Главная Обратная связь В избранное

Мир непознанного - Onua.org

Onua.org - этот сайт создан с целью ознакомления пользователя с миром непознанного, новостями технологий, космических открытий и загадок нашей планеты Земля, НЛО, Видео , Фото, Очевидцы, Загадки истории и древних цивилизаций.
onua.org » Гипотезы » Физика невозможного - Будущее невозможного
Узнать больше о 2012 годе
Миссия Curiosity
Discovery Channel
Discovery World
Discovery Science
Animal Planet
Nat Geo WILD
National Geographic Channel
Viasat History
Viasat Explorer
Календарь новостей

Присоединяйтесь

Популярное на Onua.org
ФОТО
?=t('Новости аномалий и неопознанных явлений')?>
Узнать больше о планете Нибиру

Предлагаем восстановить, заказать, купить диплом Вуза в любом городе России. Только настоящий бланк ГОЗНАК с гарантией.

Просмотров: 4719
Физика невозможного - Будущее невозможногоСуществуют ли истины, которые навсегда останутся недоступными для нас? Существуют ли кладези знаний, которые будут неподвластны даже продвинутой цивилизации? Из всех технологий, которые мы обсудили в этой книге, только вечный двигатель и предвидение будущего пришлось отнести к III классу невозможности. Существуют ли другие, столь же невозможные технологии?

В чистой математике полно теорем, доказывающих полную невозможность того или иного события. Простой пример: невозможно разделить угол натрое при помощи только циркуля и линейки; это доказано еще в 1837 г.

Даже в простых системах, таких как арифметика, существуют невозможные действия. Как я уже упоминал, невозможно доказать все истинные утверждения в арифметике в пределах постулатов самой арифметики. В ней всегда будут существовать истинные утверждения, которые можно доказать только в пределах более крупной системы, подсистемой которой является арифметика.

Итак, в математике существуют вещи невозможные, но в физике очень опасно заявлять, что какое-то событие или действие абсолютно невозможно. Позвольте напомнить вам речь, которую произнес нобелевский лауреат Альберт Майкельсон в 1894 г. на церемонии открытия физической лаборатории Райерсона в Чикагском университете; Майкельсон заявил, что невозможно открыть какую бы то ни было новую физику: «Все самые важные фундаментальные законы и факты физической науки уже открыты и прочно утвердились; вероятность того, что их когда-нибудь в результате новых открытий сменят другие законы и факты, чрезвычайно мала... В будущем нам следует ожидать новых открытий лишь в шестом знаке после запятой».

Его замечания прозвучали буквально накануне величайших потрясений в истории науки — квантовой революции 1900 г. и открытия теории относительности в 1905 г. Дело в том, что события, которые мы сегодня считаем невозможными, нарушают известные нам законы физики — но ведь законы эти могут меняться.

В 1825 г. великий французский философ Огюст Конт в своем «Курсе философии» заявил, что наука никогда не сможет определить, из чего сделаны звезды. В то время это утверждение выглядело вполне резонным, ведь о природе звезд ничего не было известно. Ясно было, что находятся они очень далеко и добраться до них невозможно. Но всего через несколько лет после заявления Конта физики узнали (при помощи спектроскопии), что Солнце состоит из водорода. Более того, сегодня мы знаем, что путем анализа спектральных линий звезд, излучавших свет миллиарды лет назад, можно определить химический состав большей части Вселенной.

Конт бросил вызов научному миру, перечислив еще несколько «невозможных событий».

• Он утверждал, что «глубинная структура тел навсегда останется за пределами наших знаний». Другими словами, невозможно познать истинную природу материи.

• Он считал, что математика неприложима к биологии и химии. Он утверждал, что эти науки невозможно низвести до уровня математики.

• Он считал, что изучение небесных тел не может принести человечеству реальной пользы.

В XIX в. у философа были все основания для подобных заявлений, ведь фундаментальная наука тогда только зарождалась и мало что знала. Почти ничего не было известно о тайнах вещества и жизни. Но сегодня у нас есть атомная теория, открывшая новые просторы для научных исследований и изучения структуры вещества. Мы знаем о ДНК и квантовой теории, раскрывшей нам тайны жизни и химии. Мы знаем также о прилетающих из космоса метеоритах, которые не только оказали влияние на развитие жизни на Земле, но и, возможно, участвовали в ее зарождении.

Астроном Джон Барроу заметил: «Историки до сих пор обсуждают, не стали ли взгляды Конта одной из причин последовавшего вскоре упадка французской науки».

Математик Давид Гильберт, отвергая утверждения Конта, писал: «По-моему, подлинная причина того, что Конту не удалось найти ни одной действительно нерешаемои проблемы, заключается в том, что нерешаемых проблем не существует».

Но сегодня некоторые ученые пытаются составить новый список невозможных событий: мы никогда не узнаем, что происходило до Большого взрыва (или, скажем, что послужило его причиной); мы никогда не получим «теорию всего».

Физик Джон Уилер написал по поводу первого «невозможного» вопроса: «Двести лет назад можно было спросить у любого человека: "Сможем ли мы понять когда-нибудь, как возникла жизнь?" — и услышать в ответ: "Абсурд! Это невозможно!" Я примерно так же отношусь к вопросу "Поймем ли мы когда-нибудь, как возникла Вселенная?"».

