Чи існують істини, які назавжди залишаться недоступними для нас? Чи існують скарбниці знань, які будуть непідвладні навіть розвинутій цивілізації? З усіх технологій, які ми обговорили в цій книзі, тільки вічний двигун і передбачення майбутнього довелося віднести до III класу неможливості. Чи існують інші, настільки ж неможливі технології?

У чистій математиці повно теорем, доводять повну неможливість того чи іншого події. Простий приклад: неможливо розділити кут натроє за допомогою тільки циркуля і лінійки; це доведено ще в 1837 р.

Навіть в простих системах, таких як арифметика, існують неможливі дії. Як я вже згадував, неможливо довести, що всі істинні твердження в арифметиці в межах постулатів самої арифметики. В ній завжди будуть існувати істинні твердження, які можна довести лише у межах більш великої системи, підсистемою якої є арифметика.

Отже, в математиці існують речі неможливі, але у фізиці дуже небезпечно заявляти, що якась подія або дія абсолютно неможливо. Дозвольте нагадати вам промову, яку виголосив нобелівський лауреат Альберт Майкельсон в 1894 р. на церемонії відкриття фізичної лабораторії Райерсона в Чиказькому університеті; Майкельсон заявив, що неможливо відкрити будь-яку нову фізику: «Всі найважливіші фундаментальні закони і факти фізичної науки вже відкриті і міцно утвердилися; ймовірність того, що їх коли-небудь в результаті нових відкриттів змінять інші закони і факти, надзвичайно мала... В майбутньому нам слід очікувати нових відкриттів лише в шостому знаку після коми».

Його зауваження прозвучали буквально напередодні найбільших потрясінь в історії науки - квантової революції 1900 р. і відкриття теорії відносності в 1905 р. Справа в тому, що події, які ми сьогодні вважаємо неможливими, порушують відомі нам закони фізики - але ж ці закони можуть змінюватися.

У 1825 р. великий французький філософ Огюст Конт у своєму «Курсі філософії» заявив, що наука ніколи не зможе визначити, з чого зроблені зорі. У той час це твердження виглядало цілком слушним, адже про природу зірок нічого не було відомо. Ясно було, що вони знаходяться дуже далеко і дістатися до них неможливо. Але всього через кілька років після заяви Конта фізики дізналися (за допомогою спектроскопії), що Сонце складається з водню. Більше того, сьогодні ми знаємо, що шляхом аналізу спектральних ліній зірок, випромінювали світло мільярди років тому, можна визначити хімічний склад більшої частини Всесвіту.

Конт кинув виклик науковому світу, перерахувавши ще кілька «неможливих подій».

• Він стверджував, що «глибинна структура тел назавжди залишиться за межами наших знань». Іншими словами, неможливо пізнати справжню природу матерії.

• Він вважав, що математика неприложима до біології і хімії. Він стверджував, що ці науки неможливо звести до рівня математики.

• Він вважав, що вивчення небесних тіл не може принести реальної користі людству.

У XIX ст. у філософа були всі підстави для подібних заяв, адже фундаментальна наука тоді тільки зароджувалася і мало що знала. Майже нічого не було відомо про таємниці речовини і життя. Але сьогодні у нас є атомна теорія, яка відкрила нові простори для наукових досліджень і вивчення структури речовини. Ми знаємо про ДНК і квантової теорії, розкрила нам таємниці життя і хімії. Ми знаємо також про прилітають з космосу метеоритах, які не лише вплинули на розвиток життя на Землі, але і, можливо, брали участь у її зародженні.

Астроном Джон Барроу зауважив: «Історики досі обговорюють, чи не стали погляди Конта однією з причин послідував незабаром занепаду французької науки».

Математик Давид Гільберт, відкидаючи твердження Конта, писав: «На мою думку, справжня причина того, що Конту не вдалося знайти жодної дійсно нерешаемои проблеми, полягає в тому, що невирішуваних проблем не існує».

Але сьогодні деякі вчені намагаються скласти новий список неможливих подій: ми ніколи не дізнаємося, що було до Великого вибуху (або, скажімо, що послужило його причиною); ми ніколи не отримаємо «теорію всього».

Фізик Джон Уілер написав з приводу першого «неможливого» питання: «Двісті років тому можна було запитати у будь-якої людини: "чи Зможемо ми зрозуміти коли-небудь, як виникло життя?" - і почути у відповідь: "Абсурд! Це неможливо!" Я приблизно так само ставлюся до питання "Зрозуміємо ми коли-небудь, як виник Всесвіт?"».

Астроном Джон Барроу додав: «Швидкість світла обмежена, тому обмежені і наші знання про структуру Всесвіту. Ми не можемо визначити, вона скінченна або нескінченна, чи було у неї початок і буде кінець, однакова всюди її структура і взагалі, в кінці кінців, упорядкування Всесвіт чи ні... На всі принципові питання про природу Всесвіту - від початку і до кінця - виявляється, неможливо відповісти»,

Барроу прав в тому, що ми ніколи не дізнаємося з абсолютною точністю справжню природу Всесвіту в усьому її пишноті. Але ми цілком здатні відщипувати по шматочку від цих вічних невичерпних питань і поступово наближатися до істини. Твердження про неможливість чого б то не було, треба, мабуть, розглядати не як абсолютні межі нашого знання, а як виклик наступного покоління вчених. Ці межі, подібно скоринці пирога, виникають, щоб бути зруйнованими.
Епоха до Великого вибуху

Що стосується Великого вибуху, то зараз створюється нове покоління приладів, які, можливо, допоможуть нам вирішити деякі вічні питання. Сьогодні наші космічні детектори випромінювання реєструють тільки мікрохвильове випромінювання, що виникло через 300 000 років після Великого вибуху, коли сформувалися перші атоми. Це випромінювання не в змозі допомогти нам розібратися в тому, що було до цього, тому що випромінювання первісної вогняної кулі було занадто гарячим і випадковим, щоб з нього можна було отримати якусь корисну інформацію.

