закон, который ломается на своём размере. Выключай части и записывай не только, что сломалось, но и что закрыло брешь. Если разложение ничем не закреплено, повтори его с другого случайного начала и сравни. И замкни круг: предскажи то, чего ещё никто не видел, как галлий или нейтрино, и найди. Только такая находка превращает вычисленный этаж в настоящий.

В программных системах всё это аналогии, а не законы, но они работают. Сохраняющиеся единицы там — идентификаторы записей, деньги в двойной бухгалтерии, сообщения, которые обязаны дойти, и разбирать систему стоит начинать с них. Дрожь тоже читается. Если нагрузку создают тысячи независимых клиентов, то чем их больше, тем меньше суммарный поток скачет по сравнению со своим средним, как сгладились бы толчки по крупинке Перрена, будь молекул бесконечно много. Если с ростом трафика график не становится ровнее, клиенты не независимы, и под ними сидит скрытый общий этаж: одна очередь, один планировщик, один крупный заказчик. Место, где задержка вдруг начинает расти быстрее нагрузки, отмечает начало следующего уровня, будь то очередь, блокировка или сеть. А когда выключаешь сервис, чтобы проверить устойчивость, и ничего не падает, это ещё не значит, что он не нужен. Повторные запросы и запасные пути закрывают брешь, как другие слои в нейросети, и отрубленная голова Гидры тихо отрастает.