Астроном Джон Барроу добавил: «Скорость света ограниченна, поэтому ограниченны и наши знания о структуре Вселенной. Мы не можем определить, конечна она или бесконечна, было ли у нее начало и будет ли конец, одинакова ли повсюду ее структура и вообще, в конце концов, упорядочение Вселенная или нет... На все принципиальные вопросы о природе Вселенной — от начала ее и до конца — оказывается, невозможно ответить»,

Барроу прав в том, что мы никогда не узнаем с абсолютной точностью подлинную природу Вселенной во всем ее великолепии. Но мы вполне способны отщипывать по кусочку от этих вечных неисчерпаемых вопросов и постепенно приближаться к истине. Утверждения о невозможности чего бы то ни было следует, вероятно, рассматривать не как абсолютные пределы нашего знания, а как вызов следующему поколению ученых. Эти пределы, подобно корочке пирога, возникают, чтобы быть разрушенными.
Эпоха до Большого взрыва

Что касается Большого взрыва, то в настоящий момент создается новое поколение приборов, которые, возможно, помогут нам разрешить некоторые вечные вопросы. Сегодня наши космические детекторы излучения регистрируют только микроволновое излучение, возникшее через 300 000 лет после Большого взрыва, когда сформировались первые атомы. Это излучение не в состоянии помочь нам разобраться в том, что было до этого, потому что излучение первоначального огненного шара было слишком горячим и случайным, чтобы из него можно было извлечь какую-нибудь полезную информацию.

Но не исключено, что при помощи анализа других типов излучения мы сможем подобраться к Большому взрыву чуть ближе. К примеру, массу интересной информации обещает нам изучение нейтрино. Нейтрино настолько неуловимы, что могут пролететь сквозь свинцовый шар размером с Солнечную систему, поэтому нейтринное излучение может рассказать нам о том, что происходило через несколько секунд после Большого взрыва.

Окончательно же разобраться в тайнах Большого взрыва нам, возможно, помогут «гравитационные волны» — волны, бегущие по ткани пространства-времени. Физик Роки Колб из Чикагского университета говорит: «Определив свойства нейтринного фона, мы сможем заглянуть в момент через одну секунду после Большого взрыва. Но гравитационные волны из зоны инфляции возникли во Вселенной через 10~35 секунд после взрыва».

Первым предсказал гравитационные волны Эйнштейн в 1916 г.; возможно, со временем они станут важнейшим инструментом астрономии. Обращаясь к истории, можно сказать, что с обузданием каждой новой формы излучения в астрономии начиналась новая эра. Сначала был только видимый свет, при помощи которого Галилей изучал Солнечную систему. Затем к нему добавились радиоволны, которые со временем позволили человеку заглянуть в центры галактик и обнаружить там черные дыры. Не исключено, что детекторы гравитационных волн раскроют для нас — ни много ни мало — тайны творения.

В некотором смысле гравитационные волны просто обязаны существовать. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим старый как мир вопрос: что произойдет, если внезапно исчезнет Солнце? По Ньютону, мы почувствуем это немедленно. Земля мгновенно будет вышвырнута с орбиты и ввергнута во тьму. Дело в том, что закон всемирного тяготения Ньютона не принимает в расчет скорость взаимодействия, поэтому силы гравитации действуют мгновенно во всей Вселенной. Но, согласно Эйнштейну, ничто не может двигаться быстрее света, и информация об исчезновении Солнца достигнет Земли только через восемь минут. Другими словами, сферическая «ударная волна» гравитации выйдет из Солнца и лишь через некоторое время ударит по Земле. Вне сферической границы этой гравитационной волны будет казаться, что Солнце по-прежнему светит и находится на месте — ведь информация о его исчезновении еще не достигла Земли. Однако внутри сферы гравитационной волны Солнца уже не будет, потому что волна эта распространяется со скоростью света.

Еще один способ убедиться в том, что гравитационные волны должны существовать, — это представить себе очень большую простыню. Согласно Эйнштейну, пространство-время — это ткань, которую можно сворачивать или растягивать подобно простыне. Если схватить простыню за край и быстро потрясти, мы увидим, что по полотну побегут волны, или рябь, — причем побегут с определенной скоростью. Точно так же гравитационные волны можно уподобить ряби, бегущей по ткани пространства-времени.

Гравитационные волны принадлежат к самым стремительно развивающимся темам современной физики. В 2003 г. были введены в строй первые крупномасштабные детекторы гравитационных волн, получившие название LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory); эти детекторы имеют 4 км в длину и расположены в Хэнфорде, штат Вашингтон, и в Ливингстон-Пэриш, штат Луизиана. Ученые надеются, что детекторы LIGO, обошедшиеся нам в 365 млн долл., смогут зарегистрировать излучение от сталкивающихся нейтронных звезд и черных дыр.

Следующее крупное событие, вероятно, произойдет в 2015 г., когда начнется запуск спутников нового поколения, предназначенных для анализа гравитационного излучения в космосе с самого момента творения. Это совместный проект NASA и Европейского космического агентства; на околосолнечную орбиту предполагается запустить три спутника, которые вместе составят систему с красивым именем LISA (Laser Interferometer Space Antenna — космическая антенна с лазерным интерферометром). Эти спутники смогут регистрировать гравитационные волны, возникшие менее чем через одну триллионную долю секунды после Большого взрыва. Проходя через один из спутников, гравитационная волна Большого взрыва, до сих пор гуляющая по всей Вселенной, потревожит лазерные лучи; эти изменения будут зарегистрированы и измерены с максимально возможной точностью и дадут нам «картинку» самого момента творения.