Але не виключено, що за допомогою аналізу інших типів випромінювання ми зможемо дістатися до Великого вибуху трохи ближче. Наприклад, масу цікавої інформації обіцяє нам вивчення нейтрино. Нейтрино настільки невловимі, що можуть пролетіти крізь свинцеву кулю розміром з Сонячну систему, тому нейтринної випромінювання може розповісти нам про те, що сталося через кілька секунд після Великого вибуху.

Остаточно ж розібратися в таємницях Великого вибуху нам, можливо, допоможуть «гравітаційні хвилі - хвилі, що біжать по тканині простору-часу. Фізик Рокі Колб із Чиказького університету говорить: «Визначивши властивості нейтринного фону, ми зможемо заглянути в момент через одну секунду після Великого вибуху. Але гравітаційні хвилі з зони інфляції виникли у Всесвіті через 10~35 секунд після вибуху».

Першим передбачив гравітаційні хвилі Ейнштейном в 1916 р.; можливо, з часом вони стануть найважливішим інструментом астрономії. Звертаючись до історії, можна сказати, що з приборканням кожної нової форми випромінювання в астрономії починалася нова ера. Спочатку був тільки видиме світло, за допомогою якого Галілей вивчив Сонячну систему. Потім до нього додалися радіохвилі, які згодом дозволили людині зазирнути в центри галактик і виявити там чорні діри. Не виключено, що детектори гравітаційних хвиль розкриють для нас - ні багато ні мало - таємниці творіння.

В деякому сенсі гравітаційні хвилі просто зобов'язані існувати. Щоб переконатися в цьому, розглянемо старий як світ питання: що станеться, якщо раптом зникне Сонце? За Ньютону, ми відчуємо це негайно. Земля миттєво буде вышвырнута з орбіти і ввергнута в пітьму. Справа в тому, що закон всесвітнього тяжіння Ньютона не приймає до уваги швидкість взаємодії, тому сили гравітації діють миттєво у всій Всесвіту. Але, згідно Ейнштейну, ніщо не може рухатися швидше світла, і інформація про зникнення Сонця досягне Землі тільки через вісім хвилин. Іншими словами, сферична «ударна хвиля» гравітації вийде з Сонця і лише через деякий час вдарить по Землі. Поза сферичної межі цієї гравітаційної хвилі буде здаватися, що Сонце, як і раніше світить і знаходиться на місці - адже інформація про його зникнення ще не досягла Землі. Однак всередині сфери гравітаційної хвилі Сонця вже не буде, тому що ця хвиля розповсюджується зі швидкістю світла.

Ще один спосіб переконатися в тому, що гравітаційні хвилі повинні існувати, - це уявити собі дуже велику простирадло. Згідно Ейнштейну, простір-час - це тканина, яку можна згортати або розтягувати подібно простирадлі. Якщо схопити простирадло за край і швидко потрясти, ми побачимо, що по полотну побіжать хвилі, або брижі, - причому побіжать з певною швидкістю. Точно так само гравітаційні хвилі можна уподібнити брижів, що біжить по тканині простору-часу.

Гравітаційні хвилі належать до найбільш стрімко розвиваються тем сучасної фізики. У 2003 р. були введені в дію перші великомасштабні детектори гравітаційних хвиль, що отримали назву LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory); ці детектори мають 4 км в довжину і розташовані в Хэнфорде, штат Вашингтон, і в Лівінгстон-Періш, штат Луїзіана. Вчені сподіваються, що детектори LIGO, обошедшиеся нам в 365 млн дол., зможуть зареєструвати випромінювання від стикаються нейтронних зірок і чорних дір.

Наступне велике подія, ймовірно, відбудеться в 2015 р., коли почнеться запуск супутників нового покоління, призначених для аналізу гравітаційного випромінювання в космосі з самого моменту творіння. Це спільний проект NASA і Європейського космічного агентства; на околосолнечную орбіту передбачається запустити три супутники, які разом складуть систему з красивим ім'ям LISA (Laser Interferometer Space Antenna - космічна антена з лазерним інтерферометром). Ці супутники зможуть реєструвати гравітаційні хвилі, які виникли менш ніж через одну трильйонну частку секунди після Великого вибуху. Проходячи через один із супутників, гравітаційна хвиля Великого вибуху, досі гуляє по всій Всесвіту, потривожить лазерні промені; ці зміни будуть зареєстровані і виміряні з максимально можливою точністю і дадуть нам «картинку» самого моменту творіння.

За проектом LISA складається з трьох супутників, які обертаються навколо Сонця і утворюють трикутник; вони з'єднані один з одним за допомогою лазерних променів довжиною по 5 млн км і разом утворюють найбільший науковий інструмент, коли-небудь створений людством. Ця система з трьох апаратів буде обертатися навколо Сонця на відстані близько 50 млн км від Землі.

Кожен супутник буде випускати лазерний промінь потужністю всього полватта. Порівнюючи лазерні промені, що прийшли від двох інших супутників, кожен з супутників побудує відповідну інтерференційну картину. Якщо гравітаційна хвиля викличе обурення лазерних променів, інтерференційна картина зміниться - і супутники зможуть зареєструвати цю зміну. (Гравітаційна хвиля не потривожить самі супутники і не змусить їх коливатися. Результатом її впливу стануть викривлення простору між трьома супутниками.)

