Физика в тупике
Все нынешние теории красивы, но у них есть один ключевой недостаток: все они являются игрой ума и предметом математического моделирования. Ученые видят проблемы, не могут решить их на уровне экспериментов и пытаются придумать с помощью математического моделирования некую реальность.
Отсюда и возникают сложные конструкции – суперсимметричные частицы, дополнительные измерения, всевозможные кандидаты на звание частиц темной материи. По сути, эти вопросы остались неизменными с конца 1980-х.
Все эти теории могут быть произвольно изменены, если возникнут противоречивые моменты.
И это снижает их практическую ценность. Они напоминают поведение троечника в школе, который пытается решить задачу не с помощью знаний и логики, а просто подобрав правильный ответ.
Эйнштейн стремился к простоте в своих теориях. Он прекрасно понимал, что природа не может быть устроена чересчур сложно. Именно поэтому общую теорию относительности так легко объяснить и ее спокойно понимают даже школьники.
В этом плане забавно сходство популярного сериала «Теория Большого взрыва» с ситуацией в современной физике.
Жанр этого сериала – ситком. В ситкомах герои мало меняются от серии к серии. Они попадают примерно в одни и те же ситуации, пытаются решать их похожими способами из серии в серию. Разумеется, у них ничего не получается. А зрителю интересно наблюдать этот сизифов труд и угадывать, как скоро герой в новой серии останется наедине со своей проблемой.
Так и физики – пытаются решить проблемы, усложняя этот мир. Добавляя новые измерения и виртуальные частицы. И, как в ситкоме, остаются все с теми же вопросами и проблемами, которые появились в «первой серии» – в конце 1980-х.
Если посмотреть на темы большинства современных научных работ, то можно увидеть превалирование квантового моделирования. И речь идет в основном о теоретической физике. Фундаментальная работа в физике все сильнее отдаляется от эксперимента и технологического применения.
В узких областях, таких как физика плазмы, акустика, квантовая оптика, ядерная физика и астрофизика, экспериментальные данные и теория сильно переплетены. Но в тех областях физики, которые отвечают за фундаментальные законы природы – физика элементарных частиц, квантовая гравитация и космология, – теория все сильнее отделяется от эксперимента. А без возможности экспериментальной проверки все рассуждения чаще уходят в спекуляции.
Стандартная модель много лет неплохо подтверждалась экспериментами. Однако в последние годы по ней один за другим наносятся серьезные удары.
Про аномальный магнитный момент мюона мы уже говорили. Но это не единственный эксперимент, который рушит устои современной физики.
В декабре 2021 года немецкие физики из Мюнхенского технического университета сообщили о возможном открытии тетранейтрона. Это частица, состоящая из четырех нейтронов.
Если открытие подтвердится, то физикам придется пересмотреть стандартную модель атомного ядра. Современная ядерная физика исключает возможность существования тетранейтрона.
Одна из основ современной квантовой механики – принцип Паули. Он гласит, что два или более идентичных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии в квантовой системе. Нейтроны должны распадаться на протон, электрон и антинейтрино. И целостность такая частица сохранить не может!
Согласно принципу Паули, тетранейтрон существовать не должен. Однако эксперимент немецких ученых – уже третий, в котором физикам удалось уловить эту частицу. Результаты эксперимента еще необходимо повторить, но это, скорее всего, просто вопрос времени.
Еще одна серьезная проблема, которую не может объяснить Стандартная модель, – это масса нейтрино. В Стандартной модели нейтрино – безмассовая частица. Однако эксперименты с нейтринными осцилляциями показали, что масса у нейтрино все-таки есть.
Что придется делать физикам в случае, если все экспериментальные данные подтвердятся?
Будет период «смутного времени», когда нужно написать новую теорию, которая непротиворечиво объяснит новые открытия.
А что же будет со старой теорией, Стандартной моделью? Неужели десятки лет трудов от тысяч великих умов отправятся в утиль?
Ни в коем случае!