По проекту LISA состоит из трех спутников, которые обращаются вокруг Солнца и образуют треугольник; они соединены друг с другом при помощи лазерных лучей длиной по 5 млн км и вместе образуют самый большой научный инструмент, когда-либо созданный человечеством. Эта система из трех аппаратов будет обращаться вокруг Солнца на расстоянии около 50 млн км от Земли.

Каждый спутник будет испускать лазерный луч мощностью всего полватта. Сравнивая лазерные лучи, пришедшие от двух других спутников, каждый из спутников построит соответствующую интерференционную картину. Если гравитационная волна вызовет возмущение лазерных лучей, интерференционная картина изменится — и спутники смогут зарегистрировать это изменение. (Гравитационная волна не потревожит сами спутники и не заставит их колебаться. Результатом ее воздействия станут искажения пространства между тремя спутниками.)

Хотя лазерные лучи будут чрезвычайно слабыми, они позволят добиться поразительной точности измерений. Система сможет регистрировать колебания до одной доли из миллиарда триллионов — это примерно соответствует сдвигу в 1/100 долю размера атома. Каждый из лазерных лучей сможет уловить гравитационную волну с расстояния в 9 млрд световых лет, что покрывает большую часть видимой Вселенной.

Потенциально чувствительности аппаратуры USA должно хватить для того, чтобы различить несколько сценариев событий до Большого взрыва. На сегодня одна самых «горячих» тем теоретической физики — расчет характеристик Вселенной до Большого взрыва. В настоящее время инфляционная теория достаточно хорошо объясняет, как развивалась Вселенная после того, как произошел Большой взрыв. Но эта теория не в состоянии объяснить, почему, собственно, этот взрыв произошел. Таким образом, цель — рассчитать при помощи различных приблизительных моделей эры «до Большого взрыва» параметры гравитационного излучения, которое должно бьшо возникнуть в момент самого взрыва. Каждая из теорий предсказывает свое. К примеру, излучение Большого взрыва, предсказанное теорией Большого всплеска, отличается от излучения, которое предсказывают некоторые инфляционные теории, и LISA, вполне возможно, сумеет исключить часть существующих на сегодня теорий. Очевидно, непосредственно проверить модели поведения Вселенной до Большого взрыва невозможно, поскольку для этого требуется понимать, как вела себя Вселенная до возникновения времени, но мы можем попытаться проверить их косвенно, ведь каждая из этих моделей предсказывает свой спектр излучения, возникающего после Большого взрыва.

Физик Кип Торн пишет: «Где-то между 2008 и 2030 гг. будут обнаружены гравитационные волны от сингулярности Большого взрыва. Это открытие послужит началом новой эры, которая продлится по крайней мере до 2050 г... Эти усилия раскроют тонкие детали и свойства сингулярности Большого взрыва и таким образом проверят, какая из версий теории струн представляет собой верную квантовую теорию гравитации».

Если LISA не сможет определиться с выбором одной из многих «довзрывных» теорий, это, возможно, удастся сделать ее преемнику — Наблюдателю Большого взрыва (Big Bang Observer, ВВО). Его запуск предварительно планируется на 2025 г. ВВО сможет просканировать всю Вселенную в поисках двойных систем, включающих нейтронные звезды и черные дыры массой менее тысячи масс Солнца. Но главная его цель — изучить гравитационные волны, возникшие во время инфляционной фазы Большого взрыва. В этом смысле можно сказать, что ВВО специально разработан для проверки предсказаний инфляционной теории Большого взрыва.

По устройству ВВО напоминает LISA. Он будет состоять из трех спутников, согласованно обращающихся по орбите вокруг Солнца и разделенных расстоянием 50 000 км (эти спутники будут находиться друг к другу гораздо ближе, чем спутники системы LISA). Каждый спутник сможет излучать лазерный луч мощностью 300 Вт. ВВО сможет регистрировать гравитационные волны с частотами, промежуточными между доступными для LIGO и LISA, и таким образом заполнит важный пробел. (LISA сможет регистрировать гравитационные волны с частотами от 10 до 3000 Гц, тогда как LIGO доступен диапазон от 10 мкГц до 10 мГц. ВВО сможет регистрировать волны в широком диапазоне частот, включающем оба освоенных к тому времени диапазона.)

«К 2040 г. мы успеем уже воспользоваться этими законами [квантовой гравитации] и получить уверенные ответы на множество глубоких, ставящих в тупик вопросов, — пишет Торн, — в том числе... что было до сингулярности Большого взрыва и вообще, было ли что-нибудь "до"? Существуют ли иные вселенные? И если существуют, то как они соотносятся или связаны с нашей собственной Вселенной?.. Позволяют ли законы физики высокоразвитым цивилизациям создавать и поддерживать кротовые норы для межзвездных путешествий, а также создавать машины времени для путешествия в прошлое?»

Вывод таков: по всей видимости, в ближайшие десятилетия космические детекторы гравитационных волн дадут нам достаточно материала, чтобы разобраться в различных «до-взрывных» теориях и сделать выбор между ними.

Поэт Томас Элиот задал в свое время вопрос: умрет ли Вселенная в грохоте или в слезах? Роберт Фрост спрашивал: что нас погубит, огонь или лед? Последние данные указывают на то, что концом Вселенной станет Большой мороз; температура упадет почти до абсолютного нуля, а разумная жизнь исчезнет. Но можем ли мы утверждать это с уверенностью?

