На пороге тупика: ученые не могут постичь законы природы, потому что это невозможно (16 фото)
Более 100 лет назад Альберт Эйнштейн выступил перед Академией наук в Берлине и представил ученым абсолютно новую теорию о пространстве, времени и гравитации - Общую теорию относительности.
Теория 36-летнего ученого без всяких сомнений была шедевром - всего в одной красивой и простой формуле была запечатлена работа всей Всселенной - начиная с того, почему яблоко падает с дерева, заканчивая искривлением пространства и времени.
Впрочем, в том же 1915 году появилась еще одна идея, перевернувшая с ног на голову представление о Вселенной. Речь идет о квантовой механике, которая в сравнении с Общей теорией относительности была еще более революционной и объясняла устройство мира на уровне микрочастиц и атомов.
За последние 100 лет с "революции" в физике, ученые, можно сказать, топчутся на месте. И следующие несколько лет являются поворотными в науке - они покажут сможем ли мы постигать тайны Вселенной и дальше, делая новые открытия, или останемся в вечном тупике.
Впервые в истории науки ученые столкнутся с вопросами, на которые не смогут найти ответы. И дело не в ущербности человеческого мозга или технологий, а в том, что сами законы физики не позволят получить ответ.
Вселенная чрезвычайно разнообразна и интересна: мы видим звезды, деревья, облака, огромное количество причудливых и удивительных форм жизни на нашей планете. Но и теория относительности, и квантовая механика говорят нам, что Вселенная скучное место - она смертоносна, темна и безжизненна.
И самое главное, противоречие между наукой и тем, что видит человек каждый день перед собой и является острой проблемой фундаментальной физики.
В основе этой проблемы лежат два чрезвычайно опасных числа, которые описывают измеримые свойства Вселенной. И если бы их значения хоть немного отличались - Вселенной, которую мы знаем, попросту бы не существовало.
Первое из чисел связано с открытием, сделанным благодаря самому грандиозному научному сооружению - Большому адронному коллайдеру (БАК).
БАК разгоняет субатомные частицы до около световой скорости по кольцу, протяженностью 27 километров. В определенный момент эти частицы сталкиваются друг с другом и гиганские детекторы частиц фиксируют эти столкновения.
4 июля 2012 года физики, работающие с БАК, объявили об открытии новой фундаментальной частицы, которую обнаружили в результате таких столкновений. Частицу назвали бозоном Хиггса.
Ученые были чрезвычайно взволнованы этой новостью, ведь бозон Хиггса - частица особенная, доказывающая существование космического энергетического поля.
Чтобы было понятно: поле Хиггса немного похоже на магнитное, за исключением того, что оно абсолютно везде имеет постоянное значение. Мы не можем его потрогать или почувствовать, но если бы его не было, не существовало бы и нас.
Питер Хиггс, предсказавший существование бозона, который еще называют "частицей Бога"
Поле Хиггса дает фундаментальным частицам, из которых мы состоим, массу. И если бы поля не существовало, то у частиц не было бы массы и атомы просто не смогли бы сформироваться.
Но в поле Хиггса есть нечто загадочное. Относительность и квантовая механика говорят нам, что у поля Хиггса есть два состояния, как у простого выключателя - вкл/выкл. То есть либо он выключен повсеместно с нулевым значением в пространстве, либо включен, имея невероятно огромное значение.
И в обоих этих случаях атомы не должны существовать, как и все самое интересное в нашей Вселенной. В реальности же, поле Хиггса находится в положении "почти выключено". Не на нуле, но очень близкое к этому значению. В 10 000 триллионов раз слабее, чем его возможное максимальное значение. И это имеет огромную важность - если бы "выключатель" не застрял на положении "почти выкл.", и его значение хоть немного отличалось, то во Вселенной бы не было никаких физических структур.
Вот мы и подошли к первому опасному числу, определяющему силу поля Хиггса.
Ученые потратили десятилетия, пытаясь объяснить, почему поле Хиггса имеет такую точную и тонкую настройку, и пришли к нескольким теориям. Не будем вдаваться в суть, но скажем, что одна из этих теорий предполагала, что помимо бозона Хиггса существуют еще несколько фундаментальных частиц, но в БАК их не обнаружили...
Благодаря теории Эйнштейна мы знаем, что Вселенная образовалась 13,8 миллиардов лет назад благодаря Большому взрыву и последующему расширению пространства и времени. Первые версии Большого взрыва гласили, что расширение Вселенной со временем замедляется из-за гравитации.
