Рисунок Светланы Раткиной

Горизонты
познания

В XX веке наука сделала огромный скачок вперед в познании окружающей нас реальности. Всего лишь за несколько десятилетий были открыты крупнейшие физические теории, описывающие явления макро- и микро-мира: Теория относительности и Квантовая механика. Всего лишь за полвека были изучены строение атомов и молекул, звезд и галактик. А к сегодняшнему дню ученые изучили уже структуру всей Вселенной и определила ее возраст! Казалось бы, неразрешенных вопросов почти не осталось. Казалось бы, еще немного – и вся Вселенная будет познана человеческим разумом! Вот он, триумф человеческого интеллекта, – такой близкий, и… такой иллюзорный.

В погоне за светом

Подобные ощущения близкого триумфа науки возникали и раньше, причем не раз. Уже после открытий Ньютона многим ученным начинало казаться, что они нашли законы, описывающие все явления природы. Вселенная тогда представлялась огромным сложным механизмом, своеобразными гигантскими «часами», работающими по строгому алгоритму. И этот алгоритм легко описывался простыми законами Ньютона! Оставалось лишь определить начальные условия (что показывали «часы» в том момент, когда их «завели») – и весь дальнейший ход этого «механизма» можно было рассчитать наперед. Правда, на деле такой расчет оказался слишком сложным: точных решений уравнений Ньютона не удалось найти даже для системы из трех планет. Но это уже выглядело мелочью, главное – законы природы: они раскрыты!

Однако эйфория от открытия законов Ньютона длилась недолго. Вскоре стало очевидно, что Вселенная – не просто механизм, а нечто гораздо более сложное. Далеко не всë в природе подчиняется законам Ньютона. Например, электричество и магнетизм. И ученые продолжили поиски.

Конец XIX века ознаменовался новыми открытиями. Знаменитые уравнения Максвелла триумфально объединили все электрические и магнитные явления, объяснили природу света. Были открыты законы идеального газа, термодинамики, и многое другое. Вновь начинало казаться, что наука вплотную подошла к самому краю познания, открыла все, что можно открыть. Почти все наблюдаемые явления с большой точностью описывались существующими теориями. Казалось, еще чуть-чуть…

И тут разразилась буря: уравнения Максвелла оказались несовместимы с законами Ньютона! Мы все хорошо знаем: всë что движется, можно догнать, если как следует разогнаться. Именно это следует из законов Ньютона: чем больше сила, тем выше скорость. А вот свет, как оказалось, невозможно ни разогнать, ни притормозить, он всегда летит с одной и той же скоростью: скоростью света! Как бы мы ни старались, сколько бы сил ни прикладывали, мы никогда не сможем ни догнать свет, ни убежать от него. Парадокс? Да еще какой! Природа словно утерла нос ученым-зазнайкам: ничего вы еще обо мне не знаете! И пришлось научному сообществу пересматривать и законы Ньютона, и даже все прежние представления о пространстве и времени! Под силу это оказалось лишь такому гениальному ученому, как Альберт Эйнштейн.

Не успела наука разобраться со скоростью света – как природа преподнесла еще один «сюрприз». И снова виноватым оказался свет: он излучался и поглощался совсем не так, как нужно, – не постепенно, а порциями. Эти порции света стали называть квантами. Электроны в атомах вели себя тоже совершенно не понятно: оказалось, что они могут двигаться вокруг заряженного ядра с огромным ускорением – и ничего не излучать, словно стоят на месте! А если уж излучают, то непременно – порциями, непонятно как перескакивая с орбиты на орбиту: они не падают постепенно вниз к ядру, а сразу оказываются на более нижнем уровне атома. Просто телепортация какая-то! Все известные законы физики, уравнения Ньютона и Максвелла, даже новые законы Эйнштейна оказались бессильны это объяснить. Требовалась новая наука. Требовалась революция! И она свершилась – усилиями целой плеяды выдающихся ученых: Гейзенберг, Шредингер, Дирак, Бор, Эйнштейн…

Так родились новые революционные теории XX века: Теория относительности и Квантовая механика. Они помогли раскрыть многие тайны природы – от строения атомов до структуры звезд, галактик и всей Вселенной. И теперь нам вновь начинает казаться, что наука подошла к самому краю познания, раскрыла почти все, что можно.


