Физика на невъзможното

ЕпилогБъдещето на невъзможното

Дали тези истини винаги ще бъдат отвъд нашия досег? Дали има царства на познанието, които ще бъдат извън възможностите дори на една високоразвита цивилизация? От всички технологии, които анализирах досега, само машините с вечен двигател и прекогницията попадат в категорията на Клас III на невъзможните неща. Дали има други технологии, които също са невъзможни?

Чистата математика е богата на теореми, които показват, че някои неща са наистина невъзможни. Прост пример за това е невъзможността да бъде разделен на три части един ъгъл с използването на компас и линеал. Това е било доказано още през 1837 година.

Дори в прости системи като аритметиката има невъзможни неща. Както споменах по-горе, невъзможно е да бъдат доказани всички верни твърдения, които се намират в рамките на нейните постулати. Аритметиката е незавършена. Винаги ще има верни твърдения, които могат да бъдат доказани само ако човек прибегне до една много по-голяма система, която включва аритметиката като подмножество.

Въпреки че някои неща в математиката са невъзможни, винаги е опасно да се обявява, че нещо във физиката, химията и астрономията е абсолютно невъзможно. Нека да ви припомня една реч, произнесена от Нобеловия лауреат Албърт Е. Майкълсън през 1894 г. по време на тържественото откриване на Лабораторията по физика „Райърсън“ към Чикагския университет, когато той обявява, че е невъзможно да бъде открита някаква нова физика: „Всички по-важни фундаментални закони и факти на физичната наука са били открити и сега те са толкова здраво установени, че възможността за тяхното изместване вследствие на извършването на нови открития е изключително отдалечена… Нашите бъдещи открития трябва да бъдат търсени на шестата точка на десетичните дроби.“

Майкълсън направил своя коментар в навечерието на едни от най-големите и резки промени в научната история — квантовата революция през 1900 г. и революцията на относителността през 1905 година. Същността на проблема се крие в това, че нещата, които са невъзможни днес, нарушават известните закони на физиката, но законите на физиката такива, каквито ги знаем днес, могат да се променят.

През 1825 г. големият френски философ Огюст Конт, който пишел статии в „Курс по философия“, обявил, че на науката й е невъзможно да определи от какво се състоят звездите. На времето това изглеждало като безопасен облог, тъй като не било известно нищо за естеството на звездите. Те се намирали толкова далече, че било невъзможно да бъдат посетени. Но само няколко години, след като той изказал това твърдение, физиците (използвайки спектроскопия) обявили, че Слънцето се състои от водород. Всъщност днес знаем, че посредством анализа на спектралните линии от звезди, излъчени преди милиарди години, е възможно да бъде определено химичното естество на по-голямата част от Вселената.

Конт отправил предизвикателство към света на науката, като направил списък с други „невъзможни неща“:

— Той твърдял, че „структурата на телата на фундаментално равнище винаги ще се намира извън обсега на нашето познание“. С други думи, невъзможно е да узнаем истинското естество на материята.

— Смятал, че математиката никога не може да бъде използвана за обясняването на биологията и химията. Твърдял, че е невъзможно тези науки да бъдат сведени до математиката.

— Бил на мнение и че е невъзможно изследването на небесните тела да окаже някакво въздействие върху човешките дела.

През XIX в. било логично да бъдат предложени тези „невъзможни неща“, тъй като било известно твърде малко за фундаменталната наука. Почти нищо не било известно за тайните на материята и живота. Но днес разполагаме с атомната теория, която разкрива пред нас цяло ново царство на научното изследване на структурата на материята. Знаем за ДНК и за квантовата теория, които разкриват тайните на живота и химията. Знаем и за стълкновенията с метеорити, идващи от Космоса, които не само са повлияли върху насоката на развитие на живота на Земята, но и са спомогнали за посоката на самото му съществуване.

Астрономът Джон Бароу отбелязва: „Историците още спорят върху предположението, че възгледите на Конт са отговорни в известна степен за последвалия упадък на френската наука.“101

Математикът Давид Хилберт, отхвърляйки твърденията на Конт, писал: „Според мен истинската причина, поради която Конт не е можел да открие нерешен проблем, се крие във факта, че няма такова нещо като нерешим проблем.“102

Но днес някои учени са съставили нова група от невъзможни неща: никога няма да знаем какво е станало преди Големия взрив (или защо той е „избухнал“ на първо място) и никога няма да стигнем до една теория на всичко.

Физикът Джон Уилър прави коментар върху първия „невъзможен“ въпрос, когато пише: „Преди двеста години сте можели да попитате всекиго: «Ще успеем ли един ден да разберем как е възникнал животът?» и той е щял да ви отговори: «Абсурдно! Невъзможно!» Изпитвам същото чувство при въпроса: «Ще разберем ли някога как е възникнала Вселената?»“103

Астрономът Джон Бароу добавя: „Скоростта, с която се движи светлината, е ограничена и следователно това важи и за нашето познание за структурата на Вселената. Не можем да знаем дали тя е ограничена или неограничена, дали е имала начало, или дали ще има край, дали структурата на физиката е една и съща навсякъде и дали Вселената в крайна сметка е подредено или неподредено място… Всичките значителни въпроси за естеството на Вселената — от нейното начало до нейния край — се оказват въпроси, които не могат да получат отговор.“104

Бароу е прав, когато казва, че никога няма да знаем с абсолютна сигурност какво е истинското естество на Вселената в цялото й величие. Но е възможно постепенно да навлезем все по-дълбоко в тези вечни въпроси и да се приближим мъчително близо до отговорите. Вместо да представляват абсолютните граници на нашето познание, тези „невъзможни неща“ може би ще е по-подходящо да бъдат смятани за предизвикателства, които очакват следващото поколение учени. Тези граници са като кори от маслено тесто, които са направени, за да бъдат схрупани.