Кое-кто задается еще и таким вопросом о «невозможности»: разве можем мы узнать окончательную судьбу Вселенной, если это событие отделяют от нас триллионы и триллионы лет? Ученые считают, что темная энергия, или энергия вакуума, расталкивает галактики прочь друг от друга и заставляет их разлетаться со все возрастающей скоростью; похоже, Вселенная пошла вразнос. Расширение должно постепенно понижать температуру во Вселенной и в конце концов привести нас всех к Большому морозу. Но что, если это расширение временное? Возможно ли, что в будущем начнется обратный процесс?

К примеру, Большой всплеск—один из сценариев Большого взрыва, в котором Вселенная возникает при столкновении двух мембран, — предполагает, что мембраны, возможно, сталкиваются периодически. Если это так, то расширение, которое мы наблюдаем в настоящий момент и которое вроде бы должно привести к Большому морозу, — это всего лишь временное состояние, за которым последует обратный процесс.

Нынешнее ускоренное разбегание вселенных вызвано темной энергией, причиной существования которой, вероятно, служит «космологическая константа». Поэтому главное — понять эту загадочную константу, или энергию вакуума. Меняется ли эта константа со временем или она действительно постоянна? В настоящее время никто этого наверняка не знает. Данные спутника WMAP, находящегося в настоящее время на околоземной орбите, свидетельствуют о том, что именно эта космологическая константа вызывает нынешнее ускорение разбегания Вселенной, но мы не знаем, постоянно такое состояние или нет.

На самом деле эта проблема не нова и восходит еще к 1916 г., когда Эйнштейн впервые ввел в свои уравнения космологический член. Предложив годом раньше общую теорию относительности, он тогда разрабатывал ее космологические следствия и обнаружил — к собственному немалому удивлению,—что Вселенная не статична, что она либо расширяется, либо сжимается. Но эта мысль, казалось, противоречила фактическим данным.

Эйнштейн столкнулся с парадоксом Бентли, терзавшим еще Ньютона. В 1692 г. достопочтенный Ричард Бентли написал Ньютону невинное письмо и задал страшный по сути вопрос. Если ньютонова сила тяготения способна только притягивать, спрашивал Бентли, то почему Вселенная не схлопывается? Если Вселенная состоит из конечного числа звезд, которые взаимно притягиваются, то все звезды по идее должны были бы слететься в одно место—и тогда вся Вселенная превратилась бы в один огненный шар! Ньютона это письмо очень расстроило — ведь оно указывало на важнейший недостаток его теории: любая теория тяготения, которая предусматривает только притяжение, по сути своей нестабильна. Любое конечное число звезд неизбежно коллапсирует под действием силы притяжения.

Ньютон написал в ответ, что единственный способ создать стабильную Вселенную, — это считать, что в ней бесконечное число равномерно распределенных звезд; при этом каждую звезду тянут во все стороны, и все силы взаимно компенсируются. Это было неглупое решение, но Ньютон был достаточно умен, чтобы понимать; такая стабильность обманчива. Самые слабые колебания заставят подобную систему развалиться, как карточный домик. Она «метастабильна»; т. е. стабильна до тех пор, пока любое слабое возмущение не вызовет ее коллапса. Ньютон заключил, что без Бога в этом деле не обойтись; именно Бог должен время от времени «подправлять» звезды и ставить их на места, чтобы избежать краха Вселенной.

Другими словами, Вселенная по Ньютону подобна гигантским часам, которые были заведены Богом в начале времен и теперь существуют, подчиняясь законам Ньютона. Будучи раз заведенной, дальше Вселенная живет сама, без божественного вмешательства. Тем не менее, согласно Ньютону, время от времени Бог должен подправлять звезды, чтобы не дать Вселенной схлопнуться в единый огненный шар.

Когда Эйнштейн в 1916 г. наткнулся на парадокс Бентли, уравнения правильно подсказали ему, что Вселенная динамична, она или расширяется, или сжимается; статичная Вселенная нестабильна и должна была бы схлопнуться под действием гравитации. Но астрономы в то время настаивали, что Вселенная статична и неизменна. Поэтому Эйнштейн, склоняясь перед наблюдательными данными астрономии, добавил космологическую константу — силу, противоположную тяготению и расталкивающую звезды прочь друг от друга; эта сила должна была компенсировать силу притяжения и противостоять коллапсу Вселенной. (Эта сила, противоположная гравитации, соответствовала энергии, заключенной в вакууме. Иначе говоря, Эйнштейн допустил, что громадные пустые пространства космоса содержат в себе большое количество невидимой энергии.) Предполагалось, что эту константу, которая должна точно компенсировать силу гравитационного притяжения, следует выбирать очень тщательно.

Позже, в 1929 г., когда Эдвин Хаббл показал, что в действительности Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал космологическую константу своей «величайшей ошибкой». Однако теперь, 70 лет спустя, получается, что «ошибка» Эйнштейна — космологическая константа — может все-таки оказаться крупнейшим источником энергии во Вселенной; в ней заключено 73% всего вещества и энергии Вселенной. (Напротив, те элементы, из которых строятся наши тела, составляют всего лишь 0,03% Вселенной.) Очень может быть, что ошибка Эйнштейна определит окончательную судьбу Вселенной.

Но откуда взялась космологическая константа? В настоящее время этого никто не знает. В начале времени сила антитяготения была, возможно, достаточно велика, чтобы заставить Вселенную раздуваться и вызвать таким образом Большой взрыв. Затем она по неизвестным причинам внезапно исчезла. СВ этот период Вселенная продолжала расширяться, но медленнее.) А затем, примерно через 8 млрд лет после Большого взрыва, сила антитяготения вновь проявила себя; она начала расталкивать галактики и снова ускорила разбегание Вселенной.