Хоча лазерні промені будуть надзвичайно слабкими, вони дозволять досягти разючої точності вимірювань. Система зможе реєструвати коливання до однієї частки із мільярди трильйонів - це приблизно відповідає зрушенню в 1/100 частку розміру атома. Кожен з лазерних променів зможе вловити гравітаційну хвилю з відстані в 9 млрд світлових років, що покриває велику частину видимої Всесвіту.

Потенційно чутливості апаратури USA повинно вистачити для того, щоб розрізнити кілька сценаріїв подій до Великого вибуху. На сьогодні одна з найбільш «гарячих» тем теоретичної фізики - розрахунок характеристик Всесвіту до Великого вибуху. В даний час інфляційна теорія досить добре пояснює, як розвивалася Всесвіт після того, як стався Великий вибух. Але ця теорія не в змозі пояснити, чому, власне, цей вибух стався. Таким чином, мета - розрахувати за допомогою різних приблизних моделей ери «до Великого вибуху» параметри гравітаційного випромінювання, яке має бьшо виникнути в момент самого вибуху. Кожна з теорій пророкує своє. Наприклад, випромінювання Великого вибуху, передбачене теорією Великого сплеску, відрізняється від випромінювання, яке пророкують деякі інфляційні теорії, і LISA, цілком можливо, зуміє виключити частину існуючих на сьогодні теорій. Очевидно, безпосередньо перевірити моделі поведінки Всесвіту до Великого вибуху неможливо, оскільки для цього потрібно розуміти, як вела себе Всесвіт до виникнення часу, але ми можемо спробувати перевірити їх опосередковано, адже кожна з цих моделей передбачає свій спектр випромінювання, що виникає після Великого вибуху.

Фізик Кіп Торн пише: «Десь між 2008 і 2030 рр. будуть виявлені гравітаційні хвилі від сингулярності Великого вибуху. Це відкриття стане початком нової ери, яка триватиме принаймні до 2050 р... Ці зусилля розкриють тонкі деталі і властивості сингулярності Великого вибуху і таким чином перевірять, яка з версій теорії струн являє собою вірну квантову теорію гравітації».

Якщо LISA не зможе визначитися з вибором однієї з багатьох «довзрывных» теорій, це, можливо, вдасться зробити її наступнику - Спостерігачеві Великого вибуху (Big Bang Observer, ВВО). Його запуск попередньо планується на 2025 р. ВВО зможе просканувати всю Всесвіт у пошуках подвійних систем, що включають нейтронні зірки і чорні діри масою менше тисячі мас Сонця. Але головна його мета - вивчити гравітаційні хвилі, які виникли під час інфляційної фази Великого вибуху. У цьому сенсі можна сказати, що ВВО спеціально розроблений для перевірки передбачень інфляційної теорії Великого вибуху.

По влаштуванню ВВО нагадує LISA. Він буде складатися з трьох супутників, узгоджено обертаються по орбіті навколо Сонця і розділених відстанню 50 000 км (ці супутники будуть знаходитися один до одного набагато ближче, ніж супутники системи LISA). Кожен супутник зможе випромінювати лазерний промінь потужністю 300 Вт. ВВО зможе реєструвати гравітаційні хвилі з частотами, проміжними між доступними для LIGO і LISA, і таким чином заповнить важливий пробіл. (LISA зможе реєструвати гравітаційні хвилі з частотами від 10 до 3000 Гц, тоді як LIGO доступний діапазон від 10 мкГц до 10 мГц. ВВО зможе реєструвати хвилі в широкому діапазоні частот, що включає обидва освоєних до того часу діапазону.)

«До 2040 р. ми встигнемо вже скористатися цими законами [квантової гравітації] і отримати упевнені відповіді на безліч глибоких, ставлять у глухий кут питань, - пише Торн, - в тому числі... що було до сингулярності Великого вибуху і взагалі, чи було що-небудь "до"? Чи існують інші всесвіти? І якщо існують, то як вони співвідносяться або пов'язані з нашої власної Всесвіту?.. Дозволяють закони фізики високорозвиненим цивілізаціям створювати і підтримувати кротові нори для міжзоряних подорожей, а також створювати машини часу для подорожі в минуле?»

Висновок такий: по всій видимості, в найближчі десятиліття космічні детектори гравітаційних хвиль дадуть нам достатньо матеріалу, щоб розібратися в різних «до-вибухових» теоріях і зробити вибір між ними.

Поет Томас Еліот поставив у свій час питання: помре Всесвіт у гуркоті або в сльозах? Роберт Фрост питав: що нас погубить, вогонь чи лід? Останні дані вказують на те, що кінцем Всесвіту стане Великий мороз; температура впаде майже до абсолютного нуля, а розумне життя зникне. Але чи можемо ми стверджувати це з упевненістю?

Дехто задається таким питанням про «неможливість»: хіба можемо ми дізнатися остаточну долю Всесвіту, якщо це подія відділяють від нас трильйони і трильйони років? Вчені вважають, що темна енергія або енергія вакууму, розштовхує галактики геть один від одного і змушує їх розлітатися з усе зростаючою швидкістю; схоже, Всесвіт пішла в рознос. Розширення повинно поступово знижувати температуру у Всесвіті і зрештою привести нас до Великого морозу. Але що, якщо це розширення тимчасове? Можливо, що в майбутньому почнеться зворотний процес?