Когато говорим за Големия взрив, трябва да кажем, че вече е налице ново поколение детектори, които могат да дадат отговор на някои от вечните въпроси. Днес радиационните детектори в открития космос могат само да измерват микровълновата радиация, излъчена 300 000 години след Големия взрив, когато са се образували първите атоми. Невъзможно е тази микровълнова радиация да бъде използвана за изследването на материали от по-ранно време, тъй като радиацията от първоначалната ядрена експлозия има прекалено висока температура и прекалено случаен характер, за да предостави полезна информация.

Но ако анализираме други типове радиация, ще бъдем в състояние да се приближим още повече до Големия взрив. Проследяването на неутрината например може да ни отведе по-близо до мига на Големия взрив (неутрината са толкова неуловими, че могат да преминат през цяла слънчева система, състояща се от твърдо олово). Неутринната радиация може да ни заведе до времеви период от няколко секунди след Големия взрив.

Но може би последната тайна на Големия взрив ще бъде разкрита от изучаването на „гравитационните вълни“ вълни, които се движат по тъканта на континуума пространство-време. Както казва физикът Роки Колб от Чикагския университет: „Чрез измерването на свойствата на неутриновия фон можем да видим какво е било положението секунда след Взрива. Но гравитационните вълни от района на разширяването са останки от Вселената, датиращи 10^-35 секунди след Взрива.“105

Гравитационните вълни били предсказани за първи път от Айнщайн през 1916 година. Те могат накрая да се превърнат в най-важната сонда за астрономията. В исторически план може да се каже, че всеки път когато е била овладявана нова форма на радиация, в астрономията е настъпвала нова ера. Първата форма на радиация била видимата светлина, използвана от Галилео за изследването на Слънчевата система. Втората форма на радиация били радиовълните, които накрая са ни дали възможност да изследваме центровете на галактиките, за да откриваме черни дупки. Детекторите на гравитационни вълни могат да разкрият самите тайни на Сътворението.

В известен смисъл гравитационните вълни трябва да съществуват. За да разберете това, помислете върху вековния въпрос: Какво ще се случи, ако Слънцето изчезне изведнъж? Според Нютон ще усетим незабавно последствията от това. Земята мигновено ще бъде изхвърлена от орбитата си и ще потъне в мрак. Това ще стане, защото Нютоновият закон за гравитацията не отчита скоростта и вследствие на това силите действат мигновено из цялата вселена. Но според Айнщайн нищо не може да се движи по-бързо от светлината, затова на информацията за изчезването на Слънцето ще й потрябват осем минути, за да стигне до Земята. С други думи, от Слънцето ще се появи сферична „шокова гравитационна вълна“, която накрая ще се сблъска със Земята. Извън сферата от гравитационни вълни ще изглежда така, сякаш Слънцето все още свети както обикновено, защото информацията за неговото изчезване няма да е стигнала до Земята. Във вътрешността на тази сфера от гравитационни вълни обаче Слънцето вече ще е изчезнало, докато разширяващата се сфера от гравитационни вълни ще се движи със скоростта на светлината.

Друг начин да разберем защо трябва да съществуват гравитационни вълни е да си представим мислено голям чаршаф. Според Айнщайн континуума пространство-време е тъкан, която може да бъде свивана или опъвана като сложен накриво чаршаф. Ако сграбчим един чаршаф и го разтърсим бързо, ще видим, че по неговата повърхност се къдрят вълни, които се движат с определена скорост. По същия начин гравитационните вълни могат да бъдат разглеждани като вълни, които се движат по континуума пространство-време.

Гравитационните вълни спадат към най-бързо движещите се обекти, които са предмет на обсъждане във физиката днес. През 2003 г. започнаха да действат първите детектори на гравитационни вълни от голям мащаб — те бяха наречени LIGO (Лазерна интерферометърна гравитационно-вълнова обсерватория) и достигаха дължина от 2,5 мили (около 4,5 км), като едната от тях беше базирана в Ханфорд, Вашингтон, а другата в Ливингстън Периш, Луизиана. Учените се надяват, че LIGO, която струва 365 милиона долара, ще бъде в състояние да открива радиация от сблъскващи се неутронни звезди и черни дупки.

Следващият голям скок ще бъде направен през 2015 г., когато ще бъде изстреляно съвсем ново поколение спътници, които ще анализират гравитационната радиация в открития космос, датираща от мига на Сътворението. Трите спътника, които съставят LISA (Лазерна интерферометърна космическа антена), съвместен проект на NASA и Европейската космическа агенция, ще бъдат изпратени в орбита около Слънцето. Тези спътници ще бъдат в състояние да откриват гравитационни вълни, които са били излъчени по-малко от една трилионна част от една секунда след Големия взрив. Ако гравитационна вълна от Големия взрив, която все още се движи из Вселената, се сблъска с един от тези спътници, тя ще обезпокои лазерните лъчи и това смущение после може да бъде измерено по прецизен начин, което ще ни даде „бебешки снимки“ на мига на самото сътворение.

LISA се състои от три спътника, които се въртят около Слънцето във формата на триъгълник, като всички те са свързани помежду си с лазерни лъчи с дължина от 3 милиона мили (около 5,4 милиона км), което прави от LISA най-големия инструмент на науката, създаван някога. Тази система от три спътника ще се движи в орбита около Слънцето на около 30 милиона мили (около 54 милиона км) от Земята.