Однако в 1998 году астрономы сделали потрясающее открытие, которое показало, что со временем расширение Вселенной, напротив, только ускоряется, подстегиваемое загадочной силой, названой темной энергией.
Ученые пока не знают, что она из себя представляет, но лучшее объяснение звучит так: темная энергия — это энергия пустого пространства, энергия вакуума.
Опираясь на квантовую механику, мы можем рассчитать, насколько сильной должна быть темная энергия. Однако на практике мы получаем совершенно невероятный результат - согласно расчетам, темная энергия должна быть 10 в степени 120 раз сильнее, того значения, которое мы наблюдаем.
Число с 120 нулями
Это настолько невероятное число, что его не только невозможно представить, но оно также в триллионы и триллионы раз больше, чем число всех атомов во Вселенной. Но если бы темная энергия обладала такой силой, Вселенной бы попросту не существовало. Второе опасное число, как вы успели догадаться, - сила темной энергии.
В отличие от поля Хиггса, значение этого числа не поддается никакому внятному объяснению.
Таким образом, сочетание общей теории относительности, которая объясняет мир на уровне звезд и галактик вместе с квантовой механикой, объясняющей мир на уровне частиц, должно было объяснить значение этих двух чисел. Но не объясняет.
Теория струн
Сам Эйнштейн потратил последние годы жизни на поиск единой теории физики. Но он не справился, как не справились и его последователи. Этой теории нет и поныне. Однако лучшим претендентом на "объяснение всего" является теория струн. Ее основная идея заключается в том, что фундаментальные частицы вовсе не частицы, а крошечные вибрирующие струны энергии, где каждая частота вибрации отвечает определенной частице. Тут можно сделать грубое сравнение с нотами на гитарной струне.
Это очень элегантный и поэтический способ смотреть на мир. Но у него есть большая проблема - теория струн это не одна теория, а целая коллекция. По оценкам, их 10 в 500 степени штук, каждая из которых описывает разную Вселенную с разными законами физики. По мнению критиков, это делает теорию струн ненаучной, ведь ее опровергнуть никак нельзя.
Зато сторонники теории видят в этом недостатке свой триумф - что, если все эти 10 в 500 степени различных Вселенных на самом деле существуют? В одной большой мультивселенной?
Теория мультивселенной может дать объяснение двум странным и точно настроенным числам, о которых мы говорили выше. В большинстве мест мультивселенной темная энергия настолько сильна, что вселенная разрывается на части или поле Хиггса настолько слабое, что атомы просто не формируются.
А мы живем в одной из вселенных, где два числа "настроены правильно" для того, чтобы формировались звезды, галактики, планеты, жизнь. Ее назвали вселенной Златовласки.
Эта теория крайне противоречива, ведь если мы будем следовать ее логике, мы никогда не сможем ответить, почему в большей части мультивселенной нет ничего, а мы живем в одном из немногих мест, в котором законы физики нам позволяют жить и формироваться.
Но самое страшное, что мы, следуя логике этой теории, никогда не сможем проникнуть в другую вселенную с другими законами физики и, следовательно, не сможем узнать существуют ли все эти вселенные.
В общем, наше положение крайне печальное. И проблема заключается не в том, существуют ли на самом деле многочисленные миры, а в том, что мы никогда об этом не узнаем наверняка.
Несмотря на то, что теория о мультивселенной существует уже достаточно давно, только в последние несколько лет ученые начали получать некоторые подсказки, подтверждающие эту теорию.
Создание Большого адронного коллайдера давало ученым надежду на множество открытий в фундаментальной физике. Но на деле БАК показал нам бесплодную субатомную пустыню, населенную только одним бозоном Хиггса...
Таким образом, признаков новой физики и каких-либо прорывов не видно. Пару лет назад ученые начали гонять частицы в коллайдере с удвоенной силой - они с отчаянием надеются обнаружить хотя бы признаки новых частиц, микро-черных дыр или хотя чего-нибудь.
И если это случится, то научное сообщество, а вместе с ним и все человечество, продолжит путь, проложенный Альбертом Эйнштейном более ста лет назад, и придет к более глубокому пониманию законов природы.
Но если через несколько лет работы БАК не обнаружит ничего нового кроме бозона Хиггса, человечество войдет в новую эпоху в физике. В эпоху, которая ознаменуется тем, что во Вселенной существуют недостижимые для человечества тайны, которые мы просто не сможем никогда постичь. В эпоху, когда у нас есть догадки о существовании мультивселенной, но доказательства лежат за границами досягаемости.
