Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

Введение

Мир стоит на пороге великих открытий. Сегодня проводятся самые масштабные и интересные в истории эксперименты в области физики элементарных частиц и космологии, и самые талантливые физики и астрономы мира объединяют усилия для анализа их результатов. Возможно, в ближайшее десятилетие ученые обнаружат то, что изменит наши представления о фундаментальном строении вещества и структуре самого пространства; не исключено даже, что наши представления о природе реальности станут более полными. Ученые, которые вплотную занимаются этими вопросами, уверены, что новые факты не просто дополнят уже имеющиеся. Мы с нетерпением ждем открытий, которые приведут к зарождению принципиально новой парадигмы структуры Вселенной и изменят представление об ее устройстве, сложившееся на основании прошлых открытий.

10 сентября 2008 г. произошло историческое событие – первый пробный пуск Большого адронного коллайдера (БАК), на который все мы возлагаем большие надежды. Слово «большой» в названии относится не к адронам, а к самому коллайдеру. Основа БАКа – громадный кольцевой туннель длиной 26,6 км[1], расположенный между горами Юра и Женевским озером и дважды пересекающий франко-швейцарскую границу. Электрические поля внутри этого туннеля разгоняют два пучка частиц, в каждом из которых движутся миллиарды протонов (протоны принадлежат к классу элементарных частиц, известных как адроны, поэтому коллайдер – адронный); частицы носятся по окружности, делая за одну секунду примерно 11 000 оборотов.

Коллайдер служит площадкой для крупнейших экспериментов из тех, какие когда-либо ставились на Земле. Цель ученых – провести детальные исследования структуры материи на невозможных доселе расстояниях и при более высоких энергиях, чем когда-либо прежде. При таких энергиях должен возникнуть целый ряд необычных элементарных частиц; кроме того, предположительно должны возникнуть взаимодействия, имевшие место при рождении Вселенной – примерно через одну триллионную долю секунды после Большого взрыва.

При проектировании Большого адронного коллайдера пришлось задействовать всю изобретательность ученых и инженеров и все возможности современной техники; его строительство также оказалось сложнейшей задачей. К огромному разочарованию ученых и сочувствующих, всего через девять дней после первого успешного пуска в коллайдере из-за некачественной пайки в одном из контактов произошла авария. Однако осенью 2009 г. БАК вернулся в строй и заработал даже лучше, чем кто-либо надеялся. Так многолетние ожидания стали реальностью.

Весной того же года с космодрома во Французской Гвиане были запущены научно-исследовательские космические аппараты – крупнейший космический телескоп Herschel и космическая обсерватория Planck. Я узнала об этом от группы радостно возбужденных астрономов Калифорнийского технологического института. Они встречали 13 мая в 5:30 утра в Пасадене, а я гостила там, чтобы удаленно наблюдать за эпохальным пуском. Миссия Herschel – прояснить процессы формирования и эволюции звезд и галактик, а Planck – передать на Землю подробные данные об остаточном излучении, сохранившемся после Большого взрыва, что позволит больше узнать о начальном периоде эволюции нашей Вселенной. Надо сказать, что космический запуск всегда вызывает радость и тревогу одновременно – ведь от 2 до 5 % их заканчиваются неудачей, и тогда пропадают годы работы над специализированным научным оборудованием спутника, который вместе с ракетой падает обратно на Землю. К счастью, этот пуск прошел успешно, и весь день приходила информация о благополучном ходе полета. Тем не менее пройдет еще не один год, прежде чем Herschel и Planck передадут нам ценнейшую информацию о звездах и Вселенной.

На сегодняшний момент физика дает прочную базу для наших знаний о том, как функционирует Вселенная на самых разных пространственных масштабах и при самых разных энергиях. Теоретические и экспериментальные исследования позволили ученым глубоко понять элементы и структуры – от самых крошечных до громадных. Со временем нам удалось восстановить подробную и непротиворечивую картину того, как из отдельных кусочков складывается целое. Физические теории описывают, как развивался космос: из крошечных составляющих сформировались атомы, которые в свою очередь слились в звезды, а те – образовали галактики и более крупные структуры, разбросанные по Вселенной. Затем некоторые звезды взорвались и породили тяжелые элементы, которые попали в нашу Галактику и в Солнечную систему, – без них в конечном итоге не возникла бы жизнь. На базе надежных и обширных сведений, полученных при помощи БАКа и космических аппаратов, физики надеются расширить наши представления об окружающем мире и достигнуть большей точности, чем когда-либо прежде. Это рискованная и амбициозная затея.