Спътниците ще излъчват лазерни лъчи с мощност само половин ват. Чрез сравняването на лазерните лъчи, които идват от другите два спътника, всеки спътник ще бъде в състояние да изгражда интерферентен светлинен модел. Ако гравитационна вълна обезпокои лазерните лъчи, тя ще промени интерферентния модел и спътникът ще бъде в състояние да открие това смущение. (Гравитационната вълна не кара спътниците да вибрират. В действителност тя създава изкривяване в пространството между трите спътника.)

Въпреки че лазерните лъчи са много слаби, тяхната точност е смайваща. Те ще бъдат в състояние да откриват вибрации в рамките на едно на милиард трилиона, което съответства на изместване с големина от една стотна от размера на един атом. Всеки лазерен лъч ще бъде в състояние да открива гравитационна вълна от разстояние, възлизащо на 9 милиарда светлинни години, което обхваща по-голямата част от видимата вселена.

LISA притежава нужната чувствителност, за да може да прави разлика между няколко сценария на „положението преди Големия взрив“. Една от най-горещо обсъжданите теми в теоретичната физика днес е изчисляването на характеристиките на Вселената преди Големия взрив. Понастоящем разширяването може да опише доста добре начина, по който Вселената се е развила след настъпването на Големия взрив. Но то не може да обясни защо изобщо е имало Голям взрив. Целта е да бъдат използвани тези хипотетични модели на ерата преди Големия взрив, за да бъде изчислена гравитационната радиация, излъчена от Големия взрив. Всяка от тези различни теории за положението преди Големия взрив съдържа различни хипотези. Радиацията, излъчена от Големия взрив, която е предсказана от теорията за голямото пръскане, се различава от радиацията, предречена от някои от инфлационните теории, затова LISA ще бъде в състояние да изключи от играта някои от тези теории. Очевидно моделите на положението преди Големия взрив не могат да бъдат проверени директно, тъй като включват разбирането за Вселената преди създаването на самото време, но ние можем да ги проверим индиректно, тъй като всяка от тези теории предсказва различен радиационен спектър, който се е появил по-късно сред Големия взрив.

Физикът Кип Торн пише: „По някое време между 2008 и 2030 г. ще бъдат открити гравитационни вълни от сингулярността на Големия взрив. Ще последва ера, която ще продължи поне до 2050 година. Тези усилия ще разкрият интимни подробности от сингулярността на Големия взрив и по този начин ще потвърдят истинността на твърдението, че някоя версия на струнната теория е вярната квантова теория за гравитацията.“106

Ако LISA не бъде в състояние да прави разлика между различните теории за положението преди Големия взрив, то нейният приемник наблюдателят на Големия взрив (BBO) би могъл да стори това. По предварителен план той трябва да бъде изстрелян през 2025 година. BBO ще бъде в състояние да сканира цялата вселена, за да издири всички бинарни системи, които включват неутронни звезди и черни дупки с маса, хиляда пъти по-малка от масата на Слънцето. Но главната му цел ще бъде да анализира гравитационните вълни, излъчени през инфлационната фаза на Големия взрив. В този смисъл BBO има специалното предназначение да проучи хипотезите в инфлационната теория за Големия взрив.

BBO прилича донякъде по конструкция на LISA. Той ще се състои от три спътника, които ще се движат заедно в орбита около Слънцето, като ще ги дели разстояние от 50 000 км (тези спътници ще се намират много по-близо помежду си от спътниците на LISA). Всеки спътник ще бъде в състояние да изстрелва 300-ватов лазерен лъч. BBO ще може да изследва гравитационно-вълнови честоти между LIGO и LISA, запълвайки една важна празнина. (LISA може да открива гравитационни вълни от 10 до 3 000 херца, докато LIGO може да открива гравитационни вълни с честота, варираща между 10 микрохерца и 10 милихерца. BBO ще бъде в състояние да открива честоти, които включват и двата обхвата.)

„До 2040 г. ще сме използвали тези закони (на квантовата гравитация), за да дадем отговори с висока надеждност на много задълбочени и озадачаващи въпроси — пише Торн, — включително… какво се е появило преди сингулярността на Големия взрив или дали е имало изобщо такова нещо като «преди». Има ли други вселени? И ако е така, какво отношение имат или каква връзка имат те с нашата вселена?… Дали законите на физиката позволяват на високоразвитите цивилизации да създават и поддържат дупки-червеи за междузвездно пътуване и да създават машини на времето за пътуване назад във времето?“107

Същността на проблема е в това, че през следващите няколко десетилетия трябва да постъпят достатъчно данни от детекторите на гравитационни вълни в Космоса, за да направим разлика между различните теории за ерата преди Големия взрив.

Поетът Т. С. Елиът задал въпроса: „Дали Вселената ще умре с гръм, или с хленч?“ Робърт Фрост попитал: „Дали всички ние ще загинем в огън или лед?“ Последните данни сочат, че Вселената ще загине по време на Голямо замръзване, през което температурите ще достигнат почти абсолютната нула и всички форми на интелигентен живот ще бъдат унищожени. Но можем ли да бъдем сигурни в това?