Физика перед барьером

Но так ли это на самом деле? Конечно, человеческий разум на сегодня смог очень глубоко проникнуть в тайны природы – по сравнению, скажем, с XVIII веком. Но если посмотреть с другой стороны, дела в сегодняшней науке обстоят не так уж и радужно. Теория Относительности и Квантовая механика были открыты в первой половине XX века, но с тех пор – уже почти полвека никаких новых открытий не сделано. Как пишет известный современный физик-теоретик Ли Смолин: «Сегодня, несмотря на все усилия, то, что мы достоверно знаем о законах природы, не превышает того, что мы знали о них в 1970 г. …То, что на протяжении трех десятков лет в фундаментальной физике не произошло значительного прогресса… это беспрецедентно... Когда что-то похожее происходит в спорте или бизнесе, это называется "упереться в стену"»[1]

Вот так: уперлись в стенку! Словно в невидимый барьер. Примерно как в начале XX века: только-только физика начала торжествовать – и тут же столкнулась «об стенку» светового барьера.

Но может, Смолин излишне драматизирует ситуацию? Может, прогресса в физике нет потому, что просто открывать больше нечего, что все проблемы решены?

И все же, проблемы в физике действительно остались, причем серьезные. Дело в том, что ее основополагающие теории до сих пор не удается объединить! Даже Частная (Специальная) Теория Относительности приводит к серьезным проблемам, если ее применить к квантовым микро-частицам. Как писал Лев Ландау еще в 1989 году, «В настоящее время полной, логически замкнутой релятивисткой квантовой теории еще нет…»[2] Нет ее и сейчас, в начале XXI века. Еще сложнее обстоит дело с объединением Общей Теории Относительности и Квантовой механики: похоже, что они вообще несовместимы. Об этом прямо говорит один из известнейших физиков современности Стивен Хокинг: «общая теория относительности и квантовая механика… эти две теории, к сожалению, несовместны — они не могут быть одновременно правильными»[3]

Что-то эта ситуация напоминает, – не правда ли? В начале XX века точно также оказались несовместимы две основные теории того времени: Ньютона и Максвелла. И к чему это привело, к какой революции и потрясениям в науке – мы уже знаем.

Но проблемы современной физики – далеко не только теоретические. Экспериментальные наблюдения в области астрономии подкидывают не менее сложные и неожиданные вопросы. Например, о возникновении Вселенной.

Пожалуй, это одно из самых потрясающих астрономических открытий XX века: Вселенная не постоянна, она меняется, расширяется, как шар, – из одной точки. Получается, из этой точки она однажды и возникла, – словно взорвалась. Произошел «Большой Взрыв»: рождение Вселенной! Это случилось очень давно, около 13 миллиардов лет назад. Но почему это случилось? Что вызвало рождение нашего Мира? И что было до этого? Физика не может дать ответа на эти завораживающие вопросы. Не хватает той самой квантовой теории гравитации, о которой писал Хокинг, – лишь эта теория могла бы описать Вселенную в первые мгновения ее существования, и до этого.

А темная материя? Современные наблюдения показывают, что масса галактик намного больше массы входящих в них звезд. В галактике – огромное множество звезд, сотни миллиардов, вокруг каждой звезды могут быть свои планеты, луны, астероиды, а в межзвездном пространстве – гигантские облака космического газа и пыли. Но даже все вместе они составляют лишь 10% от массы галактики! Прямые наблюдения показали, что скорость вращения галактик слишком велика, такую скорость не может обеспечить масса всех входящих в нее звезд, планет, газа и пыли. Но что же составляет остальные 90% массы? Ученые называют это загадочным словом: «темная материя». Это не звезды, не планеты, не пыль и не газ. Нечто совершенно невидимое и непонятное. Но этого «нечто» очень много!

Еще более таинственное явление: «темная энергия». Про нее и вовсе ничего не известно, кроме одного: она обладает свойством антигравитациии и вызывает ускоренное разбегание галактик (несмотря на их притяжение). И этой странной антигравитирующей энергии еще больше, чем «темной массы». По последним научным данным, Вселенная состоит:

  • на 4% из обычного вещества (звезды, планеты, газ и пыль),
  • на 22% из «темной материи»
  • на 74% из «темной энергии»

Только вдумайтесь в это: мы не знаем, как и по какой причине зародилась Вселенная, и понятия не имеем о 96% ее состава! А все, что мы можем увидеть, изучить и вообще хоть как-то представить себе, – это лишь 4% всей Вселенной.

Таковы результаты развития науки на начало XXI века. А теперь попробуйте ответить, как же далеко мы продвинулись в познании Мира?..


