доступны. Гипотеза Большого взрыва, согласно которой образование Вселенной было очень жарким, подразумевает, что ядра собирались из первичной смеси кварков и глюонов, и позволяет вычислить относительные количества различных химических элементов в ранней Вселенной до образования звезд. Результат — радикальное преобладание водорода и гелия над другими элементами. Тяжелые элементы возникали уже внутри звезд, а после смерти последних высвобождались в процессе взрывов сверхновых. Следуя этому сценарию, мы получаем хорошо согласующееся с опытом описание материи, образующую Вселенную сегодня. Это согласие между фундаментальной физической теорией и наблюдениями еще больше укрепляет нашу уверенность в теории — даже применительно к условиям, гораздо более экстремальным, чем в земных химии, биологии или инженерном деле.
Однако астрономы собрали убедительные доказательства того, что обычная материя, основанная на электронах, фотонах, глюонах и кварках, составляет всего около 4 % веса Вселенной. Остальное относится к категориям «темной материи» (около 25 %) и «темной энергии» (около 70 %). Обе пока идентифицируются лишь посредством их слабого (но кумулятивного) гравитационного влияния на обычную материю. Поскольку взаимодействие темной энергии и темной материи с обычной материей крайне слабое, трудно представить, каким образом они могли бы стать полезными для технологий.
Нерешенные проблемы и пробелы
Осложнения: больше материала
Наиболее решительно анализ и синтез, или редукционизм, осуществляется на больших ускорителях, таких как Большой андронный коллайдер (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Протоны в нем разгоняются до огромных энергий, а потом им дают столкнуться. При этом кратковременно создается плотность энергии, далеко превосходящая все, что происходит естественным образом на Земле (как, насколько мы знаем, где‑либо еще в современной Вселенной). Это позволяет проверить теории фундаментальных взаимодействий в условиях гораздо более тяжелых, чем встречающиеся в обычной практике.
У наиболее заметного результата этой работы есть два важных для наших целей аспекта.
Для начала плохая новость: наша «эффективная теория» оказывается весьма неполной. Чтобы получить хорошее описание всех обнаруженных на ускорителях явлений, следует добавить еще четыре вида кварков (странный s, очарованный с, прелестный b и истинный t), две тяжелые электроноподобные частицы (мюон µ, тау‑лептон τ), каждая из которых вдобавок вводит собственное нейтрино, двоих тяжелых родственников фотона и глюона (W— и Z‑бозоны) и, наконец, недавно обнаруженный бозон Хиггса.
Смысл плохой новости в том, что столь близкое рассмотрение реальности приводит к неожиданным осложнениям.
Теперь хорошая новость: эти осложнения лишь укрепляют принципы эффективной теории и не ставят под угрозу ее практическое применение. Изучение новых частиц предоставляет массу новых способов проверки общих принципов, лежащих в основе нашей эффективной теории — теории относительности, квантовой теории и локальной симметрии. Действительно, эти принципы предсказывают доли, в которых различные частицы будут производиться при разных условиях, то, на что они будут распадаться, и многое другое. До сих пор прогнозы — все без исключения — подтверждали правильность нашего описания реальности.
Таким образом, мы можем с определенной долей уверенности предположить, что последствия влияния этих частиц на земную среду в обычном (без ускорителя) режиме незначительны.
Смысл хорошей новости в том, что добавляемые элементы легко количественно определить и без нашей эффективной теории. Их наблюдаемое поведение усиливает обоснованность общих принципов. Но их очень трудно производить, и по большей части (за исключением новых нейтрино) они крайне нестабильны. Впрочем, их практическое влияние почти наверняка будет незначительным.
Квантовые сомнения и квантовая гравитация
Многие из пионеров квантовой теории — в частности, Планк, Эйнштейн и Шредингер — были недовольны ее зрелой формой. Им не нравилось пользоваться вероятностными прогнозами, а также упорствованием этих теорий в том, что в субатомном мире «идеальные» измерения — то есть измерения, не влияющие на измеряемую систему, — являются даже не идеализацией, а физической, объективной невозможностью. Эти особенности квантовой теории, похоже, подрывали представление о существовании объективного мира, содержащего объекты с определенными свойствами, которые эволюционируют согласно определенным принципам.
Более поздние поколения физиков по большей части примирились с квантовой теорией. Она привела к появлению многочисленных новых достижений и сумела пережить массу проверок. Кроме того, техническая работа над понятием «декогеренция» прояснила, каким образом стабильное и по существу детерминированное поведение тел в макромире возникает из квантового поведения в микромире. Впрочем, и сегодня некоторые высококвалифицированные физики с трудом воспринимают основы квантовой теории (я к этому числу не принадлежу). При проектировании квантовых компьютеров активно используются самые странные и сложные свойства этой теории. Было бы весьма любопытно, если бы они неожиданно потерпели неудачу.