Някои са повдигали още един „невъзможен“ въпрос. Как ще узнаем някога каква ще бъде окончателната съдба на Вселената, питат те, след като това събитие отстои на трилиони трилиони години в бъдещето? Учените смятат, че „тъмната енергия“ или енергията на вакуума като че ли раздалечава галактиките с постоянно нарастваща скорост, което показва, че Вселената като че ли се разбягва нанякъде. Подобно разширение би понижило температурата на Вселената и в крайна сметка би довело до Голямото замръзване. Но дали това разширение е временно? Може ли то да обърне насоката си в бъдеще?

Например в сценария за Голямото пръскане, в който две мембрани се сблъскват и създават Вселената, изглежда така, сякаш мембраните могат да се сблъскват периодично. Ако е така, разширението, което, изглежда, води към Голямо замръзване, е само временно състояние, което някога ще обърне посоката си.

Това, което привежда в ход настоящото ускорение на вселените, е тъмната енергия, която на свой ред вероятно е породена от „космологичната константа“. Следователно, за да решим загадката, трябва да проумеем тази мистериозна константа или енергията на вакуума. Дали константата се променя с времето, или тя е наистина постоянна величина? Понастоящем никой не знае това със сигурност. Знаем от спътника WMAP, който в момента се върти в орбита около Земята, че тази космологична константа като че ли привежда в ход настоящото ускорение на Вселената, но не знаем дали то е постоянно, или не.

Този проблем е наистина стар, тъй като датира от 1916 г., когато Айнщайн въвежда за първи път космологичната константа. Скоро след като предлага общата относителност, той пресметва космологичните последствия от своята теория. За своя най-голяма изненада открива, че Вселената е динамична, че тя или се разширява, или се свива. Но тази идея като че ли противоречи на данните.

Айнщайн е изправен пред проблема как да реши парадокса на Бентли, който бил объркал дори Нютон. Още през 1692 г. преподобният Ричард Бентли написал на Нютон наивно писмо с унищожителен въпрос. Ако гравитацията на Нютон винаги привлича обектите, попитал Бентли, то тогава защо Вселената не изпада в колапс? Ако Вселената се състои от ограничен брой звезди, които се привличат взаимно, то в такъв случай звездите ще се сблъскат и Вселената ще колапсира в едно огромно огнено кълбо! Нютон бил дълбоко обезпокоен от това писмо, тъй като то разкривало един основен недостатък на неговата теория за гравитацията: всяка теория за гравитация, при която има привличане, е нестабилна по рождение. Всеки ограничен брой звезди неизбежно ще колапсира под въздействие на гравитацията.

Нютон написал в отговор, че единственият начин да бъде създадена стабилна вселена е да се разполага с неограничен и еднообразен брой звезди, като всяка звезда е притегляна в различни посоки, така че всички сили да се балансират. Това било умно решение, но Нютон бил достатъчно интелигентен, за да осъзнае, че подобна стабилност е измамна. Както в случая с една кула от карти, и най-слабата вибрация щяла да накара целия куп да се разпадне. Тя била „метастабилна“, т.е. била стабилна временно, докато и най-слабите смущения я принудят да рухне. Нютон стигнал до заключението, че е необходим Бог, който да побутва леко периодично звездите, за да не колапсира Вселената.

С други думи, Нютон гледал на Вселената като на гигантски часовник, който бил навит от Бога в зората на времето и се подчинявал на Нютоновите закони. Оттогава той тиктакал автоматично, без божествена намеса. Но според Нютон бил необходим Бог, който да подръпва от време на време звездите, за да не колапсира Вселената в кълбовидна мълния.

Когато Айнщайн се натъква на парадокса на Бентли през 1916 г., неговите уравнения му посочват правилно, че Вселената е динамична — като или се разширява, или се свива — и че една статична вселена е нестабилна и е щяла да колапсира под влияние на гравитацията. Но по онова време астрономите настояват, че Вселената е статична и неизменна. Затова Айнщайн, отстъпвайки пред наблюденията на астрономите, добавя космологичната константа, една антигравитационна сила, която раздалечава звездите помежду им, за да балансира гравитационното притегляне, което щяло да накара Вселената да колапсира. (Тази антигравитационна сила съответства на енергията, която се съдържа във вакуума. В тази образна представа дори огромната празнота на Космоса съдържа големи количества невидима енергия.) Тази константа трябва да бъде избрана много прецизно, за да бъде балансирана притегателната сила на гравитацията.

По-късно, когато Едуин Хъбъл показва през 1929 г., че Вселената всъщност се разширява, Айнщайн казва, че космологичната константа е неговата „най-голяма грешка“. Но сега, седемдесет години по-късно, изглежда така, сякаш „грешката“ на Айнщайн — космологичната константа, може на практика да се окаже най-големият източник на енергия във Вселената, формиращ 73 процента от съдържанието на материята и енергията във Вселената. (Противоположно на това, по-висшите елементи, които съставят нашите тела, представляват само 0,03 процента от Вселената.) „Грешката“ на Айнщайн вероятно ще определи окончателната съдба на Вселената.

Но откъде се е появила тази космологична константа? В момента никой не знае това. В началото на времето антигравитационната сила може би е била достатъчно голяма, за да накара Вселената да се разшири, предизвиквайки Големия взрив. След това тя изчезнала внезапно по причини, които са неизвестни. (Вселената все още се разширявала през този период, но с по-ниска скорост.) И после, около 8 милиарда години след Големия взрив, антигравитационната сила изскочила отново на сцената, карайки галактиките да се раздалечават и принуждавайки Вселената да се ускори още веднъж.

