Во что мы верим, но не можем доказать: Интеллектуалы XXI века о современной науке - Джон Брокман

Но познаваемо ли Все? Я верю, хотя и не могу этого доказать, что всегда будут явления, которых мы не знаем, – большие, маленькие, интересные и важные.

Если теоретическая физика может служить для нас ориентиром, можно предположить, что наука приближается к своей окончательной цели. В последние несколько десятилетий физики-теоретики находятся в поисках так называемой Теории Всего, которую лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг окрестил «окончательной теорией». Предполагается, что это будет окончательный набор уравнений, способный объединить все фундаментальные силы, известные сегодня физикам: гравитацию, электромагнетизм и ядерные силы, действующие в ядрах атомов. Но такая теория, если нам повезет извлечь ее из всей массы конкурирующих концепций, ничего нам не скажет о том, как формируются протеины или как возникла ДНК. Тем более она не сможет пролить свет на химию живой клетки или на действие человеческого разума. Теория Всего даже не поможет понять, как возникают снежинки.

Мы уже выяснили, как произошла Вселенная, и смогли наблюдать искривления пространства и времени. Поэтому трудно поверить, что ученые до сих пор не понимают чего-то, на первый взгляд, настолько простого, как формирование кристаллов льда. Но это действительно так. Физик из Калифорнийского технологического института Кеннет Либбрехт – всемирно известный эксперт по формированию кристаллов льда. Этот неформальный проект он начал более двадцати лет назад. Как он говорит, «на этой планете живет шесть миллиардов человек, и мне кажется, хотя бы один из них должен понимать, как формируются снежные кристаллы». После двух десятков лет тщательных экспериментов в специально сконструированных герметичных камерах Либбрехт пришел к выводу, что несколько продвинулся в понимании процесса кристаллизации льда по краям псевдожидкого слоя, окружающего ледяные структуры. Он называет свою теорию «зависимой от структуры кинетикой связывания», но сразу же делает оговорку, что ее нельзя считать окончательной. Превращение воды в лед – удивительно сложный процесс, всегда занимавший великие умы, например, Иоганна Кеплера и Майкла Фарадея. Либбрехт надеется, что сможет еще немного увеличить наши знания об этой чудесной субстанции, без которой невозможна жизнь.

Кроме того, Либбрехт – один из сотен физиков, работающих в лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO). Задача обсерватории – регистрировать гравитационные волны, исходящие от черных дыр и других массивных космических объектов. Существование гравитационных волн предсказано общей теорией относительности, и поэтому физики верят, что они есть. Эта вера привела к созданию оборудования стоимостью в полмиллиарда долларов. Любой успешной Теории Всего придется считаться с гравитацией, которая, вместе с тремя другими силами, должна в конечном итоге проявиться и в форме волн, и в форме частиц. Обсерватория LIGO должна регистрировать волновую форму этой таинственной силы, если она, конечно, существует.

Несколько лет назад популяризатор науки Джон Хорган написал провокационную книгу, где предположил, что наука близится к концу и все основные теоретические доктрины уже существуют. Хорган прав в одном: физика высоких энергий, возможно, уже практически достигла пика своего развития. Но во многих других сферах наука только начинает нащупывать верный путь. Например, только сейчас у нас появились научные инструменты и методы, позволяющие исследовать, как формируется и действует атмосфера, как функционируют экологические системы, как гены создают протеины, как эволюционируют клетки и как работает мозг. Успехи «фундаментальной науки» открыли двери, в которые напрасно стучались предыдущие поколения, но при этом складывается впечатление, что становится все больше того, чего мы не знаем. Журналы по физике полны теорий о том, как можно создавать в лаборатории целые вселенные, и может показаться, что наука окончательно осмыслила реальность. На самом деле мы до сих пор весьма невежественны – и я уверен, что так будет всегда.

Накануне расцвета научной революции большой поклонник математики кардинал Николай Кузанский призывал к тому, что называл «просвещенным невежеством». По его мнению, целью современного научного мышления должно быть не всезнание, но еще более тонкое и проницательное незнание. Скромные снежинки, которые изучает Кеннет Либбрехт, – прекрасный пример такого «незнания». Снежинки тают на кончике языка, и в каждой из них заключена Вселенная, законы которой мы едва начали разгадывать.