Приміром, Великий сплеск-один із сценаріїв Великого вибуху, в якому Всесвіт виникає при зіткненні двох мембран, - припускає, що мембрани, можливо, стикаються періодично. Якщо це так, то розширення, яке ми спостерігаємо зараз і яке начебто має привести до Великого морозу, - це всього лише тимчасовий стан, за яким піде зворотній процес.

Нинішнє прискорене розбігання всесвітів викликано темною енергією, причиною існування якої, ймовірно, служить «космологічна константа». Тому головне - зрозуміти цю загадкову константу, або енергію вакууму. Змінюється ця константа з часом чи вона дійсно стала? В даний час ніхто цього напевно не знає. Дані супутника WMAP, що знаходиться в даний час на навколоземній орбіті, свідчать про те, що саме ця космологічна константа викликає нинішній прискорення розбігання Всесвіту, але ми не знаємо, постійно такий стан чи ні.

Насправді ця проблема не нова і сходить ще до 1916 р., коли Ейнштейн вперше ввів у свої рівняння космологічний член. Запропонувавши роком раніше загальну теорію відносності, він тоді розробляв її космологічні слідства і виявив - до власного чималого здивування,-що Всесвіт не статична, що вона або розширюється, або стискається. Але ця думка, здавалося, суперечила фактичними даними.

Ейнштейн зіткнувся з парадоксом Бентлі, терзавшим ще Ньютона. У 1692 р. високоповажний Річард Бентлі написав Ньютону невинне лист і поставив страшний по суті питання. Якщо ньютонова сила тяжіння здатна тільки притягувати, питав Бентлі, то чому Всесвіт не схлопывается? Якщо Всесвіт складається з кінцевого числа зірок, які взаємно притягуються, то всі зірки по ідеї повинні були б злетітися в одне місце-і тоді вся Всесвіт перетворилася б в один вогненна куля! Ньютона цей лист дуже засмутило - адже воно вказувало на найважливіший недолік його теорії: будь-яка теорія тяжіння, яка передбачає тільки тяжіння, по суті, нестабільна. Будь-яке кінцеве число зірок неминуче колапсує під дією сили тяжіння.

Ньютон написав у відповідь, що єдиний спосіб створити стабільну Всесвіт, - це вважати, що у ній нескінченне число рівномірно розподілених зірок; при цьому кожну зірку тягнуть на всі боки, і всі сили взаємно компенсуються. Це було неглупое рішення, але Ньютон був досить розумний, щоб розуміти; така стабільність оманлива. Найбільш слабкі коливання змусять подібну систему розвалитися, як картковий будиночок. Вона «метастабильна»; тобто стабільна до тих пір, поки будь-слабке обурення не викличе її колапсу. Ньютон уклав, що без Бога в цій справі не обійтися; саме Бог повинен час від часу «підправляти» зірки і ставити їх на місця, щоб уникнути краху Вселитьной.

Іншими словами, Всесвіт по Ньютону подібна гігантським годинах, які були заведені Богом на початку часів і тепер існують, підкоряючись законам Ньютона. Будучи раз заведеною, далі Всесвіт живе сама, без божественного втручання. Тим не менш, згідно Ньютону, час від часу Бог повинен підправляти зірки, щоб не дати Всесвіту зібгатися в єдиний вогненна куля.

Коли Ейнштейн у 1916 р. натрапив на парадокс Бентлі, рівняння правильно підказали йому, що Всесвіт динамічна, вона або розширюється, або стискається; статична Всесвіт нестабільна і мала б луснути під дією гравітації. Але астрономи в той час наполягали, що Всесвіт статична і незмінна. Тому Ейнштейн, схиляючись перед спостережними даними астрономії, додав космологічну константу - силу, протилежну тяжінню і расталкивающую зірки геть один від одного; ця сила повинна була компенсувати силу тяжіння і протистояти колапсу Всесвіту. (Ця сила, протилежна гравітації, відповідала енергії, укладеної в вакуумі. Інакше кажучи, Ейнштейн припустив, що величезні порожні простори космосу містять в собі велику кількість невидимої енергії.) Передбачалося, що цю константу, яка повинна точно компенсувати силу гравітаційного тяжіння, слід вибирати дуже ретельно.

Пізніше, в 1929 р., коли Едвін Хаббл показав, що насправді Всесвіт розширюється, Ейнштейн назвав космологічну константу своєю «найбільшою помилкою». Однак тепер, 70 років тому, виходить, що «помилка» Ейнштейна - космологічна константа - може все-таки виявитися найбільшим джерелом енергії у Всесвіті; в ній укладено 73% всього речовини і енергії Всесвіту. (Навпаки, ті елементи, з яких будуються наші тіла, складають всього лише 0,03% Всесвіту.) Дуже може бути, що помилка Ейнштейна визначить остаточну долю Всесвіту.

Але звідки взялася космологічна константа? В даний час цього ніхто не знає. На початку часу сила антитяготения була, можливо, достатньо велика, щоб змусити Всесвіт роздуватися і викликати таким чином Великий вибух. Потім вона з невідомих причин раптово зникла. СВ цей період Всесвіт продовжувала розширюватися, але повільніше.) А потім, приблизно через 8 млрд років після Великого вибуху, сила антитяготения знову проявила себе; вона почала розштовхувати галактики і знову прискорила розбігання Всесвіту.

Отже, чи справді «неможливо визначити остаточну долю Всесвіту? Чи все ж можливо? Більшість вчених вважає, що розмір космологічної константи визначається в кінцевому підсумку квантовими ефектами. Але найпростіший розрахунок за спрощеною версією квантової теорії показує, що теоретичне значення космологічної константи відрізняється від реального 10 120 разів. Безумовно, це найбільша розбіжність в історії науки.