Итак, действительно ли «невозможно» определить окончательную судьбу Вселенной? Или все же возможно? Большинство ученых считает, что размер космологической константы определяется в конечном итоге квантовыми эффектами. Но простейший расчет по упрощенной версии квантовой теории показывает, что теоретическое значение космологической константы отличается от реального в 10 120 раз. Безусловно, это величайшая нестыковка в истории науки.

Но физики также сходятся во мнении о том, что эта странность просто означает, что нам не хватает теории квантовой гравитации. Поскольку космологическая константа возникает из квантовых поправок, необходимо построить «теорию всего» — теорию, которая позволит нам рассчитать не только Стандартную модель, но и размер космологической константы, которая определит окончательную судьбу Вселенной.

Таким образом, при определении окончательной судьбы Вселенной нам не обойтись без теории всего. Ирония ситуации заключается в том, что некоторые физики считают, что разработать такую теорию невозможно.
Теория всего?

Как я уже упоминал, лучшим кандидатом на роль теории всего является сегодня теория струн; но у этой точки зрения есть и противники, считающие, что теория струн не оправдывает ожиданий. С одной стороны, такой ученый, как профессор MIT Макс Тегмарк, пишет: «Я думаю, что в 2056 г. уже можно будет купить футболку с формулами, описывающими унифицированные физические законы нашей Вселенной». С другой стороны, в настоящий момент формируется группа решительных критиков, которые утверждают, что теории струн еще предстоит многое доказать. Не важно, сколько появилось по ее поводу восторженных статей или документальных телефильмов; некоторые говорят, что теория струн пока не дала ни одного факта, который можно было бы проверить. Споры по этому поводу разгорелись с новой силой в 2002 г., когда Стивен Хокинг перешел в другой лагерь и, ссылаясь на теорему о неполноте, заявил, что теория всего вполне может оказаться даже математически невозможной.

Неудивительно, что жаркие споры вынудили одних физиков пойти против других физиков — ведь цель так благородна, хотя и ускользает с завидным постоянством. Стремление объединить все законы природы тысячелетиями дразнило и манило в равной степени и философов, и физиков. Сам Сократ однажды сказал: «Мне это представлялось наивысшим — знать объяснение всего, почему это появляется, почему гибнет, почему существует».

Первое серьезное предположение, имеющее отношение к теории всего, было выдвинуто около 500 г. до н.э.; считается, что примерно в это время греки-пифагорейцы разгадали математические законы музыки. Проанализировав узлы и колебания лирной струны, они сумели показать, что музыка подчиняется замечательно простым математическим правилам. Затем появились рассуждения о том, что, может быть, гармониями лирной струны можно объяснить все в природе. (В каком-то смысле современная теория струн возродила к жизни мечту пифагорейцев!)

Можно смело сказать, что уже в наше время чуть ли не все гиганты физики XX в. пробовали свои силы в разработке единой теории поля. Но, как предостерегает Фримен Дайсон, «поле боя физической науки сплошь усыпано трупами унифицированных теорий».

В 1928 г. газета New York Times вышла с сенсационным заголовком: «Эйнштейн на пороге великого открытия; злится на непрошеное вторжение». Помещенная под ним заметка привела средства массовой информации в неистовство, возбудила вокруг теории всего журналистскую суматоху и довела напряжение в обществе до критической точки. Заголовки кричали: «Эйнштейн поражен суматохой вокруг новой теории! Держит 100 журналистов в напряжении целую неделю!» Десятки журналистов буквально роились вокруг его дома в Берлине и несли круглосуточную вахту, мечтая увидеть гения хотя бы краешком глаза и дать материал позабористее. Эйнштейн вынужден был скрываться.

Астроном Артур Эддингтон писал Эйнштейну: «Вас, может быть, позабавит известие о том, что один из крупнейших универсальных магазинов в Лондоне («Selfridges») поместил в витрине вашу статью (те самые шесть страничек в ряд на одном стенде), чтобы прохожие могли прочесть ее от начала до конца. У витрины собираются большие толпы, все читают». (В 1923 г. Эддингтон предложил собственную единую теорию поля, над которой затем неустанно работал до самой смерти в 1944 г.)

В 1946 г. Эрвин Шрёдингер, один из основателей квантовой механики, собрал пресс-конференцию, на которой озвучил свою единую теорию поля. На пресс-конференции появился даже премьер-министр Ирландии Эмон де Валера. Когда один из репортеров спросил, что он будет делать, если его теория окажется ошибочной, Шрёдингер ответил: «Я уверен, что прав. Если я не прав, я буду выглядеть полным идиотом». (Шрёдингер действительно почувствовал себя оскорбленным, когда Эйнштейн вежливо указал на ошибки в его теории.)

Самым яростным критиком всякой унификации был физик Вольфганг Паули. Он упрекал Эйнштейна, перефразируя Библию: «Итак, что Бог разлучил, того человек да не сочетает». Он беспощадно громил любую недоработанную теорию, отпуская язвительные замечания: «Эту теорию нельзя даже назвать неверной». Тем не менее по иронии судьбы величайший скептик Паули сам заразился всеобщим безумием. В 1950-х гг. он вместе с Вернером Гейзенбергом предложил собственную единую теорию поля.