Непостижимая Вселенная

Конечно, мы еще очень мало знаем о Мироздании. И чем больше мы о нем узнаем, тем больше поражаемся его грандиозностью и сложностью. Вселенная настолько громадна и удивительна, что сложно представить всем нашим воображением. А мы делаем лишь первые шаги в околоземное космическое пространство, лишь только заглядываем сквозь окуляры телескопов в далекие галактики.

Вряд ли в ближайшие века мы сможем изучить всю Вселенную, – она ещё долго будет удивлять нас своими тайнами и манить в неизведанные дали первооткрывателей с Земли. И это вовсе неплохо! Ведь жить станет как-то неинтересно, когда всё откроют и узнают, и не останется больше никаких тайн.

Но как далеко способна заглянуть наука вглубь Мироздания? Способен ли человеческий разум понять и объяснить весь Мир, до конца? Быть может, каждые новые открытия будут приводить нас к новым, более сложным вопросам? Быть может, поиски конечной истины – словно погоня за «краем Земли»: казалось бы, горизонт – совсем близко, но сколько бы ни шел к нему – он все удаляется…

Вопрос этот уходит далеко вглубь древних философских проблем: о принципиальной познаваемости Мироздания, и о способности человеческого разума к познанию. Многие философы считали, что мир непознаваем до конца, что есть в нем некий уровень («вещи в себе» – по Канту), глубже которого человек постичь реальность никогда не сможет.

И причина этого может заключаться вовсе не в ограниченности человеческого разума. Возможно, разум способен к развитию. Он стремиться изучать все, что наблюдает, – в этом его суть. Но чтобы изучить, нужно именно наблюдать! Нужно иметь физические возможности для получения информации об изучаемом предмете. А вот с этим-то у нас как раз сложности. Мы много чего не можем ни потрогать, ни увидеть: инфразвук, ультрафиолет, атомы и элементарные частицы, планеты далеких галактик. Чтобы изучить все это, приходится строить специальные приборы, – то, что позволяет нам расширять способности к восприятию более тонких граней реальности.

Но вот какая штука: чем дальше и глубже мы пытаемся заглянуть, тем более сложные приборы нам приходится конструировать. Чтобы рассмотреть молекулы, нужен большой и сложный электронный микроскоп. Заглянуть еще глубже, изучить частицы, из которых состоят атомы, – нужен еще более огромный и сложный коллайдер! А еще глубже? Сможем ли мы заглянуть в самую сердцевину электрона, исследовать его структуру? Может быть, для этого понадобится энергия всей Вселенной? А изучить всю Вселенную, заглянуть в самые ее дальние уголки, долететь до них – сколько потребуется времени и усилий? Может быть, на это не хватит и вечности?..

Уже сейчас физика подступила к настолько тонким и эфемерным материям (поля вероятностей, физический вакуум, виртуальные частицы, кварки и глюоны, тёмная материя), что их почти невозможно наблюдать и регистрировать, никакими приборами. Может, именно из-за этого в современной физике и нет прогресса? Нельзя сказать, что нет новых теорий, их полно: теории суперструн, супергравитации, петлевой квантовой гравитации, твисторов… Но эти теории не удается проверить экспериментально. Например, для проверки теории суперструн нужен ускоритель, диаметром как минимум с целую галактику[4]!

Вот она, «стенка»: мы строим разные догадки, предположения о том, что находится там, на более глубоком уровне реальности, но добраться до этого уровня, чтобы «посмотреть», что же там на самом деле, проверить свои догадки – не можем! Нам не разума не хватает, нет. Не хватает – физических и технологических возможностей. Познание мира для нас неразрывно связано с развитием технологий, расширяющих наши физические возможности. А технологическое развитие зачастую оказывается гораздо более длительным и дорогостоящим, чем развитие научных идей: построить ускоритель размером с галактику для проверки теории струн куда сложнее, чем разработка самой этой теории.

Так или иначе, но далеко нам ещё до познания Вселенной, безмерно далеко. И это – замечательно! Тайн и загадок хватит всем.

Но всех загадок не раскрыть
И звезд не перечислить.
И надо будет вечно жить,
Чтоб все это осмыслить!
Февраль 2014 г.

 

Литература

  1. Ли Смолин. «Неприятности с физикой»
  2. Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц. «Теоретическая физика. Том 4», стр.18
  3. Cтивен Хокинг. «Краткая история времени»
  4. Брайн Грин. «Элегантная Вселенная»