Вероятно, вам доводилось слышать четкое и на первый взгляд точное определение науки, противопоставляющее ее всевозможным системам верований, таким как религия. Однако реальная история развития науки далеко не проста. Нам, безусловно, нравится думать – по крайней мере сама я поначалу думала именно так, – что наука достоверно отражает реальность и правила, которым подчиняется физический мир. Но актуальные исследования почти неизбежно проходят в ситуации неопределенности, когда мы надеемся, что продвигаемся вперед, но не до конца в этом уверены. Чтобы достойно ответить на вызовы, ученый должен рождать перспективные идеи и при этом всегда сомневаться в них, проверять истинность их самих и вытекающих из них следствий. Научные исследования неизбежно балансируют на грани сложных, иногда противоречивых или конкурирующих, но, как правило, чрезвычайно интересных идей. Задача ученых – расширять пределы человеческих знаний. Но, когда жонглирование данными, концепциями и уравнениями только начинается, их интерпретация часто остается неясной – причем для всех, включая и самих ученых.

Мои исследования сосредоточены на теории элементарных частиц (самых маленьких из известных нам объектов), но иногда затрагивают и теорию струн, и космологию (самые крупные объекты). Мы с коллегами пытаемся понять, что лежит в основе материи, что находится там, далеко во Вселенной, и как связаны между собой все фундаментальные величины и свойства, обнаруженные экспериментальным путем. Физики-теоретики не проводят настоящих экспериментов, цель которых – определить, какие из имеющихся теорий применимы в реальном мире. Вместо этого мы пытаемся предсказывать возможные выводы из того, что могут дать эксперименты, и разрабатываем новые способы проверки идей. Ответы на вопросы, которые мы пытаемся отыскать, вряд ли изменят в ближайшем будущем нашу повседневную жизнь. Но в итоге они, возможно, помогут нам понять, кто мы и откуда взялись.

Эта книга – о наших исследованиях и важнейших научных вопросах, стоящих перед человечеством. Новые открытия в физике частиц и космологии способны радикально изменить наши представления о мире: о его устройстве, эволюции и силах, им управляющих. В книге рассказывается об экспериментальных исследованиях на базе Большого адронного коллайдера и о теоретических работах, в которых ученые выступают как провидцы. В ней говорится также о космологических исследованиях – о том, как человек пытается проникнуть в суть Вселенной, особенно так называемой «темной» материи.

Но это еще не все. Здесь рассматриваются и более общие вопросы, свойственные любым научным поискам. Наряду с описанием исследований, идущих в авангарде современной науки, я пытаюсь прояснить для читателя природу науки. Вы узнаете, как ученые решают, какие именно вопросы перед собой ставить, почему они не всегда могут договориться даже об этом и как верные научные идеи в конце концов побеждают. Я рассказываю, какими путями развивается наука и чем она принципиально отличается от иных способов поиска истины, стараюсь раскрыть философские основы науки и описать промежуточные этапы, когда еще неясно, чем закончится дело и кто окажется прав. Кроме того – и это не менее важно, – книга показывает, как научные идеи и методы применяются вне науки и способствуют более разумному принятию решений во всех сферах жизни.

Эта книга предназначена для всех, кто хотел бы получить лучшее представление о текущем состоянии теоретической и экспериментальной физики, а также о природе современной науки и принципах здравой научной мысли. Люди часто не понимают, что такое наука и что человечество может узнать с ее помощью. И книга – моя попытка развенчать некоторые неверные представления и, возможно, выразить собственное раздражение от того, как сейчас понимают и применяют науку.

Несколько последних лет подарили мне уникальные впечатления и беседы, которые многому меня научили, и мне хотелось бы поделиться ими. Я не являюсь специалистом во всех областях, которые затрагиваю, да и рассмотреть их здесь сколько-нибудь подробно невозможно. Но все же я надеюсь, что эта книга поможет читателю распознать самые надежные источники научной информации – или дезинформации, – что, безусловно, пригодится в будущем при самостоятельном поиске ответов. Некоторые мои соображения могут показаться очевидными, но более полное представление о том, как устроена современная наука, поможет лучше разобраться и в текущих исследованиях, и в проблемах, с которыми сталкивается в наши дни человечество.

Сегодня, в эпоху приквелов, вряд ли кого-то удивит, что в этой работе содержится как бы предыстория сюжета моей предыдущей книги «Закрученные пассажи»[2] и одновременно – информация о том, как обстоят дела в сегодня и чего мы ждем в будущем. Она заполняет пробелы – описывает научную базу новых идей и открытий – и объясняет, почему мы в настоящий момент с нетерпением ждем появления новых данных.