В 1958 г. Паули представил единую теорию Гейзенберга-Паули в Колумбийском университете. На Нильса Бора, присутствовавшего в зале, она не произвела особого впечатления. Бор встал и сказал: «Мы здесь, в задних рядах, убеждены, что ваша теория безумна. Но наши мнения разделились в том, достаточно ли она безумна». Теория подверглась уничижительной критике. Поскольку все очевидные варианты единой теории были давно рассмотрены и отвергнуты, истинная единая теория поля должна была выглядеть совершенно неожиданно и в корне отличаться от всех прежних версий. Теория Гейзенберга-Паули была попросту слишком традиционной, слишком обычной, слишком здравой, чтобы оказаться истинной. (В том же году Паули был очень встревожен, когда Гейзенберг заметил в одной из радиопередач, что в их общей теории не хватает лишь некоторых технических деталей. Паули отправил друзьям письмо с пустым прямоугольником и подписью под ним: «Таким образом я хочу продемонстрировать миру, что способен рисовать, как Тициан. Моему рисунку не хватает лишь технических деталей».)
Критика теории струн

На сегодняшний день ведущим (и единственным) кандидатом на роль теории[33] всего является теория струн. Но возникла, естественно, и отрицательная реакция. Оппоненты утверждают: теперь, чтобы получить постоянную должность в одном из лучших университетов, вы должны непременно работать над теорией струн. Если вы не занимаетесь этой теорией, останетесь без работы. Это повальное увлечение сегодняшнего дня — и физика, разумеется, от этого страдает.

Я только улыбаюсь, когда слышу подобные высказывания, — ведь физика, как любое другое человеческое занятие, подвержена увлечениям и моде. Судьбы великих теорий, особенно тех, что рождаются на острие человеческого познания, могут испытывать неожиданные и даже случайные взлеты и падения. Вообще, ситуация поменялась не так уж давно; исторически именно теория струн была изгоем, теорией-отступником и жертвой мейнстрима.

Теория струн зародилась в 1968 г., когда два молодых свежеиспеченных доктора — Габриель Венециано и Махико Судзуки — наткнулись на формулу, описывавшую вроде бы столкновения субатомных частиц. Вскоре обнаружилось, что эта чудесная формула может быть получена как описание столкновения колеблющихся струн. Но к 1974 г. работа над этой теорией практически замерла. Появившаяся на горизонте новая теория — квантовая хромодинамика, или теория кварков и сильного взаимодействия, — подобно колеснице Джаггернаута, давила своей мощью все остальные теории. Физики толпами бросали теорию струн ради работы над новой многообещающей теорией. Все финансирование, все рабочие места и признание доставались ученым, работавшим над кварковой моделью.

Я хорошо помню те темные годы. Над теорией струн продолжали работать только отъявленные упрямцы и авантюристы. А когда выяснилось, что струны, о которых идет речь, способны колебаться только в десятимерном пространстве, теория вообще стала объектом насмешек. Пионер теории струн Джон Шварц из Калифорнийского технологического иногда сталкивался в лифте с Ричардом Фейнманом. Фейнман, всегда любивший пошутить, частенько спрашивал: «Ну, Джон, сколько измерений в пространстве, где вы сегодня находитесь?» Мы даже шутили, что единственное место, где можно найти физика-теоретика — специалиста по теории струн, — это очередь на биржу труда.

(Нобелевский лауреат Мюррей Гелл-Манн, основатель кварковой модели, однажды признался мне, что из жалости к теоретикам-струнникам организовал у себя в Калифорнийском технологическом институте «заповедник для вымирающего вида, специалистов по теории струн», чтобы люди вроде Джона не лишились работы.)

Говоря о том, что сегодня многие молодые физики стремятся работать над теорией струн, Стив Вайнберг написал: «Теория струн представляет собой на данный момент единственного претендента на роль окончательной теории, — так можно ли ожидать, что многие способнейшие молодые теоретики не захотят работать над ней?»

Действительно ли теорию струн невозможно проверить?

Одно из главных возражений против теории струн состоит в том, что ее невозможно проверить. Ее противники утверждают, что для реальной проверки этой теории потребовался бы ускоритель частиц размером с галактику.

Но критики забывают о том, что очень многое в науке делается отнюдь не прямо; очень часто результат проще получить косвенным путем. Никто еще не побывал на Солнце, чтобы провести непосредственные измерения, но мы можем анализировать спектральные линии солнечного света и потому знаем, что Солнце состоит из водорода.

Или возьмем черные дыры. Теория черных дыр восходит к 1783 г., когда Джон Мичелл опубликовал статью в «Философских трудах Королевского общества». Он утверждал, что звезда может быть настолько массивной, что «весь излучаемый таким телом свет вынужден будет вернуться к нему под действием его собственной гравитации». В течение нескольких столетий теория темной звезды Мичелла влачила жалкое существование, поскольку проверить ее непосредственно было невозможно.

В 1939 г. Эйнштейн даже написал статью, в которой доказывалось, что подобная темная звезда не может сформироваться естественным путем. Главным аргументом было то, что темные звезды невозможно обнаружить по самой их природе — ведь они по определению невидимы. Но сегодня благодаря космическому телескопу имени Хаббла у нас есть великолепные доказательства существования черных дыр. В настоящее время мы убеждены, что в центрах галактик могут скрываться миллиарды черных дыр; в нашей собственной Галактике могут существовать десятки бродячих черных дыр. Но суть в том, что все данные о черных дырах получены косвенным путем; а именно мы получаем информацию о черной дыре путем изучения аккреционного диска, который вращается вокруг нее.