Але фізики також сходяться на думці про те, що ця дивина просто означає, що нам не вистачає теорії квантової гравітації. Оскільки космологічна константа виникає з квантових поправок, необхідно побудувати «теорію всього» - теорію, яка дозволить нам розрахувати не тільки Стандартну модель, але і розмір космологічної константи, яка визначить остаточну долю Всесвіту.

Таким чином, при визначенні остаточної долі Всесвіту нам не обійтися без теорії всього. Іронія ситуації полягає в тому, що деякі фізики вважають, що розробити таку теорію неможливо.
Теорія всього?

Як я вже згадував, найкращим кандидатом на роль теорії є сьогодні теорія струн; але у цієї точки зору є і противники, які вважають, що теорія струн не виправдовує очікувань. З одного боку, такий вчений, як професор MIT Макс Тегмарк, пише: «Я думаю, що в 2056 р. вже можна буде купити футболку з формулами, що описують уніфіковані фізичні закони Всесвіту». З іншого боку, зараз формується група рішучих критиків, які стверджують, що теорія струн ще належить багато чого довести. Не важливо, скільки з'явилося з її приводу захоплених статей або документальних телефільмів; деякі кажуть, що теорія струн поки не дала жодного факту, який можна було б перевірити. Суперечки з цього приводу розгорілися з новою силою в 2002 р., коли Стівен Хокінг перейшов в інший табір і, посилаючись на теорему про неповноту, заявив, що теорія всього цілком може виявитися навіть математично неможливою.

Не дивно, що палкі суперечки змусили одних фізиків піти проти інших фізиків - адже мета така благородна, хоча і вислизає з завидною постійністю. Прагнення об'єднати всі закони природи тисячоліттями дратував і манило в рівній мірі і філософів, фізиків. Сам Сократ одного разу сказав: «Мені це уявлялося найвищим - знати пояснення всього, чому це з'являється, чому гине, чому існує».

Перше серйозне припущення, що має відношення до теорії все, було висунуто близько 500 р. до н.е.; вважається, що приблизно в цей час греки-піфагорійці розгадали математичні закони музики. Проаналізувавши вузли і коливання лирной струни, вони зуміли показати, що музика підкоряється чудово простим математичним правилам. Потім з'явилися міркування про те, що, може бути, гармоніями лирной струни можна пояснити все в природі. (В якомусь сенсі сучасна теорія струн відродила до життя мрію піфагорійців!)

Можна сміливо сказати, що вже в наш час мало не всі гіганти фізики XX ст. пробували свої сили в розробці єдиної теорії поля. Але, як застерігає Фрімен Дайсон, «поле бою фізичної науки густо всипане трупами уніфікованих теорій».

У 1928 р. газета New York Times вийшла з сенсаційним заголовком: «Ейнштейн на порозі великого відкриття; злиться на непрохане вторгнення». Поміщена під ним замітка призвела засоби масової інформації в шаленство, порушила навколо теорії всього журналістську метушню і довела напругу в суспільстві до критичної точки. Заголовки кричали: «Ейнштейн вражений метушнею навколо нової теорії! Тримає 100 журналістів в напрузі цілий тиждень!» Десятки журналістів буквально роїлися навколо його будинку в Берліні і несли цілодобову вахту, мріючи побачити генія хоча б краєчком ока і дати матеріал позабористее. Ейнштейн змушений був переховуватися.

Астроном Артур Еддінгтон писав Ейнштейну: «Вас, може бути, побавить звістка про те, що один з найбільших універсальних магазинів в Лондоні («Selfridges») помістив у вітрині вашу статтю (ті самі шість сторінок в ряд на одному стенді), щоб перехожі могли прочитати її від початку до кінця. У вітрини збираються великі натовпи, всі читають». (У 1923 р. Еддінгтон запропонував власну єдину теорію поля, над якою потім невпинно працював до самої смерті в 1944 р.)

У 1946 р. Ервін Шредінгер, один із засновників квантової механіки, зібрав прес-конференцію, на якій озвучив свою єдину теорію поля. На прес-конференції з'явився навіть прем'єр-міністр Ірландії Емон де Валера. Коли один з репортерів запитав, що він буде робити, якщо його теорія виявиться помилковою, Шредінгер відповів: «Я впевнений, що правий. Якщо я не правий, я буду виглядати повним ідіотом». (Шредінгер дійсно відчув себе ображеним, коли Ейнштейн ввічливо вказав на помилки в його теорії.)

Самим лютим критиком всякої уніфікації був фізик Вольфганг Паулі. Він дорікав Ейнштейна, перефразовуючи Біблію: «Тож, що Бог розлучив, того людина так не поєднує». Він нещадно громив будь недопрацьовану теорію, відпускаючи уїдливі зауваження: «Цю теорію не можна навіть назвати невірною». Проте за іронією долі найбільший скептик Паулі сам заразився загальним божевіллям. У 1950-х рр. він разом з Вернером Гейзенбергом запропонував власну єдину теорію поля.