В книге подробности самых современных научных исследований чередуются с размышлениями о темах и концепциях, на которых зиждется наука и которые помогают разобраться в окружающем мире. Часть I, главы 11 и 12 части II, главы 15 и 18 части III и финальная часть VI (подведение итогов) больше рассказывают о научном мышлении, тогда как в остальных главах говорится преимущественно о физике – о сегодняшнем ее состоянии и о том, как мы к нему пришли. В определенном смысле это две книги в одной, но читать их лучше всего вместе. Кому-то может показаться, что современная физика слишком далека от повседневной жизни, чтобы быть понятной; однако знакомство с базовыми философскими и методологическими концепциями, направляющими нашу мысль, поможет прояснить для себя как сущность науки, так и значение научного мышления как такового, в чем мы убедимся на множестве примеров. И наоборот, полное понимание базовых элементов научного мышления достигается лишь на примерах из прикладной науки. Желающие могут, разумеется, бегло просмотреть или вообще пропустить одну из двух частей, но следует иметь в виду, что лишь вместе они образуют гармонию.

Ключевую роль на протяжении всей книги будет играть понятие масштаба. Законы физики – это те рамки, которые соединяют теоретические и физические описания в единое логически последовательное целое – от мельчайших сгустков частиц, которые в настоящее время исследуются на БАКе, до громадного космоса[3]. Категория масштаба принципиально важна как для нашего мышления, так и для конкретных фактов и идей, с которыми мы будем иметь дело. Признанные научные теории имеют свое применение на доступных нам масштабах. Но, по мере того как мы получаем все новые данные о неисследованных прежде объектах (больших и маленьких), эти теории постепенно поглощаются другими, все более точными и фундаментальными. В главе 1 мы попытаемся определить элементы масштаба и объяснить, почему в физике так важно классифицировать объекты по размерам и как новые научные достижения выстраиваются на фундаменте прежних.

Кроме того, в части I сравниваются различные способы получения знаний. Спросите, что представляют люди, когда думают о науке, и, скорее всего, вы получите абсолютно разные ответы. Некоторые скажут, что наука – это жесткие неизменные утверждения об устройстве физического мира. Другие определят науку как набор принципов, которые постоянно заменяются другими, а третьи заявят, что наука – это не что иное, как еще одна система верований, и ничем качественно не отличается от философии или религии. И все будут неправы.

В постоянных ожесточенных спорах, в том числе и внутри научного сообщества, нет ничего удивительного; главная причина здесь – непрерывная эволюция самой науки. В этой части мы немного поговорим об истории науки; это поможет читателю понять, как сегодняшние исследования вырастают из интеллектуальных прорывов XVII в., и вспомним некоторые не самые известные факты давней дискуссии между наукой и религией и их противостояния, возникшего примерно в то же время. Речь пойдет также о материалистических взглядах и о том, к каким неудобным следствиям они приводят в вопросе о науке и религии.

Часть II обращается к физической структуре материального мира и составляет примерную карту предстоящего научного путешествия: от материи знакомых и привычных масштабов мы двинемся вниз, к мельчайшим объектам, проводя одновременно их классификацию. Мы покинем знакомую территорию и перейдем к объектам субмикроскопическим, внутреннюю структуру которых можно исследовать лишь при помощи гигантских ускорителей частиц. Закончится раздел краткой информацией о наиболее крупных текущих экспериментах – Большом адронном коллайдере и астрономических исследованиях самого начала эволюции Вселенной.

Всякое интересное научное открытие потенциально способно радикально изменить наше мировоззрение: это в полной мере относится к нынешним амбициозным проектам. В части III мы начнем подробнее разбираться в работе БАКа и в том, как это громадное устройство создает и сталкивает между собой протонные пучки; цель эксперимента – получение новых частиц, которые расскажут нам об устройстве мельчайших обнаруженных объектов. В этом разделе объясняется также, как ученые, проводящие эксперимент, собираются интерпретировать полученные данные.

Европейский центр ядерных исследований – CERN[4] (равно как и лживый голливудский блокбастер «Ангелы и демоны») – много сделал для популяризации физики элементарных частиц и ее экспериментальной стороны. Многие слышали о гигантском ускорителе частиц, который будет сталкивать между собой высокоэнергетические протоны и создавать в крохотном пространстве невиданные прежде формы материи. Сегодня БАК работает и готов изменить наши взгляды на фундаментальную природу материи и пространства. Но мы пока не знаем, что именно обнаружится с его помощью.