Более того, многие «непроверяемые» теории со временем становятся проверяемыми. На то, чтобы доказать существование атомов, предсказанных Демокритом, потребовалось две тысячи лет. Еще в XIX в. физика вроде Людвига Больцмана, верившего в атомную теорию, могли затравить насмерть, а сегодня у нас есть великолепные фотографии атомов. Великий скептик Паули ввел в 1930 г. понятие нейтрино — частицы настолько неуловимой, что она способна пролететь сквозь свинцовый шар размером с Солнечную систему и ни с чем при этом не провзаимодействовать. Паули сказал: «Я совершил страшный грех; я ввел частицу, которую невозможно пронаблюдать». Обнаружить нейтрино было «невозможно», поэтому в течение нескольких десятков лет необычная частица считалась чуть ли не фантастикой. А сегодня мы умеем создавать нейтринные пучки.

Уже запланировано несколько экспериментов, которые, как надеются физики, помогут косвенным образом проверить теорию струн.

• Большой адронный коллайдер, возможно, окажется достаточно мощным для получения суперчастиц, которые предсказаны теорией суперструн (как и другими теориями суперсимметрии) и представляют собой высшие моды колебаний.

• Как я уже упоминал, в 2015 г. в космос будет запущена LISA — космическая антенна с лазерным интерферометром. LISA и ее преемник, Наблюдатель Большого взрыва, окажутся, возможно, достаточно чувствительными для проверки нескольких теорий о том, что было до Большого взрыва, включая и различные версии теории струн.

• Множество лабораторий сейчас пытаются обнаружить, действует ли в миллиметровом масштабе знаменитый ньютоновский закон о том, что сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Отклонения от этого закона могут говорить о существовании высших измерений. (Если существует, к примеру, четвертое пространственное измерение, то сила притяжения должна уменьшаться пропорционально кубу, а не квадрату расстояния.) Последняя версия теории струн (М-теория) утверждает, что измерений на самом деле 11.

• Многие лаборатории пытаются обнаружить темное вещество, или скрытую массу, ведь Земля движется в космическом потоке темного вещества. Теория струн позволяет сформулировать конкретные проверяемые предсказания о физических свойствах темного вещества — ведь оно, вероятно, представляет собой высшие колебания струн (например, фотино).

• Есть надежда, что серия дополнительных экспериментов (к примеру, эксперименты по определению поляризации нейтрино, проводимые на Южном полюсе) позволит обнаруживать черные мини-дыры и другие странные объекты путем анализа аномалий космических лучей с энергиями, превосходящими, возможно, энергии частиц в Большом адронном коллайдере. Эксперименты с космическими лучами и с коллайдером откроют новые интересные горизонты, помимо Стандартной модели.

• Некоторые физики допускают, что сила Большого взрыва могла разогнать какую-нибудь крошечную суперструну до поистине космических масштабов. Физик Александр Виленкин из Университета Тафтса пишет: «Одна очень интересная возможность заключается в том, что суперструны... могут достигать астрономических масштабов... В этом случае мы могли бы пронаблюдать их в небе и таким образом напрямую проверить теорию суперструн». (Вероятность найти в космосе гигантскую реликтовую суперструну, сохранившуюся с момента Большого взрыва, очень мала.)
О неполноте физики

В 1980 г. Стивен Хокинг вновь разжег интерес к теории всего; он прочел.лекцию под названием «Близится ли конец теоретической физики?», в которой сказал: «Возможно, мы увидим полную теорию еще при жизни некоторых из присутствующих здесь». Он утверждал, что с 50-процентной вероятностью полная и окончательная теория будет найдена в течение ближайших 20 лет. Но когда наступил 2000 г., а консенсуса по поводу теории всего по-прежнему не было, Хокинг изменил свое мнение и перенес ту же вероятность в 50% на следующие 20 лет.

Затем в 2002 г. Хокинг еще раз передумал и заявил, что теорема Гёделя о неполноте, вполне возможно, указывает на принципиальную ошибку в его первоначальных рассуждениях. Он написал: «Некоторые люди будут очень разочарованы тем, что не существует окончательной теории, которую можно сформулировать в конечном числе пунктов. Я раньше тоже принадлежал к этому лагерю, но теперь изменил мнение... Теорема Гёделя гарантирует, что для математиков работа всегда останется. Я думаю, что М-теория сделает то же самое для физиков».

Его аргументы не новы: поскольку математика неполна, а языком физики является именно математика, в физике всегда будут существовать неподвластные нам истинные утверждения, а потому теории всего быть не может. Теорема о неполноте, убившая мечту греков о том, чтобы все истинные утверждения в математике были доказаны, сделает невозможным и создание теории всего.

Фримен Дайсон был более красноречив: «Гёдель доказал, что мир чистой математики неисчерпаем; никакое конечное число аксиом и логических правил не в состоянии охватить всю математику... Я надеюсь, что аналогичная ситуация существует и в мире физики. Если мой взгляд на будущее верен, то мир физики и астрономии тоже неисчерпаем; не важно, сколько пройдет времени, — мы всегда будем наблюдать новые явления и получать новую информацию; всегда будут появляться новые миры, которые можно исследовать, — постоянно расширяющиеся владения жизни, сознания и памяти».

Астрофизик Джон Барроу так обобщил этот логический подход: «Наука основана на математике; математика не в состоянии раскрыть все истины; следовательно, наука не в состоянии раскрыть все истины».

Подобные аргументы могут быть верны или неверны, но потенциальные недостатки у такой точки зрения имеются. Профессиональные математики по большей части игнорируют в своей работе теорему о неполноте. Дело в том, что теорема о неполноте начинает с анализа утверждений, которые ссылаются сами на себя; в логике такие утверждения называют самоотносимыми. Приведем примеры парадоксальных утверждений:

Это высказывание ложно.