Така че „невъзможно“ ли е да определим окончателната съдба на Вселената? Може би не. Повечето физици вярват, че в крайна сметка квантовите ефекти определят големината на космологичната константа. Едно наивно изчисление, използващо примитивна версия на квантовата теория, показва, че космологичната константа е по-малка от число от порядъка на 10¹²⁰. Това е най-голямото несъответствие в историята на науката.

Но сред физиците има съгласие по въпроса, че тази аномалия означава само че ни е нужна теория за квантовата гравитация. Тъй като космологичната константа се появява чрез квантови корекции, трябва да разполагаме с една теория на всичко — теория, която ще ни позволи да изчислим не само стандартния модел, но и стойността на космологичната константа, която ще определи окончателната съдба на Вселената.

Затова е необходима една теория на всичко, която да определи окончателната съдба на Вселената. Иронията се крие във факта, че според някои физици е невъзможно да стигнем до една теория на всичко.

Както споменах по-горе, струнната теория е водещият кандидат за мястото на една „теория на всичко“, но има лагери, които си противостоят по въпроса дали струнната теория ще се покаже достойна за тази претенция. От едната страна има хора като професора от МТИ Макс Тегмарк, който пише: „Мисля, че през 2056 г. ще можем да си купим тениска, на която ще бъдат отпечатани уравненията, описващи обединените физични закони на нашата вселена.“108 От другата страна е групата на решителните критици, които твърдят, че платформата на струнната теория тепърва трябва да бъде представена. Независимо от това колко статии, от които ти секва дъхът, и телевизионни документални филми за струнната теория бъдат написани или създадени, някои казват, че тя трябва да представи тепърва поне един факт, който може да бъде проверен. Тя е по-скоро теория на нищото, отколкото теория на всичко, твърдят критиците. Спорът се ожесточи значително през 2002 г., когато Стивън Хокинг смени позициите си и отиде в другия лагер, като цитираше теоремата за непълнотата, и като каза, че една теория на всичко може дори да бъде невъзможна в математическо отношение.

Не е учудващо, че спорът изправя едни физици срещу други, тъй като целта е толкова висока, макар и изплъзваща се. Стремежът към обединяване на всички закони на природата е измъчвал и примамвал еднакво и философите, и физиците хилядолетия наред. Самият Сократ е казал веднъж: „Струва ми се нещо превъзходно да знам обяснението на всичко — защо то възниква, защо загива, защо съществува.“

Първото сериозно предложение за една теория на всичко датира от около 500 г. пр.Хр., когато на гръцките питагорейци се приписва дешифрирането на математическите закони на музиката. Чрез анализа на възловите точки и вибрациите на струната на една лира те показали, че музиката се подчинява по забележителен начин на обикновената математика. След това те изказали предположението, че всичко в природата може да се обясни със съзвучията на струната на лирата. (В известен смисъл струнната теория напомня за мечтата на питагорейците.)

В по-нови времена всички гиганти на физиката от XX в. са си пробвали късмета с единната теория на полето. Но, както предупреждава Фрийман Дайсън: „Земята на физиката е осеяна с телата на единни теории.“

През 1928 г. „Ню Йорк Таймс“ излязъл със сензационното заглавие: „Айнщайн е пред прага на голямо откритие. Негодува срещу натрапването.“ Вестникарската статия спомогнала за разпалването на мания, снабдяваща с новини медиите, по една теория на всичко — мания, която достигнала степента на постоянна силна трескава възбуда. Заглавията тръбели: „Айнщайн е смаян от възбудата, породена от теорията. Държи на разстояние от себе си 100 журналисти в продължение на седмица.“ Десетки журналисти се тълпели около дома му в Берлин, поддържайки денонощно наблюдение над него в очакването да зърнат гения и да получат материал за заглавие. Айнщайн бил принуден да се крие.

Астрономът Артър Едингтън писал на Айнщайн: „Може би ще се засмеете, когато чуете, че един от нашите универсални магазини в Лондон («Селфриджис») е залепил на своя прозорец вашата статия (като шестте страници са залепени една до друга), така че минувачите да могат да я прочетат от край до край. Големи тълпи се събират около нея, за да я прочетат.“ (През 1923 г. Едингтън предложил своя единна теория на полето, върху която работил неуморно до края на живота си, докато не починал през 1944 година.)

През 1946 г. Ервин Шрьодингер — един от основателите на квантовата механика, организирал пресконференция, за да предложи своя единна теория на полето. Дори министър-председателят на Ирландия Иймън де Валера присъствал на нея. Когато един репортер попитал учения какво ще направи, ако теорията му е погрешна, Шрьодингер отвърнал: „Вярвам, че съм прав. Ще изглеждам като пълен глупак, ако бъркам.“ (Шрьодингер се почувствал крайно унизен, когато Айнщайн посочил учтиво грешките в неговата теория.)

Най-жестокият от всички критици на единната теория бил физикът Волфганг Паули, който смъмрил Айнщайн с думите: „Това, което е разкъсал Бог, нека да не го свърже в едно цяло нито един човек.“ Той срязвал безмилостно всяка недообмислена теория със саркастичната забележка: „Тя не е дори погрешна.“ Затова има известна ирония във факта, че дори крайният циник Паули е бил обзет от същата мания. През 50-те години на XX в. той предложил своя единна теория на полето заедно с Вернер Хайзенберг.