У 1958 р. Паулі представив єдину теорію Гейзенберга-Паулі в Колумбійському університеті. Нільса Бора, присутнього в залі, вона не справила особливого враження. Бор встав і сказав: «Ми тут, в задніх рядах, переконані, що ваша теорія божевільна. Але наші думки розділилися у тому, достатньо чи вона божевільна». Теорія піддалася нищівній критиці. Оскільки всі очевидні варіанти єдиної теорії були давно розглянуті і відкинуті, справжня єдина теорія поля повинна була виглядати абсолютно несподівано і докорінно відрізнятися від усіх попередніх версій. Теорія Гейзенберга-Паулі була просто занадто традиційною, занадто звичайною, надто здоровою, щоб бути істинною. (У тому ж році Паулі був дуже стривожений, коли Гейзенберг помітив в одній з радіопередач, що в їх загальній теорії не вистачає лише деяких технічних деталей. Паулі відправив друзям лист з порожнім прямокутником і підписом під ним: «Таким чином я хочу продемонструвати світу, що здатний малювати, як Тіціан. Моєму малюнку не вистачає лише технічних деталей».)
Критика теорії струн

На сьогоднішній день ведучим (і єдиним) кандидатом на роль теорії[33] всього є теорія струн. Але виникла, природно, і негативна реакція. Опоненти стверджують: тепер, щоб отримати постійну посаду в одному з кращих університетів, ви неодмінно повинні працювати над теорією струн. Якщо ви не займаєтеся цією теорією, залишитеся без роботи. Це повальне захоплення сьогоднішнього дня - і фізика, зрозуміло, від цього страждає.

Я тільки посміхаюся, коли чую подібні висловлювання, - адже фізика, як будь-яке інше людське заняття, схильна захопленням і моді. Долі великих теорій, особливо тих, що народжуються на вістрі людського пізнання, можуть мати несподівані і навіть випадкові злети і падіння. Взагалі, ситуація змінилася не так вже давно; історично саме теорія струн була ізгоєм, теорією-відступником і жертвою мейнстріму.

Теорія струн зародилася в 1968 р., коли два молодих свіжоспечених доктора - Габріель Венециано і Махико Судзукі - наткнулися на формулу, описывавшую начебто зіткнення субатомних частинок. Незабаром виявилося, що ця чудова формула може бути отримана як опис зіткнення вагається струн. Але до 1974 р. робота над цією теорією практично завмерла. З'явилася на горизонті нова теорія - квантова хромодинаміка, або теорія кварків і сильної взаємодії, - подібно колісниці Джаггернаут, тиснула своєю міццю всі інші теорії. Фізики натовпами кидали теорію струн заради роботи над новою багатообіцяючою теорією. Все фінансування, всі робочі місця і визнання діставалися вченим, які працювали над кварковой моделлю.

Я добре пам'ятаю ті темні роки. Над теорією струн продовжували працювати тільки затяті уперті і авантюристи. А коли з'ясувалося, що струни, про яких йде мова, здатні коливатися лише в десятимерном просторі, теорія взагалі стала об'єктом насмішок. Піонер теорії струн Джон Шварц з Каліфорнійського технологічного іноді стикався в ліфті з Річардом Фейнманом. Фейнман, завжди любив пожартувати, частенько запитував: «Ну, Джон, скільки вимірів у просторі, де ви знаходитесь?» Ми навіть жартували, що єдине місце, де можна знайти фізика-теоретика фахівця з теорії струн, - це чергу на біржу праці.

(Нобелівський лауреат Мюррей Гелл-Манн, засновник кварковой моделі, якось зізнався мені, що з жалю до теоретикам-струнникам організував у себе в Каліфорнійському технологічному інституті «заповідник для вимираючого виду, фахівців з теорії струн», щоб люди на кшталт Джона не позбулися роботи.)

Говорячи про те, що сьогодні багато молоді фізики прагнуть працювати над теорією струн, Стів Вайнберг написав: «Теорія струн являє собою на даний момент єдиного претендента на роль остаточної теорії, - так можна очікувати, що багато способнейшие молоді теоретики не захочуть працювати над нею?»

Дійсно теорію струн неможливо перевірити?

Одне з головних заперечень проти теорії струн полягає в тому, що її неможливо перевірити. Її противники стверджують, що для реальної перевірки цієї теорії було б прискорювач частинок розміром з галактику.

Але критики забувають про те, що дуже багато чого в науці робиться аж ніяк не прямо; дуже часто результат простіше отримати непрямим шляхом. Ніхто ще не побував на Сонце, щоб провести безпосередні вимірювання, але ми можемо аналізувати спектральні лінії сонячного світла і тому знаємо, що Сонце складається з водню.

Або візьмемо чорні діри. Теорія чорних дір сходить до 1783 р., коли Джон Мічелл опублікував статтю у «Філософських працях Королівського товариства». Він стверджував, що зірка може бути настільки масивними, що «весь випромінюваний таким тілом світ змушений буде повернутися до нього під дією його власної гравітації». Протягом кількох століть теорія темної зірки Мичелла жив жалюгідне існування, оскільки безпосередньо перевірити її було неможливо.

У 1939 р. Ейнштейн навіть написав статтю, в якій доводилося, що подібна темна зірка не може сформуватися природним шляхом. Головним аргументом було те, що темні зірки неможливо виявити по самій їхній природі - адже вони за визначенням невидимі. Але сьогодні завдяки космічному телескопу Хаббл " у нас є чудові докази існування чорних дір. В даний час ми переконані, що в центрах галактик можуть ховатися мільярди чорних дір; у нашій власній Галактиці можуть існувати десятки бродячих чорних дір. Але суть в тому, що всі дані про чорні діри отримані непрямим шляхом, а саме ми отримуємо інформацію про чорній дірі шляхом вивчення аккреционного диска, який обертається навколо неї.