В ходе нашего научного путешествия мы поразмышляем о научной неопределенности и о том, что на самом деле могут показать измерения. Исследования по самой природе своей пересекают грань непознанного. Эксперименты планируются таким образом, чтобы уменьшить или устранить как можно больше неопределенностей. Тем не менее, хотя это может показаться парадоксальным, в повседневной научной практике полно неопределенностей. Часть III исследует, как ученые отвечают на современные вызовы и как понимание принципов научного мышления помогает обычному человеку верно интерпретировать наш сложный мир.

В части III рассматривается также пресловутая проблема черных дыр и то, как раздутые по их поводу страхи смотрятся на фоне некоторых реальных опасностей. Мы рассмотрим важные вопросы анализа затрат и результатов и проблему рисков, поговорим о возможных подходах к ним – как в лаборатории, так и вне ее.

Часть IV рассказывает о поиске бозона Хиггса, а также о конкретных моделях – обоснованных предположениях о том, что существует и может быть обнаружено при помощи БАКа. Если эксперименты на коллайдере подтвердят некоторые из предложенных теоретиками идей – или откроют что-нибудь непредвиденное, – их результаты заметно изменят наши представления о мире. В этом разделе объясняется механизм Хиггса, ответственный за появление масс у элементарных частиц, а также проблема иерархии, из которой вытекает, что мы должны обнаружить еще больше частиц. В ней также исследуются модели решения этой проблемы и предсказанные ими экзотические новые частицы, связанные, к примеру, с суперсимметрией или дополнительными пространственными измерениями.

Параллельно с конкретными гипотезами в этой части объясняется, как физики конструируют модели. В ней рассказывается не только о том, что ищут физики с помощью БАКа, но и о том, как они предугадывают, что именно найдут. В этой части описано, как ученые пытаются связать абстрактные на первый взгляд данные, полученные на БАКе, с глубокими и фундаментальными идеями, которые мы в настоящее время исследуем.

После исследования глубин вещества мы обратим в части V взгляд вовне. В то время как БАК исследует самые крохотные материальные объекты, космические аппараты и телескопы, напротив, разбираются с самыми крупными объектами космоса – они пытаются определить, в каком темпе ускоряется расширение Вселенной, и подробно изучают реликтовое излучение, оставшееся со времен Большого взрыва. Совсем скоро нас могут ожидать поразительные открытия в космологии – науке о том, как развивалась Вселенная. В этом разделе мы рассмотрим Вселенную в самом крупном масштабе и обсудим связь космологии и физики элементарных частиц, а также загадочную и неуловимую темную материю и эксперименты, направленные на ее поиски.

Завершит книгу часть VI с размышлениями о творческих возможностях человека и о том, из какого множества разнообразных элементов складывается креативное мышление. Мы обсудим, как человек может получить ответы на глобальные вопросы, совершая мелкие повседневные действия. И в самом конце поговорим о том, почему сегодня так важны наука и научное мышление, а также о симбиозе техники и научного мышления, привнесшем так много прогрессивного в современную жизнь.

Мне часто напоминают, как сложно неученым понимать и оценивать абстрактные идеи, с которыми имеет дело современная наука. Я осознала это в тот момент, когда мне пришлось после публичной лекции о дополнительных измерениях и физике встретиться с группой студентов колледжа. Мне сказали, что все они очень хотят задать мне один вопрос, и я подумала, что они что-то недопоняли в моей лекции. Оказалось, их всех интересовал мой возраст. Однако отсутствие интереса – не единственная проблема, и те студенты все же постепенно перешли к вопросам о науке. Бессмысленно, однако, отрицать, что фундаментальная наука часто абстрактна, и оправдать ее существование в глазах неспециалистов зачастую непросто. С этим препятствием я столкнулась осенью 2009 г. на слушаниях в Конгрессе, где я была вместе с Деннисом Коваром, заместителем директора по физике высоких энергий Управления науки Министерства энергетики США, Пьером Оддоном, директором Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми, и Хью Монтгомери, директором Лаборатории Джефферсона – еще одного центра ядерной физики. В правительственное учреждение я попала впервые со школьных времен – тогда я стала финалисткой научного конкурса, устроенного фирмой Westinghouse, и конгрессмен моего округа Бенджамин Розенталь устроил мне экскурсию; благодаря его великодушию я многое увидела, тогда как остальные финалисты смогли только сфотографироваться с ним.

Во время недавнего визита я вновь получила возможность увидеть кабинеты, в которых делается политика. Зал, где заседает Комитет по науке и технике Палаты представителей, находится в офисном здании Рейберн-Хаус. Мы как приглашенные «свидетели» сидели лицом к конгрессменам. Над головами депутатов висели воодушевляющие высказывания, одно из которых гласило: «Без откровения народ гибнет. (Притчи 29:18)».