През 1958 г. Паули представил единната теория на Хайзенберг и Паули в Колумбийския университет. Сред публиката бил и Нилс Бор, който не останал впечатлен от това, което чул. Станал и казал: „Ние тук отзад сме убедени, че вашата теория е безумна. Но това, за което не можем да се разберем, е дали вашата теория е достатъчно безумна.“ Критиката била унищожителна. Тъй като всички незащитени от критиката теории са били разгледани и отхвърлени, истинската единна теория на полето трябва да представлява поразително отклонение от миналото. Теорията на Хайзенберг и Паули просто била прекалено конвенционална, прекалено обикновена, прекалено логична, за да бъде вярната теория. (През същата година Паули бил обезпокоен, когато Хайзенберг отбелязал в едно радиопредаване, че на тяхната теория й липсват само няколко технически подробности. Паули пратил на приятелите си писмо с празен правоъгълник, към който имало пояснителен надпис: „Искам да покажа на света, че мога да рисувам като Тициан. Липсват само техническите подробности.“)

Днес водещият (и единствен) кандидат за мястото на теория на всичко е струнната теория.109 Но пак се появява неочаквано бурна враждебна реакция. Опонентите твърдят, че за да получиш постоянно назначение като преподавател в някой от най-добрите университети, трябва да работиш върху струнната теория. Ако не направиш това, ще останеш без работа. Тя е модна за момента и това не се отразява добре на физиката.

Усмихвам се, когато слушам тази критика, защото физиката, подобно на всички човешки начинания, става жертва на мании и моди. Съдбата на големите теории, и по-специално на тези, които се намират на ръба на човешкото познание, може да се променя към по-добро или по-лошо подобно на скъсяването или отпускането на подгъв на дреха. Всъщност преди години положението бе точно обратното — струнната теория бе прокудена от доброто общество. Тя е теория отстъпник, жертва на ефекта на платформата.

Струнната теория е създадена през 1968 г., когато двама млади докторанти — Габриел Венециано и Махико Сузуки, се натъкват на една формула, която като че ли описва сблъсъците на субатомните частици. Бързо установяват, че тази изумителна формула може да бъде извлечена от сблъсъка на вибриращи струни. Но до 1974 г. теорията не се радва на топъл прием. Една нова теория, квантовата хромодинамика (КХД), или теорията за кварките и силното взаимодействие, става непреодолимата сила, обезсърчаваща всички други теории. Хората изоставят струнната теория на тълпи, за да работят върху КХД. Цялото финансиране, всички работни места и признанието отиват при физиците, които работят върху кварковия модел.

Добре си спомням тези тежки години. Само безразсъдно смелите или инатите продължаваха да работят върху струнната теория. А когато стана известно, че тези струни могат да вибрират само в десет измерения, теорията стана прицел на шеги. Първооткривателят в областта на струнната теория Джон Шварц в Кал Тек понякога се засичал случайно с Ричард Файнман в асансьора. Тъй като винаги бил готов да пусне някоя шега, Файнман питал: „Е, Джон, в колко измерения си днес?“ Ние обичахме да се шегуваме, че единственото място, където може да бъде открит теоретик на струните, е опашката за безработни. (Нобеловият лауреат Мъри Гел-Ман, който бе създател на кварковия модел, веднъж ми довери, че изпитва съжаление към теоретиците на струните и е създал „природен резерват за заплашени теоретици на струните“ в Кал Тек, за да не загубят работата си хора като Джон.)

Като отчита факта, че днес толкова много млади физици напират да работят върху струнната теория, Стив Уайнбърг пише: „Струнната теория е нашият единствен днешен източник на кандидати за окончателна теория — как би могъл някой да очаква, че много от най-блестящите млади теоретици няма да работят върху нея?“

Една от важните критики, отправяни днес към струнната теория, е, че тази теория не може да бъде проверена. Критиците твърдят, че е необходим атомен ускорител с големината на галактика, за да бъде проверена тя.

Но тази критика пренебрегва факта, че по-голямата част от науката се прави непряко, а не пряко. Никой не е ходил някога на Слънцето, за да направи директно тест върху него, но знаем, че то се състои от водород, защото можем да анализираме неговите спектрални линии.

Или вземете черните дупки. Теорията за черните дупки датира от 1783 г., когато Джон Мичъл публикувал една статия във „Философските доклади за трудовете на Кралското дружество“. Той твърдял, че една звезда може да бъде толкова масивна, че „цялата светлина, излъчвана от подобно тяло, ще бъде заставена да се върне към него под влияние на собствената му гравитация.“ Теорията за „тъмната звезда“ на Мичъл креела векове наред, защото директният тест бил невъзможен. През 1939 г. Айнщайн дори написал статия, в която показвал, че такава тъмна звезда не може да се образува по естествен път. Критиката се състояла в това, че тези тъмни звезди нямало как да бъдат подложени на проверка по принцип, защото по дефиниция били невидими. Обаче днес космическият телескоп „Хъбъл“ ни предоставя великолепни доказателства за съществуването на черните дупки. Сега сме убедени, че милиарди от тях биха могли да се спотайват в сърцата на галактиките, като десетки блуждаещи черни дупки биха могли да съществуват и в нашата собствена галактика. Но същността на проблема е в това, че доказателствата за съществуването на черните дупки са изцяло индиректни, т.е. ние сме събрали информация за черните дупки посредством анализа на акреционния диск (увеличаващия се диск), който се върти около тях.