Більш того, багато «не перевірили» теорії з часом стають перевіряються. На те, щоб довести існування атомів, передбачених Демокрітом, знадобилося дві тисячі років. Ще в XIX ст. фізика начебто Людвіга Больцмана, вірившего в атомну теорію, могли зацькувати на смерть, а сьогодні у нас є чудові фотографії атомів. Великий скептик Паулі ввів в 1930 р. поняття нейтрино - частинки настільки невловимою, що вона здатна пролетіти крізь свинцеву кулю розміром з Сонячну систему і ні з чим при цьому не провзаимодействовать. Паулі сказав: «Я скоїв страшний гріх; я ввів частку, яку неможливо спостерігати». Виявити нейтрино було «неможливо», тому протягом кількох десятків років незвичайна частка вважалася мало не фантастикою. А сьогодні ми вміємо створювати нейтринні пучки.

Вже заплановано кілька експериментів, які, як сподіваються фізики, допоможуть непрямим чином перевірити теорію струн.

• Великий адронний коллайдер, можливо, виявиться достатньо потужним для отримання суперчастиц, які передбачені теорією суперструн (як і іншими теоріями суперсиметрії) і являють собою вищі моди коливань.

• Як я вже згадував, у 2015 р. в космос буде запущена LISA - космічна антена з лазерним інтерферометром. LISA та її наступник, Спостерігач Великого вибуху, виявляться, можливо, достатньо чутливими для перевірки кількох теорій про те, що було до Великого вибуху, включаючи і різні версії теорії струн.

• Безліч лабораторій зараз намагаються виявити, чи діє у міліметровому масштабі знаменитий ньютонівський закон про те, що сила тяжіння обернено пропорційна квадрату відстані. Відхилення від цього закону можуть говорити про існування вищих вимірів. (Якщо існує, наприклад, четверте просторовий вимір, то сила тяжіння повинна зменшуватися пропорційно кубу, а не квадрату відстані.) Остання версія теорії струн (М-теорія) стверджує, що вимірювань насправді 11.

• Багато лабораторії намагаються виявити темну речовину, або приховану масу, адже Земля рухається в космічному потоці темної речовини. Теорія струн дозволяє сформулювати конкретні перевіряються пророкування про фізичні властивості темної речовини - адже воно, ймовірно, являє собою вищі коливання струн (наприклад, фотино).

• Є надія, що серія додаткових експериментів (наприклад, експерименти щодо визначення поляризації нейтрино, що проводяться на Південному полюсі) дозволить виявляти чорні міні-діри та інші дивні об'єкти шляхом аналізу аномалій космічних променів з енергіями, переважаючими, можливо, енергії часток у Великому адронному колайдері. Експерименти з космічними променями і з колайдером відкриють нові цікаві горизонти, крім Стандартної моделі.

• Деякі фізики припускають, що сила Великого вибуху могла розігнати якусь крихітну суперструну до воістину космічних масштабів. Фізик Олександр Віленкін з Університету Тафтса пише: «Одна дуже цікава можливість полягає в тому, що суперструны... можуть досягати астрономічних масштабів... В цьому випадку ми могли б спостерігати їх у небі і таким чином безпосередньо перевірити теорію суперструн». (Ймовірність знайти в космосі гігантську реліктову суперструну, що збереглася з моменту Великого вибуху, дуже мала.)
Про неповноту фізики

У 1980 р. Стівен Хокінг знову розпалив інтерес до теорії всього; він прочел.лекцию під назвою «Наближається кінець теоретичної фізики?», в якій сказав: «Можливо, ми побачимо повну теорію ще за життя декого з присутніх тут». Він стверджував, що з 50-відсотковою ймовірністю повна і остаточна теорія буде знайдено протягом найближчих 20 років. Але коли настав 2000 р., а консенсусу з приводу теорії всього раніше не було, Він змінив свою думку і переніс ту ж ймовірність 50% на наступні 20 років.

Потім у 2002 р. Він ще раз передумав і заявив, що теорема Геделя про неповноту, цілком можливо, вказує на принципову помилку у його первісних міркуваннях. Він написав: «Деякі люди будуть дуже розчаровані тим, що не існує остаточної теорії, яку можна сформулювати в кінцевому числі пунктів. Я раніше теж належав до цього табору, але тепер змінив думку... Теорема Геделя гарантує, що для математиків робота завжди залишиться. Я думаю, що М-теорія зробить те ж саме для фізиків».

Його аргументи не нові: оскільки математика є неповною, а мовою фізики є саме математика, у фізиці завжди будуть існувати непідвладні нам істинні твердження, а тому теорії всього бути не може. Теорема про неповноту, яка вбила мрію греків про те, щоб всі істинні твердження в математиці були доведені, зробить неможливим створення теорії всього.

Фрімен Дайсон був більш красномовний: «Гедель довів, що світ чистої математики невичерпний; ніяке кінцеве число аксіом і логічних правил не в змозі охопити всю математику... Я сподіваюся, що аналогічна ситуація існує і в світі фізики. Якщо мій погляд на майбутнє вірний, то світ фізики і астрономії теж невичерпний; не важливо, скільки пройде часу, ми завжди будемо спостерігати нові явища і отримувати нову інформацію; завжди будуть з'являтися нові світи, які можна дослідити, - постійно розширюються володіння життя, свідомості і пам'яті».

Астрофізик Джон Барроу так узагальнив цей логічний підхід: «Наука заснована на математиці; математика не в змозі розкрити всі істини; отже, наука не в змозі розкрити всі істини».

Подібні аргументи можуть бути вірними або невірними, але потенційні недоліки такої точки зору є. Професійні математики здебільшого ігнорують у своїй роботі теорему про неповноту. Справа в тому, що теорема про неповноту починає з аналізу тверджень, які посилаються самі на себе; у логіці такі твердження називають самовідносними. Наведемо приклади парадоксальних тверджень:

Це висловлювання хибне.