Поскольку сложность, в частности, полного примирения теории гравитации и общей теории относительности с принципами квантовой механики все же сильно преувеличена, важно спустить эту дискуссию с небес на твердую землю. На практическом уровне проблем нет. Астрофизики и космологи регулярно и успешно рассчитывают развитие физических ситуаций, в которых одновременно действуют гравитационная и квантовая теории. В процессе всей этой работы не возникает никаких существенных неоднозначностей или исключений.
Сложности возникают, если попытаться применить уравнения к таким экстремальным условиям, какие могут возникнуть в самые ранние моменты Большого взрыва, или в глубине черных дыр, где решения становятся сингулярными. Концептуальные головоломки также возникают в квантовой теории малых черных дыр.
Можно было бы говорить о важном достижении и значительном прогрессе, если бы удалось выявить какое‑либо конкретное наблюдаемое явление, несущее в себе характерные черты квантовой гравитации, — и, конечно, понаблюдать за ним. До сих пор, несмотря на повсеместное интенсивное внимание и перспективу славы и премий, это еще никому не удалось.
То, что не происходит
Важная функция фундаментального знания состоит в том, чтобы избавить нас от мыслей, которые, скорее всего, окажутся непродуктивными. Здесь я хотел бы упомянуть о трех потенциальных «технологиях», широко представленных в популярных СМИ, но не слишком хорошо стыкующихся с фундаментальной физикой. Конечно, сюрпризы всегда возможны, и природа — это высший авторитет. Но развитие событий в следующих направлениях потребует от нас отказаться от принципов, которые до сих пор нам очень хорошо служили.
• Передача информации со сверхсветовой скоростью противоречит специальной теории относительности. В экстремальных условиях, при наличии сильных гравитационных полей, пространство‑время может деформироваться. Из‑за этого возникает вероятность образования туннелей в пространстве («кротовых нор») между точками, которые иначе находятся невероятно далеко одна от другой. Но, как я буду размышлять ниже, использование «кротовых нор» выходит далеко за пределы возможностей любой достижимой технологии.
• Воздействие на большом расстоянии, о котором говорила, например, астрология, не является частью нашей стандартной модели. Не случайно это также не согласуется с накопленным наукой опытом. Стоит предпринять несколько обычных мер предосторожности, как даже невероятно тонкие эксперименты дают воспроизводимые результаты, независимые от внешнего мира.
• Ментальное воздействие, явным образом проявляющееся в экстрасенсорном восприятии, телекинез, ясновидение и так далее, оторванные от физического субстрата, являются объектами аналогичных толков. Для них в современной фундаментальной физике нет места. И даже после максимально тщательно проведенных исследований экспериментаторы не сочли нужным беспокоиться о том, что думают люди.
Перспективы
Вычисляя реальность
Можно ожидать, что скоро компьютеры сделают для ядерной физики, астрофизики, материаловедения и химии то, что уже сделали в области авиастроения, дополнив и в конечном счете заменив лабораторные эксперименты вычислениями.
Недавняя разработка КХД — нашей теории сильного взаимодействия — позволяет достаточно четко предвидеть грядущее. Первоначальная проверка теории производилась при помощи точного количественного описания процессов очень высоких энергий, где ее закономерности упрощаются. Но ядерная физика, требующая изучения, в первую очередь, сильных взаимодействий, оказалась крепким орешком. Для решения уравнений КХД аналитическими методами потребовалась значительная изобретательность, а наиболее успешным подходом на сегодняшний день стало представление фундаментальных уравнений в формате, с которым могут работать компьютеры с тем, чтобы дальше действовали они. Теперь мы можем предвидеть будущее, в котором ядерная физика достигнет того же уровня точности и универсальности, которого добилась сегодня атомная. Усовершенствованная ядерная «химия» может дать нам сверхплотные источники энергии — более компактные, более управляемые и более универсальные, чем современные реакторы (или бомбы).
При проектировании полезных катализаторов и препаратов расчет будет все чаще заменять эксперименты, что приведет к значительно большей эффективности и откроет новые возможности для творческих исследований.
Многие технологические проблемы напрямую связаны со свойствами материалов. Создание более производительных аккумуляторных батарей (источников энергии) может привести к революции в области робототехники; повышение эффективности работы фотоэлементов может облегчить переход на широкомасштабное использование солнечной энергии; сверхпроводники, сохраняющие свойства при комнатной температуре, могут облегчить движение железнодорожного транспорта; прочные материалы позволят построить космический лифт, способный дешево и надежно связать Землю с космосом. В каждой из этих — и многих других — важных областей относительно небольшие улучшения ключевых свойств материалов могут кардинально изменить основные правила функционирования объектов. Можно ли это сделать? Ответ скрыт в наших уравнениях, но, чтобы извлечь его, надо произвести вычисления.