Нещо повече, много „непроверими“ теории накрая са станали проверими. Потрябвали са две хиляди години, за да бъде доказано съществуването на атомите, след като те били предложени за първи път от Демокрит. Физици от XIX в. като Лудвиг Болцман са били преследвани до смъртта си за това, че са вярвали в тази теория, но днес разполагаме с великолепни фотографии на атомите. Самият Паули е въвел концепцията за неутриното през 1930 г., а то е частица, която е толкова неуловима, че може да мине през блокчета от твърдо олово с големината на цяла звездна система и да не бъде абсорбирано. Паули казал: „Аз извърших най-големия грях — въведох частица, която не може да бъде наблюдавана.“ Оказало се „невъзможно“ да бъде открито неутриното, затова в продължение на няколко десетилетия то не било смятано за нещо повече от научна фантастика. Но днес можем да представим като доказателство снопове от неутрина.

Всъщност има голям брой експерименти, които ще осигурят първите индиректни тестове на струнната теория, както се надяват физиците:

— Големият адронен колайдер (LHC) може да се окаже достатъчно мощен, за да произвежда „с-частици“ или суперчастици, които представляват по-високите вибрации, предсказани от суперструнната теория (както и от други суперсиметрични теории).

— Както споменах по-горе, през 2015 г. Лазерната интерферометърна космическа антена (LISA) ще бъде изстреляна в Космоса. LISA и нейният приемник — наблюдателят на Големия взрив, могат да се окажат достатъчно чувствителни, за да проверят няколко теории за „положението преди Големия взрив“, включително и версиите на струнната теория.

— Голям брой лаборатории изследват наличието на по-висши измерения чрез проучването на отклонения от прочутия закон на Нютон за обратните квадрати в милиметров мащаб. (Ако има четвърто пространствено измерение, то тогава гравитацията трябва да се намалява от обратния куб, а не от обратния квадрат.) Последната версия на струнната теория (М-теорията) предрича съществуването на единадесет измерения.

— Много лаборатории се опитват да открият тъмна материя, тъй като Земята се движи в космически вятър от тъмна материя. Струнната теория прави специфични, проверими предположения за физическите свойства на тъмната материя, защото тя вероятно е по-висока вибрация на струната (например фотиното).

— Има надежда, че серия от допълнителни експерименти (например върху неутринната поляризация на Южния полюс) ще открие присъствието на мини черни дупки и други странни обекти чрез анализ на аномалиите в космическите лъчи, чиито енергии могат да превишат лесно тези на LHC. Експериментите с космически лъчи и LHC ще прокарат нова, вълнуваща граница отвъд стандартния модел.

— И има някои физици, които защитават възможността Големият взрив да е бил толкова експлозивен, че може би една съвсем малка суперструна е избухнала и е достигнала астрономически размери. Както пише физикът Александър Виленкин от университета „Тъфс“: „Има една много вълнуваща възможност: суперструните… да могат да достигат астрономически размери… Тогава ще бъдем в състояние да ги наблюдаваме на небето и да проверим директно суперструнната теория.“110 (Вероятността да бъде открита огромна, остатъчна суперструна, която е избухнала по време на Големия взрив, е съвсем малка.)

През 1980 г. Стивън Хокинг спомогна за разпалването на интерес към една теория на всичко със своята лекция, която бе озаглавена „Дали се вижда краят на теоретичната физика?“, по време на която каза: „Можем да видим една завършена теория още докато са живи някои от тук присъстващите.“ Той твърдял, че има шанс от петдесет на петдесет процента окончателната теория да бъде открита през следващите двадесет години. Но когато 2000 година настъпи и нямаше съгласие по въпроса за теорията на всичко, той промени мнението си и каза, че има възможност от петдесет на петдесет процента тя да бъде открита след още двадесет години.

След това през 2002 г. Хокинг промени мнението си още веднъж, като обяви, че Гьоделовата теорема за непълнотата може да подскаже един фатален недостатък в първоначалната му насока на разсъждения. Той писа: „Някои хора ще се разочароват много, ако не съществува окончателна теория, която може да бъде формулирана като ограничен брой от принципи. И аз принадлежах към този лагер, но промених мнението си… Теоремата на Гьодел вдъхна сигурност, че математиците винаги ще имат с какво да се занимават. Мисля, че М-теорията ще направи същото за физиците.“

Неговият аргумент е стар — тъй като математиката е незавършена, а езикът на физиката е математиката, винаги ще има верни физически твърдения, които ще бъдат отвъд нашия досег, и вследствие на това една теория на всичко не е възможна. Тъй като теоремата за непълнотата е убила гръцката мечта за доказване на всички верни твърдения в математиката, тя ще поставя и една теория на всичко винаги отвъд нашия досег.

Фрийман Дайсън се изказва красноречиво по този въпрос, когато пише: „Гьодел е доказал, че светът на чистата математика е неизчерпаем. Нито едно ограничено множество от аксиоми и правила за достигане на изводи не може някога да обхване цялата математика… Надявам се, че в света на физиката ситуацията е аналогична. Ако моята представа за бъдещето е правилна, това означава, че светът на физиката и астрономията също е неизчерпаем. Независимо от това колко далеч ще стигнем в бъдеще, винаги ще се случват нови неща, винаги ще постъпва нова информация, винаги ще има нови светове за изследване и постоянно ще се разширява сферата на живота, съзнанието и паметта.“

Астрофизикът Джон Бароу обобщава тази логика по следния начин: „Науката е основана на математиката; математиката не може да открие всички истини; следователно науката не може да открие всички истини.“111

Подобен аргумент може да бъде верен или неверен, но има потенциални недостатъци. Професионалните математици в по-голямата си част пренебрегват теоремата за непълнотата в своята работа. Това се дължи на обстоятелството, че теоремата за непълнотата започва с анализ на твърдения, които се позовават едни на други, т.е. те са самореферентни. Например твърдения като следните са парадоксални:

„Това изречение е невярно.“

„Аз съм лъжец.“

„Това твърдение не може да бъде доказано.“

В първия случай, ако изречението е вярно, това означава, че то е лъжливо. Ако изречението е лъжливо, то тогава твърдението е вярно. Също така, ако аз казвам истината, то тогава казвам лъжа; а ако казвам лъжа, то тогава аз казвам истината. В последния случай, ако изречението е вярно, то тогава не може да бъде доказано, че то е вярно.

