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

какие из многих научных идей, о которых шла речь в этой главе, окажутся верными, а что придется выбросить в мусорный бак как ложные. Лично для меня важнейший вопрос физики, мучивший меня в течение всей моей профессиональной жизни и на который еще нет ответа, таков: какая из интерпретаций квантовой механики является верной? В главе 5 я упомянул несколько возможных вариантов и сказал, что многие физики считают, что это чисто философский вопрос, поскольку он не помешал применять квантовую механику на практике и не замедлил прогресса в физике. Однако все большее количество ученых, включая и вашего покорного слугу, приходят к выводу, что квантовая механика – чрезвычайно важная область физики, и предполагают, что решение давней загадки правильной интерпретации в конечном счете приведет к рождению новой физики. Возможно, этот вопрос даже связан с парой других важнейших проблем фундаментальной физики, таких как природа времени или окончательный вариант теории квантовой гравитации.

Иногда кажется, эти препятствия так трудно преодолеть, что я бы не удивился, если бы нам для этого понадобился мощный искусственный интеллект. Вероятно, созданный нами ИИ окажется следующим Ньютоном или Эйнштейном, а нам придется признать, что наш ничтожный человеческий мозг просто недостаточно хорош, чтобы нам удалось самостоятельно познать конечную природу реальности, в которой мы живем[36].

Эту главу я посвятил будущему науки, в основном отношению математической физики и физики экстремальной, в мельчайшем и в крупнейшем масштабах. Но разве это справедливо? Разве это и есть настоящие современные рубежи? Успехи физики не должны касаться только всего самого мелкого и самого крупного: масштабы реальной жизни (с позиции размеров и энергии) представляют не меньший интерес. Вообще, с точки зрения того, как физика изменит нашу жизнь в XXI веке, особенный интерес вызывают физика конденсированного состояния и квантовая оптика, а также области, в которых физика соприкасается с химией, биологией и техникой. Поэтому я попробую на примере этих областей науки показать в следующей главе, как применение физики на практике изменяет наш мир. Мы исследуем, как скажут некоторые, более практически ориентированные аспекты физической науки.

Глава 9. Полезность физики

Где бы вы сейчас ни были, оглянитесь вокруг. Как много из того, что мы, люди, уже создали и построили, стало возможно только благодаря нашему понимаю законов природы: сил, участвующих в формировании мира, и свойств материи, на которые эти силы воздействуют. Поэтому невозможно перечислить все области применения физических знаний – все хитроумные изобретения современного мира, которые обязаны своим возникновением открытиям, сделанным физиками на протяжении многих веков[37]. Поэтому я сосредоточусь всего на двух темах. Первая – это то, в какой степени физика определяет многие другие дисциплины, как фундаментальные, так и прикладные, как она взаимодействует и даже «сливается» с ними, а также какова ее роль в развитии новых междисциплинарных областей. Вторая – краткий обзор новых возможностей, которые, безусловно, реализуются в результате текущих исследований, причем основное внимание будет уделено потрясающим перспективам развития новых квантовых технологий.

После всего, что мы с вами уже обсудили на страницах книги, вполне уместно спросить: хорошо, мы понимаем, что физики поглощены идеей унификации математических принципов, управляющих природными процессами, тем самым отдавая должное вечному стремлению человечества понять Вселенную, – а дальше-то что? Уж конечно, подумаете вы, открытие бозона Хиггса не может иметь никакого непосредственного влияния на нашу реальную жизнь, да и долгожданная теория квантовой гравитации не покончит с бедностью и болезнями. Но так рассуждать неверно. Удовлетворение нашего научного любопытства в рамках фундаментальной науки уже неоднократно приводило к революционным технологическим прорывам. Большинство исследователей, особенно те, кто работает в академической науке, обычно мотивированы не потенциальной возможностью приложения своих результатов. Если обратиться к знаменитым научным открытиям, которые позже принесли большую практическую пользу, вы увидите, что причиной многих из них было исключительно горячее желание исследователей понять наш мир и удовлетворить свою любознательность ученого.

Давайте сравним физику и инженерное проектирование. Будущий инженер-механик или электротехник изучает многие из тех предметов, что и студент-физик: механику Ньютона, электромагнетизм, вычислительную технику и математику, необходимую для решения определенного типа уравнений, которые постоянно применяются в их области. Действительно, многие прикладные физики в конце концов приходят на работу в инженерные отрасли, что еще больше размывает границы между этими двумя сферами деятельности. Однако физики задают вопрос «почему?» или «как?» с целью обнаружить принципы, управляющие природными процессами, а инженер опирается на эти принципы и старается использовать свои знания для того, чтобы улучшить наш мир. И физики, и инженеры решают свои задачи, но мотивы у них различные.

Приведу конкретный пример: блестящее техническое достижение – спутниковые навигационные системы (из них важнейшая за последние десятилетия – американская GPS) отлично демонстрируют роль фундаментальной физики, открытия которой легли в основу технических разработок. Системы GPS стали неотъемлемой частью нашей жизни. Теперь само собой разумеется, что мы не заблудимся в незнакомой местности. Более того, GPS помогла нам увидеть планету сверху и картографировать ее в мельчайших деталях; мы получили возможность наблюдать, как изменяется климат Земли, и прогнозировать естественные явления природы, что помогает нам избежать катастроф. В будущем спутники глобального позиционирования объединятся с системой искусственного интеллекта, что приведет к изменению транспорта, сельского хозяйства и других отраслей. Однако без знаний, полученных на основании фундаментальных физических исследований, создание GPS было бы невозможно. Например, атомные часы на борту спутников, которые нужны для того, чтобы обеспечить точное определение нашего местоположения на Земле, работают только потому, что инженеры поняли, как учесть квантовую природу атомных вибраций наряду с релятивистскими корректировками скорости течения времени, а ведь эти знания следуют из теории Эйнштейна.

Есть множество других примеров того, как на стыке физики и инженерного проектирования возникают новые отрасли, которые позволяют изменять наш мир. Причем инженеры не единственные, с кем физики давно и тесно сотрудничают. Сегодня мы работаем совместно с учеными из самых разнообразных отраслей, таких как медицина, нейробиология, информатика, биоинженерия, геология, экология и космическая наука. А еще физики применяют свое знание логики и математики и навыки решения задач за пределами физической науки в самых разных сферах, от политики до финансов.

Когда физика, химия и биология встречаются друг с другом