Я брехун.

Це твердження неможливо довести.<br />
У першому випадку, якщо висловлювання істинно, це означає, що воно помилково. Якщо висловлювання хибне, то саме твердження істинне. Точно так само і в другому: якщо я кажу правду, це означає, що я брешу; а якщо я брешу, то я кажу правду. В останньому випадку, якщо висловлювання є істинним, то довести його істинність неможливо.

(Друге висловлювання-це знаменитий парадокс брехуна. Критський філософ Епіменід зазвичай ілюстрував цей парадокс наступним твердженням: «Всі крітяни брехуни». Однак св. Павло не вловив сенсу цього висловлювання і написав в посланні до Тита: «З них же самих один поет сказав: "Критяни брехуни завжди, злі звірі, утроби ледачі". Свідоцтво це справедливо».)

Теорема про неповноту будується на твердженнях кшталт «Це висловлювання не можна довести за допомогою аксіом арифметики» і сплітає складну павутину подібних самоотносимых парадоксів.

Хокінг, однак, використовує теорему про неповноту, щоб показати, що теорія всього неможлива. Він стверджує, що ключ до теоремі Геделя ?-той факт, що математика взагалі самоотносима і що фізика теж страждає цією хворобою. Спостерігача неможливо ізолювати від процесу спостереження; це означає, що фізика завжди буде посилатися сама на себе - адже ми не в змозі покинути Всесвіт. Зрештою, спостерігач теж складається з атомів і молекул, а тому неминуче є складовою частиною і учасником експерименту, який проводить.

Але існує спосіб обійти заперечення Хокінга. Щоб не стикатися з парадоксами, притаманними теоремою Геделя, професійні математики сьогодні надходять дуже просто: вони заздалегідь виключають роботи самоотносимые висловлювання. У цьому випадку теорему про неповноту можна обійти. Взагалі, вибуховий розвиток математики з часів Геделя в значній мірі досягнуто за рахунок ігнорування його теореми про неповноту, тобто за рахунок постулирования того факту, що останні роботи не допускають самоотносимых висловлювань.

Точно так само може виявитися можливим сформулювати теорію всього, яка пояснить всі відомі експериментальні дані, незалежно від нескінченного спору про відокремлення спостерігача від спостережуваного явища. Якщо така теорія зможе пояснити все, починаючи з Великого вибуху і закінчуючи сьогоднішньою видимої Всесвіту, то буде вже неважливо, як саме ми опишемо взаємодія між спостерігачем і спостережуваним. Більш того, можна говорити про одному з критеріїв правильності такої теорії: її висновки повинні бути абсолютно незалежні від того, як саме ми поділяємо спостерігача і спостережуваного.

Скажемо більше. Природа може бути безмежною і невичерпної, навіть якщо вона базується лише на кількох принципах. Розглянемо шахову партію. Попросіть прибульця з іншої планети визначити правила тільки з спостережень за грою. Через деякий час прибулець зможе впевнено сказати, як ходять пішаки, слони і королі. Правила гри прості і конечни. Але варіантів в ній воістину астрономічна кількість. Точно також закони і правила природи, можливо, прості і конечни, але додатку цих правил можуть бути невичерпними. Наша мета - відшукати ці правила.

У певному сенсі у нас вже є повна теорія багатьох явищ. Ніхто ніколи не бачив, щоб порушувалися рівняння Максвелла для світла. Стандартну модель часто називають теорією майже все. Уявіть на мить, що ми можемо виключити гравітацію. В цьому випадку Стандартна модель стає цілком надійною теорією всіх явищ, за винятком гравітації. Може бути, ця теорія некрасива, але вона працює. Навіть теорема про неповноту не заважає нам мати розумною теорією всього (за винятком гравітації).

Мені представляється воістину чудовою, що на одному аркуші паперу можна записати закони, які управляють всіма відомими фізичними явищами в межах 43 порядків за величиною - від далеких меж космосу на відстані більше 10 млрд світлових років до мікросвіту кварків і нейтрино. На цьому аркуші буде всього дві формули: теорія гравітації Ейнштейна і Стандартна модель. По-моєму, це говорить про абсолютну простоті і гармонії природи на фундаментальному рівні. Всесвіт могла виявитися неправильною, випадкової або непостійною. Але ми бачимо, що насправді вона єдина, гармонійна і красива.

Нобелівський лауреат Стівен Вайнберг порівнює наші пошуки теорії всього з пошуками Північного полюса. Протягом століть стародавні моряки користувалися картами, на яких Північний полюс просто відсутній. Стрілки всіх компасів, всі маршрути вказували на цей відсутній шматок карти, але в реальності нікому не вдавалося там побувати. Точно так само всі наші дані і теорії безпомилково вказують на теорію всього. Її не вистачає нам для повноти рівнянь.

Завжди будуть існувати речі, які лежать далеко за межами можливостей нашої науки; об'єкти і явища, які неможливо дослідити (наприклад, точне положення електрона або світ, що існує по той бік швидкості світла). Але я переконаний, що фундаментальні закони пізнавані і конечни. І в найближчі роки може стати найбільш цікавими в історії фізики - адже нам належить досліджувати Всесвіт за допомогою нового покоління прискорювачів частинок, космічних детекторів гравітаційних хвиль та інших нових технологій. Ми не в кінці шляху; швидше ми стоїмо на порозі нової фізики. Але, що б ми не виявили, за якими досягненнями неодмінно відкриються нові горизонти. Вони чекають нас.