Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

и то, что мы постоянно узнаем, сколько еще мы еще не знаем. Чем больше мы понимаем, тем больше осознаем наше невежество. В каком-то смысле именно такую ситуацию мы сейчас видим в физике. Мы находимся на такой стадии познания, когда многие ученые наблюдают в этой науке если не кризис, то по крайней мере нарастание напряженности. И есть ощущение, что это еще не предел. Несколько десятков лет назад выдающиеся физики, такие как Стивен Хокинг, задавались вопросом: «Неужели уже виден конец теоретической физики?»[3] Притом что практически «за углом» их ждала теория всего. Они говорили, что теперь остается только расставить точки над i. Но они ошиблись, и не в первый раз. И в конце XIX века физики высказывали подобные мнения, а затем было сделано множество открытий (электрона, радиоактивности, рентгеновских лучей), которые не удавалось объяснить с помощью научных знаний того времени, что привело к рождению современной физики. Многие ученые нашего времени считают, что мы, возможно, находимся на грани новой революции в физике, столь же значительной, как та, что произошла 100 лет назад с возникновением теории относительности и квантовой механики. Я не утверждаю, что мы вот-вот откроем что-то значительное вроде рентгеновского излучения или радиоактивности, но, возможно, чтобы выйти из тупика, нам просто нужен новый Эйнштейн.

Большой адронный коллайдер еще не повторил своего успеха 2012 года, когда был обнаружен бозон Хиггса, что подтвердило существование поля Хиггса (о котором я расскажу позже). Многие физики ожидали, что к настоящему моменту уже будут открыты новые частицы, которые помогли бы разгадать давние тайны. А еще мы до сих пор не понимаем природы темной материи, которая удерживает галактики вместе, или темной энергии, которая разрывает Вселенную на части; у нас даже нет ответов на отдельные фундаментальные вопросы: почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии; почему свойства Вселенной обладают такой тонкой настройкой, которая создает возможность существования звезд, планет и жизни в целом; существует ли Мультивселенная; было ли что-нибудь до Большого взрыва, что привело к созданию Вселенной в ее современном виде. И все равно трудно не изумиться тому, что уже сделано. Хотя некоторые научные теории могут оказаться связанными друг с другом на более глубоком уровне, чем мы думали, а другие могут оказаться ошибочными, никто не будет отрицать того, что мы прошли огромный путь.

Иногда в свете новых эмпирических данных мы начинаем понимать, что забрели не туда. А иногда нам приходится уточнять идею, которая оказывается не то чтобы неверной, а просто приблизительной, такой, с которой надо еще поработать, чтобы получить более точную картину мира. А еще есть области фундаментальной физики, в которых, как мы подспудно чувствуем, мы еще не поставили точку, поэтому пока опираемся на существующие знания ввиду их полезности. Хорошим примером этого является ньютоновский закон всемирного тяготения. О нем все еще уважительно говорят как о законе, поскольку физики в свое время были настолько уверены, что это последнее слово в этой области, что подняли его статус выше, чем обычная теория. Это название прижилось, хотя мы теперь знаем, что уверенность была несколько беспочвенной. На смену ньютоновскому закону пришла общая теория относительности Эйнштейна (заметьте, теория!), поскольку она предлагает более глубокое и точное объяснение явления земного тяготения. Тем не менее для вычисления орбит космических аппаратов мы все еще пользуемся уравнениями Ньютона. Прогностическая сила ньютоновской механики может не обладать той точностью, что теория Эйнштейна, но ее достаточно почти для всех практических целей.

Другой пример того, над чем мы продолжаем работать, – Стандартная модель элементарных частиц. Мы объединяем две различные математические теории под названием «теория электрослабого взаимодействия» и «теория квантовой хромодинамики», которые при совместном использовании описывают свойства известных элементарных частиц и сил, возникающих между ними. Некоторые физики считают, что Стандартная модель не более чем паллиатив, который можно использовать, пока не будет разработана более точная и всеобъемлющая теория. Однако примечательно, что в своем нынешнем виде теория Стандартной модели может объяснить нам все, что нам нужно знать о природе материи: как и почему электроны определенным образом выстраиваются вокруг атомного ядра, как атомы взаимодействуют, формируя молекулы, как эти молекулы объединяются, образуя материю вокруг нас, как материя взаимодействует со светом – и, таким образом, объяснить почти все окружающие нас явления. Лишь один из ее разделов, квантовая электродинамика, лежит в самой основе науки химии!

Однако Стандартная модель не является исчерпывающей в том, что касается природы материи, поскольку она не описывает силы притяжения, а также не объясняет темной материи и темной энергии, которые на пару образуют большую часть того, из чего состоит Вселенная. Ответы на одни вопросы естественным образом порождают новые вопросы, а физики продолжают свои исследования «за пределами Стандартной модели» в попытке разобраться с этими важнейшими «неизвестными».

Как мы продвигаемся вперед

Успехи в физике более, чем в любой другой науке, обусловлены взаимодействием теории и эксперимента. Теории проходят испытание временем только в том случае, если они подтверждаются результатами опытов. Теория хороша только тогда, когда она позволяет прогнозировать результаты, которые можно подтвердить в лаборатории. Но если экспериментальные результаты противоречат теории, то последнюю придется изменить или даже вообще от нее отказаться. И наоборот, лабораторный опыт может указать на те явления, которые еще не получили объяснения и требуют дальнейшего развития теории. Ни в какой другой науке мы не увидим такого удивительного взаимодействия. Теоремы чистой математики доказываются с помощью логики, дедукции и аксиом. Они не требуют подтверждения фактами из окружающей действительности. Напротив, геология, этология и психология поведения в основном опираются на наблюдения, и наше продвижение в этих дисциплинах зависит от кропотливого сбора данных или тщательно разработанных лабораторных тестов. Однако физика может прогрессировать только в том случае, если теория и эксперимент идут рука об руку, поочередно подтягивая друг друга и указывая на следующий выступ на склоне.

Луч света, направленный на неизведанное, – еще одна хорошая метафора, отражающая то, как физики разрабатывают свои теории и модели, как они придумывают эксперимент для проверки какого-либо механизма. Если говорить о поиске новых идей в физике, то всех исследователей можно, грубо говоря, разделить на два типа. Представьте себе, что вы идете домой темной, безлунной ночью, и вдруг вы понимаете, что в вашем кармане дыра и в какой-то момент из нее выпали ключи. Вы