Джон Брокман - Во что мы верим, но не можем доказать. Интеллектуалы XXI века о современной науке
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?
В свое время атом, атомное ядро и протон тоже считали элементарными и неделимыми, но позже оказалось, что они состоят из еще более элементарных «строительных блоков». И разве мы можем быть настолько высокомерными, чтобы исключить возможность того, что это произойдет снова? Зачем природе создавать 12 разных объектов, с упорядоченными паттернами электрических зарядов и «цветных сил» с простыми соотношениями зарядов между, на первый взгляд, не связанными между собой частицами (например, электроном и кварком) и с паттернами массы, которые, кажется, возникли в результате лотереи? Разве это не указывает на наличие подчастиц еще меньшего размера?
Нет абсолютно никаких экспериментальных данных, подтверждающих существование таких подчастиц. Нет никакой удовлетворительной теории, которая могла бы объяснить, как такие легкие и крошечные частицы способны содержать объекты, движущиеся с огромной энергией (требование квантовой механики). Именно поэтому, видимо, общепринятое представление специалистов по физике частиц заключается в том, что мы уже достигли самого элементарного уровня структуры материи.
Уже больше 20 лет мы надеемся на то, что весь этот богатый спектр так называемых элементарных частиц удастся объяснить по мере того, как будут созданы разные модели взаимодействия струн. Мы предположили, что в основании иерархии, описывающей структуру материи, лежат крошечные струны, или мембраны, а не точечные объекты. Однако, несмотря на блестящие и оригинальные догадки и математические расчеты, до сих пор никакие экспериментальные данные не удалось объяснить с помощью гипотезы струн.
На основании здравого смысла и наблюдения за паттернами известных частиц, безо всяких экспериментальных данных и без какой-либо целостной теории, я уже много лет продолжаю верить, что электрон, нейтрино и кварк являются делимыми частицами. Возможно, они состоят из разных комбинаций небольшого числа (двух?) еще более крохотных подчастиц. Возможно, эти подчастицы не имеют структуры струн и сами могут — или не могут — состоять из более простых частиц.
Доживем ли мы до того дня, когда увидим, из чего состоит электрон?
