Читать книгу "Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер"

Температурные колебания фотонов фонового излучения, измеренные с помощью современных спутниковых технологий и наземных детекторов, указывают на первобытные колебания материи. Исследовать их – означает открыть окно в первые секунды существования времени. Инфляционная гипотеза удивительным образом соединяет квантовый мир с миром астрономическим. Чем точнее становятся измерения, тем проще исключать неверные модели инфляции. Дополнительным признаком инфляции является спектр флуктуаций в геометрии пространства-времени: если концентрация материи колеблется определенным образом, то на это реагирует и пространство вокруг нее. Инфляция увеличивает масштаб таких пространственных колебаний и создает спектр так называемых гравитационных волн. Они также оставляют свой след в фоновом излучении. По своей природе (но не по сути) этот след похож на поляризационные флуктуации, возникающие в результате гипотетических столкновений с соседними вселенными. Остается надеяться, что орбитальная станция «Планк» сумеет измерить этот спектр поляризации. Если это будет сделано и если будет обнаружена ожидаемая сигнатура, мы сможем быть уверены, что процесс, похожий на инфляцию, действительно имел место на заре существования космоса.[83]

Тем не менее подтвердить существование явления в общем – это одно, а вот проверить экспериментально его точную формулировку – совсем другое. Инфляционная гипотеза все еще оставляет многие вопросы без ответов. Данные помогают сузить круг возможных вариантов, но текущих наблюдений (равно как и тех, которые мы получим в ближайшем будущем) недостаточно для того, чтобы точно определить причину инфляции. Было ли это скалярное поле? Если да, то что за невероятно высокие энергии вызвали его появление? Инфляция также не объясняет важного перехода от стремительного расширения к более медленному, происходящему с нашей Вселенной на протяжении последних пяти миллиардов лет. Вероятно, именно во время этого перехода, ознаменовавшего собой конец периода инфляции, Вселенная разогрелась до высоких температур, а энергия, накопленная в скалярном поле, которое стремилось к своему энергетическому минимуму, в результате своеобразного взрыва была преобразована в другие типы материи, возможно в известные нам электроны и кварки. Многие космологи сегодня называют это взрывное образование частиц истинным Большим взрывом. Несмотря на множество попыток объяснить этот процесс (некоторые предпринимал и я), у нас есть лишь общее представление о том, как проходил данный переход и какие частицы образовались в результате. Главная проблема состоит в том, что мы совершенно ничего не знаем о тех типах материи, которые существовали во времена зарождения Вселенной и соответствовали энергиям, в триллионы раз превышающим те, которых мы можем достичь в лаборатории. Астрономические наблюдения позволяют исключить некоторые космологические теории или ограничить применимость других, но не дают нам точной картины произошедшего. Мы знаем лишь то, что неверно. Эта ситуация наверняка понравилась бы философу Карлу Попперу, который говорил, что подтвердить правоту физической теории в конечном итоге невозможно – мы можем лишь доказать, что она была неправильной.

Все, что мы можем сделать с инфляцией, – это создать рабочую модель, соответствующую всем измеримым параметрам. Но такая модель может оказаться похожа на эпициклы Птолемея – фантастическое нагромождение идей, которое «работает». Возможно, многие даже поверят в ее истинность, но суть ее будет заключаться в резюмировании всего, что мы сегодня знаем о ранней космической истории.

Наша следующая задача состоит в ответе на величайший из физических вопросов – вопрос о происхождении Вселенной. Ни гипотеза об инфляции, ни концепция Мультивселенной не приближают нас к пониманию начала всего. Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо исследовать свойства материи и квантовые законы, которые их определяют. Если Вселенная расширяется с самого начала своего существования, значит, в какой-то момент времени в прошлом она была очень мала – настолько мала, что ее поведением управляли законы квантовой физики. Однако, как мы увидим дальше, эти законы заставляют нас отказаться от некоторых любимых нами представлений о том, что мы называем реальностью, и заменить их гораздо более тонкими и загадочными описаниями квантовой Вселенной и нашего взаимодействия с ней.

В квантовой физике мы сталкиваемся с двумя фундаментальными лимитами знания, о которых нам уже известно, – теми, которые налагает на нас ограниченная точность наших приборов, и теми, которые являются естественными результатами природных процессов. Эти лимиты – непреодолимые барьеры, стоящие между нами и нашими знаниями о природе реальности.

Часть II. От алхимии к квантовой физике: неуловимая природа реальности

На деле мы не знаем ничего, ибо истина скрыта в глубине.

Демокрит, фрагмент 40

И почему среди всех ее разнообразных и странных трансмутаций Природа не превращает Тела в Свет и Свет в Тела?

Исаак Ньютон. Оптика (1704)

Если рассматривать квантовую теорию как окончательную (в принципе), мы приходим к тому, что более подробное описание не имеет смысла, так как для него не будет существовать никаких законов. Если это так, то физика превращается в науку для торговцев и инженеров, в бессмысленную путаницу.

Альберт Эйнштейн в письме к Эрвину Шрёдингеру от 22 декабря 1950 года

Каждый шаг в изучении природы – это всегда только приближение к истине, вернее, к тому, что мы считаем истиной. Все, что мы узнаем, – это какое-то приближение, ибо мы знаем, что не все еще законы мы знаем. Все изучается лишь для того, чтобы снова стать непонятным или в лучшем случае потребовать исправления.

Ричард Фейнман. Фейнмановские лекции по физике

Глава 17. Все плавает в пустоте

в которой мы узнаем о древнегреческой концепции атомизма

Из чего состоит бесчисленное множество вещей в мире с их разнообразными формами, текстурами и цветами? Почему страница книги, горсть песка, огонь или порыв холодного ветра кажутся нам разными на ощупь? Почему вещества изменяются под влиянием различных температур и почему эти изменения различаются в зависимости от вещества? До какой степени мы можем изменять материю, подгоняя ее под свои цели и потребности? Существует ли абсолютная пустота?

Всеми этими вопросами люди задаются уже давно. В первой части данной книги мы познакомились с философами-досократиками, которые первыми задумались о материальной природе космоса. Мы знаем, что Фалес и его последователи из ионийской школы, действовавшие во времена зарождения западной философии, еще в 600 году до н. э. предложили общую теорию Природы, в соответствии с которой все природные объекты считались проявлениями первичной субстанции, вечно изменяющегося воплощения реальности.[84] Для ионийцев сутью реальности было время. Парменид и приверженцы его идей, наоборот, полагали, что природа реальности состоит не в переменчивости, а в стабильности. То, что существует, не может измениться, а изменяясь, превращается в несуществующее. Они говорили, что истина не может быть эфемерной, и полагали вневременность основной реальности. Итак, всего в течение 100 лет философия сумела предложить человечеству два взаимоисключающих подхода к открытию природных секретов – путь существования и путь становления.