Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика невозможного
.pdf
ПРЕДВИДЕНИЕ БУДУЩЕГО
коллайдера. Одна из основных задач БАК — обнаружение бозонов Хиггса , последней до сих пор не найденной частицы
Стандартной модели , последней детали научной головоломки.
(Частица Хиггса так важна и так неуловима, что нобелевский
лауреат Леон Ледерман назвал ее «частицей-богом».)
Физики считают, что бозон Хиггса начал свое существование как тахион . В ложном вакууме ни одна из субатомных
частиц не имела массы. Но присутствие тахиона дестабилизировало вакуум, и Вселенная перешла в новое состояние, к
новому вакууму, в котором бозон Хиггса обернулся обычной
частицей. После этого перехода — из состояния тахиона в состояние обычной частицы — субатомные частицы приобретают массу, которую мы сегодня измеряем в лаборатории. Таким
образом, обнаружение бозона Хиггса не только поставит на место последнюю недостающую деталь Стандартной модели , но
и подтвердит, что тахионное состояние когда-то существовало,
но позже трансформировалось в обычную частицу.
Подведем итог. Ньютонова физика полностью отвергает
возможность предвидения будущего . Железное правило причины и следствия никогда не нарушается. Квантовая теория
допускает иные состояния вещества, такие как антивещество ,
которое соответствует обычному веществу, движущемуся назад во времени , но принцип причинности не нарушается. Более
того, антивещество в квантовой теории необходимо для восстановления причинности. Тахионы на первый взгляд нарушают
принцип причинности, но физики считают, что они исполнили
свое предназначение — запустили механизм Большого взрыва
и исчезли из нашей Вселенной .
Так что предвидение будущего , похоже, исключается, по
крайней мере в обозримом будущем , а это значит, что его следует отнести к III классу невозможности . Если когда-нибудь
удастся доказать при помощи воспроизводимых экспериментов, что предвидеть будущее все же можно, современную физику придется пересматривать до самого основания.
381
ЭПИЛОГ
БУДУЩЕЕ НЕВОЗМОЖНОГО
Не существует ничего достаточно крупного или достаточно безумного,
что ни одно из миллиона технологических обществ не почувствовало бы себя
обязанным сделать, — если, конечно, это физически возможно.
Фримен Дайсон
Судьба — это вопрос не случая, но выбора. Ее не следует дожидаться,
следует идти к ней.
Уильям Дженнингс Брайан
Существуют 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
382
ЭПИЛОГ
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 спектро-
скопии), 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 .
383
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
Конт бросил вызов научному миру, перечислив еще не-
сколько «невозможных событий».
Он утверждал, что «глубинная структура тел на-•
всегда останется за пределами наших знаний». Другими словами, невозможно познать истинную природу
материи.
Он считал, что математика неприложима к био-•
логии 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 нерешаемой 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».
384
ЭПИЛОГ
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 когданибудь, 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, упорядоченна 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
385
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
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 по-
сле 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 гра-
386
ЭПИЛОГ
витации 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 ЛивингстонПэриш, 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
387
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
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, когдалибо 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 б льшую часть видимой Вселенной .
388
ЭПИЛОГ
Потенциально чувствительности аппаратуры LISA 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
было 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 грави тации ».
Если LISA не сможет определиться с выбором одной из многих «довзрывных» теорий, это, возможно, удастся сделать ее преемнику — Наблюдателю Большого взрыва (Big Bang Observer ,
BBO). Его запуск предварительно планируется на 2025 г. BBO
389
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
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 BBO специально разработан для проверки предсказаний инфляционной
теории Большого взрыва.
По устройству BBO 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. BBO 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. BBO 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 «довзрывных» теориях и сделать выбор между ними.
390
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]