Я лжец.

Это утверждение невозможно доказать.

В первом случае, если высказывание истинно, это значит, что оно ложно. Если высказывание ложно, то само утверждение истинно. Точно так же и во втором: если я говорю правду, это означает, что я лгу; а если я лгу, то я говорю правду. В последнем случае, если высказывание истинно, то доказать его истинность невозможно.

(Второе высказывание—это знаменитый парадокс лжеца. Критский философ Эпименид обычно иллюстрировал этот парадокс следующим утверждением: «Все критяне лжецы». Однако св. Павел не уловил смысла этого высказывания и написал в послании к Титу: «Из них же самих один стихотворец сказал: "Критяне всегда лжецы, злые звери, утробы ленивые". Свидетельство это справедливо».)

Теорема о неполноте строится на утверждениях вроде «Это высказывание нельзя доказать при помощи аксиом арифметики» и сплетает сложную паутину подобных самоотносимых парадоксов.

Хокинг, однако, использует теорему о неполноте, чтобы показать, что теория всего невозможна. Он утверждает, что ключ к теореме Гёделя ?—тот факт, что математика вообще самоотносима и что физика тоже страдает этой болезнью. Наблюдателя невозможно изолировать от процесса наблюдения; это означает, что физика всегда будет ссылаться сама на себя — ведь мы не в состоянии покинуть Вселенную. В конце концов, наблюдатель тоже состоит из атомов и молекул, а потому неизбежно является составной частью и участником эксперимента, который проводит.

Но существует способ обойти возражения Хокинга. Чтобы не сталкиваться с парадоксами, присущими теореме Гёделя, профессиональные математики сегодня поступают очень просто: они заранее исключают из своей работы самоотносимые высказывания. В этом случае теорему о неполноте можно обойти. Вообще, взрывное развитие математики со времен Гёделя в значительной степени достигнуто за счет игнорирования его теоремы о неполноте, т. е. за счет постулирования того факта, что последние работы не допускают самоотносимых высказываний.

Точно так же может оказаться возможным сформулировать теорию всего, которая объяснит все известные экспериментальные данные вне зависимости от бесконечного спора об отделении наблюдателя от наблюдаемого явления. Если такая теория всего сможет объяснить все, начиная с Большого взрыва и заканчивая сегодняшней видимой Вселенной, то будет уже неважно, как именно мы опишем взаимодействие между наблюдателем и наблюдаемым. Более того, можно говорить об одном из критериев правильности такой теории: ее выводы должны быть совершенно независимы от того, как именно мы разделяем наблюдателя и наблюдаемое.

Скажем больше. Природа может быть беспредельной и неисчерпаемой, даже если она основана всего на нескольких принципах. Рассмотрим шахматную партию. Попросите пришельца с другой планеты определить правила только из наблюдений за игрой. Через некоторое время пришелец сможет уверенно сказать, как ходят пешки, слоны и короли. Правила игры просты и конечны. Но вариантов в ней поистине астрономическое количество. Точно также законы и правила природы, возможно, просты и конечны, но приложения этих правил могут оказаться неисчерпаемыми. Наша цель — отыскать эти правила.

В определенном смысле у нас уже есть полная теория многих явлений. Никто никогда не видел, чтобы нарушались уравнения Максвелла для света. Стандартную модель часто называют теорией почти всего. Представьте на мгновение, что мы можем исключить гравитацию. В этом случае Стандартная модель становится вполне надежной теорией всех явлений, за исключением гравитации. Может быть, эта теория некрасива, но она работает. Даже теорема о неполноте не мешает нам обладать разумной теорией всего (за исключением гравитации).

Мне представляется поистине замечательным, что на одном листе бумаги можно записать законы, которые управляют всеми известными физическими явлениями в пределах 43 порядков по величине — от дальних пределов космоса на расстоянии более 10 млрд световых лет до микромира кварков и нейтрино. На этом листе будет всего две формулы: теория гравитации Эйнштейна и Стандартная модель. По-моему, это говорит об абсолютной простоте и гармонии природы на фундаментальном уровне. Вселенная могла оказаться неправильной, случайной или непостоянной. Но мы видим, что на самом деле она едина, гармонична и красива.

Нобелевский лауреат Стив Вайнберг сравнивает наши поиски теории всего с поисками Северного полюса. На протяжении веков древние моряки пользовались картами, на которых Северный полюс просто отсутствовал. Стрелки всех компасов, все маршруты указывали на этот отсутствующий кусок карты, но в реальности никому не удавалось там побывать. Точно так же все наши данные и теории безошибочно указывают на теорию всего. Ее не хватает нам для полноты уравнений.

Всегда будут существовать вещи, лежащие далеко за пределами возможностей нашей науки; объекты и явления, которые невозможно исследовать (к примеру, точное положение электрона или мир, существующий по ту сторону скорости света). Но я убежден, что фундаментальные законы познаваемы и конечны. И ближайшие годы могут стать самыми интересными в истории физики — ведь нам предстоит исследовать Вселенную при помощи нового поколения ускорителей частиц, космических детекторов гравитационных волн и других новых технологий. Мы не в конце пути; скорее мы стоим на пороге новой физики. Но, что бы мы ни обнаружили, за любыми достижениями непременно откроются новые горизонты. Они ждут нас.
Ком-ев: 0 Автор: admin
Вы читаете новость Физика невозможного - Будущее невозможного если Вам понравилась статья Физика невозможного - Будущее невозможного, прокоментируйте ее.
html-cсылка на публикацию
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Добавьте комментарий