(Второто твърдение е прочутият парадокс на лъжеца. Критският философ Епименид обичал да онагледява този парадокс, като казвал: „Всички критяни са лъжци.“ Обаче св. Павел изобщо не схванал за какво става дума и писал в своето послание до Тит: „Един от тях, прорицател техен, бе казал: «Критяните са винаги лъжци, зли зверове, лениви търбуси.» Това свидетелство е вярно.“)

Теоремата за непълнотата се крепи на твърдения като: „Това изречение не може да бъде доказано с използването на аксиомите на аритметиката“ и създава сложна мрежа от тези самореферентни парадокси.

Хокинг обаче използва теоремата за непълнотата, за да покаже, че не може да съществува теория на всичко. Той твърди, че ключът към Гьоделовата теорема за непълнотата е, че математиката е самореферентна, а физиката също страда от това заболяване. Тъй като наблюдателят не може да бъде отделен от процеса на наблюдение, това означава, че физиката винаги ще прави препратки към самата себе си, тъй като не можем да напуснем Вселената. В окончателния анализ наблюдателят също се състои от атоми и молекули и вследствие на това трябва да бъде интегрална част от експеримента, който извършва.

Но има начин да бъде избягната критиката на Хокинг. За да избягнат парадоксите, които са присъщи на теоремата на Гьодел, професионалните математици днес просто твърдят, че тяхната работа изключва всички самореферентни твърдения. По този начин те могат да се изплъзнат от теоремата за непълнотата. До голяма степен експлозивното развитие на математиката след Гьодел е било постигнато просто като е била пренебрегната теоремата за непълнотата, т.е. като е било постулирано, че в най-новите трудове няма да правят самореферентни твърдения.

По същия начин може да се окаже възможно изграждането на теория на всичко, която може да обясни всички известни експерименти, които не зависят от дихотомията наблюдател/наблюдавано. Ако такава теория на всичко може да обясни всичко, като се почне от началото на Големия взрив и се стигне до видимата вселена, която наблюдаваме около нас, то тогава става чисто теоретичен въпросът как описваме взаимодействието между наблюдателя и наблюдаваното. На практика критерий за една теория на всичко трябва да бъде твърдението, че нейните заключения са напълно независими от това как правим разделянето между наблюдателя и наблюдаваното.

Нещо повече, природата може да бъде неизчерпаема и безгранична, дори ако е основана на шепа от принципи. Помислете за шахмата. Помолете извънземен от друга планета да проумее правилата на шахмата само като гледа играта. След известно време извънземният може да разбере как се движат пешките, офицерите и царете. Правилата на играта са ограничени и прости. Но броят на възможните игри е наистина астрономически. По същия начин правилата на природата могат също да бъдат ограничени и прости, но приложенията на тези правила са неизчерпаеми. Нашата цел е да открием правилата на физиката.

В известен смисъл ние вече разполагаме със завършена теория за много явления. Никой не е откривал някога някакъв дефект в Максуеловите уравнения за светлината. Стандартният модел често е наричан „теория на почти всичко“. Допуснете за миг, че можем да изключим гравитацията. Тогава стандартният модел се превръща в напълно надеждна теория за всички явления освен гравитацията. Теорията може и да е тромава, но върши работа. Дори в присъствието на теоремата за непълнотата ние разполагаме със съвсем приемлива теория на всичко (освен гравитацията).

Според мен е наистина забележителен фактът, че върху един-единствен лист хартия човек може да напише законите, които управляват всички известни физични явления, обхващайки четиридесет и три порядъка на величините, като се започне от най-далечните предели на Космоса, които се намират на повече от 10 милиарда светлинни години, и се стигне до микросвета на кварките и неутриното. Върху този лист хартия ще има само две уравнения — Айнщайновата теория за гравитацията и стандартният модел. Това разкрива крайната простота и хармония на природата на фундаментално равнище. Вселената може да бъде опърничава, произволна или капризна. Но на нас тя ни изглежда цяла, взаимно свързана и красива.

Нобеловият лауреат Стив Уайнбърг сравнява търсенето на една теория на всичко с търсенето на Северния полюс. Векове наред древните мореплаватели работели с карти, на които липсвал Северният полюс. Стрелките на компасите и морските карти сочели към това липсващо място на картата, но никой не го бил посещавал в действителност. По същия начин всички данни и теории сочат към една теория на всичко. Тя е липсващата част от уравненията.

Винаги ще има неща, които ще бъдат отвъд нашия досег — неща, които ще бъде невъзможно да бъдат изследвани (като точното местоположение на един електрон или светът, до който не можем да стигнем дори със скоростта на светлината). Но аз вярвам, че фундаменталните закони са познаваеми и валидни. И следващите години във физиката биха могли да се окажат най-вълнуващите, докато проучваме Вселената с ново поколение ускорители на частици, базирани в Космоса детектори на гравитационни вълни и други иновативни технологии. Ние се намираме не в края, а в началото на една нова физика. Но каквото и да открием, винаги ще има нови хоризонти, които да ни мамят.