Судя по всему, американское правительство не в состоянии обойтись без ссылок на Священное писание даже в зале, где конгрессмены обсуждают исключительно науку и технику. Тем не менее мысль, выраженная в этих словах, благородна и точна, и мы все были бы рады, если бы законодатели про нее не забывали.

Вторая табличка содержала цитату из Теннисона: «Ибо я погружался в будущее так далеко, насколько видят глаза, /И видел образ мира и все его будущие чудеса». Тоже неплохая мысль; пожалуй, об этом действительно стоит помнить, излагая цели наших исследований.

Однако ирония ситуации заключалась в том, что лицом к этим изречениям сидели мы – «свидетели» из мира науки, и без того настроенные в таком ключе. А народные представители сидели прямо под ними и, соответственно, не могли их видеть. Конгрессмен Липински сказал во вступительном слове, что открытия порождают еще больше вопросов и серьезные метафизические проблемы; он признал, что видел таблички с изречениями, но они очень легко забываются. «Мало кто из нас смотрит вверх хотя бы иногда», – сказал он, поблагодарив нас за напоминание.

Оставив интерьер Конгресса в покое, мы, ученые, перешли к делу и попробовали объяснить, почему настоящий период так интересен и беспрецедентен для космологии и физики элементарных частиц. Вопросы конгрессменов иногда были острыми и скептическими, но я могу представить себе, какое сопротивление им приходится преодолевать, объясняя своим избирателям, почему решение прекратить финансирование науки было бы ошибочным даже перед лицом экономического кризиса. Вопросы нам задавали самые разные – подробно расспрашивали о целях конкретных экспериментов, но брали и шире – интересовались ролью науки и тем, куда она ведет человечество.

Периодически конгрессмены покидали зал, чтобы участвовать в голосовании. В промежутках между такими выходами мы приводили примеры благ, полученных в качестве побочного продукта от развития фундаментальной науки. Даже самые общие научные исследования зачастую приносят неожиданные плоды. Мы говорили о том, как Тим Бернерс-Ли придумал Всемирную паутину как средство для обеспечения сотрудничества физиков из разных стран в совместных экспериментах в CERN. Мы обсуждали медицинские приложения, такие как ПЭТ – позитронно-эмиссионную томографию – метод исследования внутренних органов при помощи античастиц, парных к электрону. Мы объясняли важность промышленного производства сверхпроводящих магнитов, которые были разработаны для коллайдера, но сегодня применяются и в магнитно-резонансной томографии. Наконец, мы говорили о применении общей теории относительности в точном прогнозировании, в том числе в работе глобальной навигационной системы GPS, которой мы ежедневно пользуемся.

Конечно, серьезная наука не обязательно приносит немедленные практические плоды. Даже если работа окупается и приносит прибыль, мы редко знаем об этом заранее или даже в момент совершения открытия. Когда Бенджамин Франклин сделал вывод об электрической природе молнии, он никак не мог знать, что скоро электричество изменит лицо планеты. И Эйнштейн, работая над общей теорией относительности, не ждал, что ее можно будет применить в каких-либо практических устройствах.

Таким образом, в тот день мы упирали в первую очередь не на практические приложения научных исследований, а на жизненную важность чистой науки вообще. Наука в Америке имеет несколько сомнительный статус, но сегодня многие уже понимают ее ценность. После Эйнштейна представления общества о Вселенной, времени и пространстве изменились, о чем свидетельствует песня As Time Goes By[5], процитированная в «Закрученных пассажах». Даже язык и стиль мышления меняются по мере того, как человек лучше понимает окружающий мир и развивает в себе новые мыслительные возможности. От того, чем заняты сегодня ученые и как мы все к этому относимся, зависят и наш завтрашний взгляд на мир, и развитие стабильного думающего общества.

Мы живем в невероятно интересное время, когда проводятся самые дерзкие эксперименты в области физики и космологии. В книге мы рассмотрим широкий спектр всевозможных исследований и коснемся разных способов познания мира – через искусство, религию и науку, – но обсуждать будем преимущественно цели и методы современной физики. Ведь даже самые крохотные объекты Вселенной помогают нам понять, кто мы такие и откуда пришли. Крупные структуры проливают свет на наше космическое окружение, а также на происхождение Вселенной. Эта книга о том, что и каким образом мы надеемся найти. Наше путешествие будет полно загадок и приключений – так что добро пожаловать на борт.