Джино Сегре

Джино Сегре – физик-теоретик, представитель известной династии физиков. Профессор факультета физики и астрономии Пенсильванского университета. Автор книги «Все дело в градусах: что может сказать температура о прошлом и будущем человечества, планеты и Вселенной».

Большой взрыв, произошедший более 13 миллиардов лет назад, – общепринятая причина возникновения Вселенной. Мы довольно точно можем сказать, что происходило после этого катаклизма, в период расширения и охлаждения. Но нам все еще не удается экспериментально доказать, что нейтрино существовали уже в этой самой ранней фазе.

Считается, что нейтрино, находившиеся в термическом равновесии, освободились от связей с другими частицами примерно через две секунды после взрыва. Предполагается, что с тех пор они безмятежно странствуют в межгалактическом пространстве. Их около 200 в каждом кубическом сантиметре нашей Вселенной, и еще несколько миллиардов в каждом атоме. Их присутствие опосредованно проявляется в расширении Вселенной; однако это, возможно, самые многочисленные частицы материи, до сих пор известные нам. Но ни разу нам не удалось зарегистрировать ни одного из этих первобытных нейтрино. Мы, конечно, пытались, но необходимые для этого эксперименты невообразимо сложны. Однако нейтрино, скорее всего, существуют. Если их нет, наши представления о рождении Вселенной придется полностью пересмотреть.

Оригинальная гипотеза Вольфганга Паули о существовании нейтрино была выдвинута в 1930 году. Она была настолько смелой, что Паули не решился ее опубликовать. В 1934 году Энрико Ферми предложил блестящую гипотезу о том, как возникают нейтрино в ходе ядерных событий. Журнал Nature отказался ее публиковать, посчитав слишком рискованной. В 1950‑х годах нейтрино были зарегистрированы в ядерных реакторах, а вскоре и в ускорителях частиц. Начиная с 1960‑х годов изощренные эксперименты позволили обнаружить существование нейтрино в ядре Солнца. Наконец, в 1987 году десятисекундный взрыв нейтрино был зафиксирован в излучении суперновой звезды, родившейся почти 200 тысяч лет назад. Когда эти нейтрино достигли Земли и мы смогли их наблюдать, один известный физик остроумно заметил, что существование нейтрино за рамками Солнечной системы «за десять секунд превратилось из научной фантастики в научный факт». Это – некоторые из основных этапов физики нейтрино XX столетия. В XXI веке мы с нетерпением ждем следующего этапа: доказательств того, что нейтрино возникли в первые секунды после Большого взрыва. Мы способны теоретически предположить их существование, но сможем ли мы увидеть воочию эти стремительные и неуловимые частицы? Вполне возможно, они окружают нас со всех сторон, хотя мы до сих пор не можем этого доказать.

Хаим Харари

Хаим Харари – физик-теоретик. С 1988 по 2001 год – президент Института Вейцмана. В настоящее время заведует кафедрой Института образования в области естественных наук Уильяма Дэвидсона.

Более столетия назад появилось понятие электрона, положив начало революции в электронике и в сфере информационных технологий. Считается, что электрон – точечная, элементарная и неделимая частица. Но так ли это?

Нейтрино легче электрона больше чем в миллион раз. Существование этой частицы было предсказано в 20‑х годах и подтверждено в 50‑х годах XX века. Она играет важную роль в создании звезд, Солнца и тяжелых элементов. Это неуловимая, невидимая и слабовзаимодействующая частица. Она тоже считается элементарной и неделимой. Но так ли это?

Кварки не существуют как свободные объекты, кроме как на чрезвычайно крошечных расстояниях, внутри частиц – протонов и нейтронов, из которых состоят атомные ядра. С начала 1960‑х годов считается, что кварки – неделимые и самые важные «кирпичики» ядра. Но так ли это?

Природа создала два набора дополнительных, совершенно необъяснимых точных копий электрона, нейтрино и двух наиболее распространенных типов кварков («верхнего» и» нижнего»). Каждый набор идентичен двум другим по всем параметрам, за исключением того, что массы этих частиц радикально отличаются друг от друга. Каждый набор включает четыре элементарных частицы. Таким образом, мы получаем 12 различных частиц, и все они считаются неделимыми, точечными и элементарными. Но так ли это?