В физике ни одна теория ни исчезает просто так. Она лишь становится частным случаем более общей теории.
Возьмите физику Ньютона. Его физика принципиально неверна! Поэтому с ее помощью и нельзя без ошибок посчитать движения галактик, объяснить расширение Вселенной и т. п.
Но при нерелятивистских скоростях, когда объекты движутся «по-земному», а не со скоростью 300 км/с, законы Ньютона работают идеально. Таким образом, они являются частным случаем теории относительности Эйнштейна.
В интересное время мы живем! Уже в ближайшие годы мы с вами должны увидеть переворот в физике, которого ученые ждут уже почти 100 лет!
А именно перевороты в физике задают тон глобальным технологическим изменениям. И речь идет не просто о новых моделях смартфонов, а о действительно кардинальном переустройстве окружающего мира. Как сильно изменился мир, когда были открыты электричество и электромагнитное поле! Что-то подобное должно нас ждать и теперь.
Тот же тетранейтрон поможет лучше понять, как устроены нейтронные звезды, и научиться как-то стабилизировать это вещество. Ведь мы можем получить уникальный материал, который будет прочнее камня и в разы легче и дешевле. Такой материал, из которого можно легко возводить недорогие дома на века!
Так что закончим эту главу на хорошей ноте. Мы накопили достаточное количество опыта для кардинальных перемен.
Отрицательный результат – тоже результат. Поиграв в спекуляции, ученые все меньше стали доверять этим методам. И теперь возвращаются в старые добрые времена, когда физика прочно стояла на фундаменте экспериментов.
Совершить прорыв в физике помогут новые экспериментальные данные. Для этого нам еще глубже надо погрузиться в космос. Все ответы, скорее всего, находятся именно там.
Глава 18Хаос и случайность в физике
Альберт Эйнштейн яростно спорил с Нильсом Бором в октябре 1927 года по поводу ключевых аспектов квантовой механики. Эйнштейну не нравилась случайная природа квантовых явлений, по поводу чего знаменитый физик произнес:
«Бог не играет в кости».
«Перестаньте говорить Богу, что делать», – парировал Нильс Бор.
Тогда победа осталась за сторонниками Бора. Но вопрос продолжает мучить тысячи ученых. Есть ли место случайности в нашем мире или все окончательно и бесповоротно предопределено?
Мы привыкли к причинно-следственной связи. И действительно, мир устроен логично. Чтобы футбольный мяч полетел, нужно приложить силу, ударив по нему ногой. Чтобы мяч полетел не абы куда, а точно в ворота, нужно много лет тренироваться. Это все логичные закономерности нашего мира.
Для начала уточним понятия.
Теория хаоса в науке изучает поведение сложных нелинейных динамических систем. Это, например, атмосфера, турбулентные потоки или общество.
Такие системы крайне зависимы от первоначальных условий. Тут даже небольшие изменения в окружающей среде могут привести к непредсказуемым последствиям. Как мы видим из уроков истории, войны и революции часто происходят не-ожиданно и начинаются с каких-то незначительных поводов. Так и атмосферные явления – например, циклоны – могут развиваться и менять направления от каких-то малозначительных, на первый взгляд, факторов.
В таких системах нам трудно уловить все причины и предсказать последствия (поэтому предсказания погоды – процесс крайне сложный, даже с помощью суперкомпьютеров).
Но хаотичные системы могут быть вполне детерминированы. То есть обладать четкой причинно-следственной связью. Просто мы не в силах ее уловить.
Случайность же часто трактовалась просто как степень нашего незнания. Мы не знаем всех возможных причин – значит, нам кажется, что это произошло случайно.
Однако случайность имеет место в нашем мире.
В 1977 году Нобелевскую премию по химии присудили бельгийскому физику российского происхождения Илье Пригожину. Он изучал неравновесные термодинамические системы и убедительно доказал, что структуры в них возникают случайным образом. И классическая наука, которая игнорирует фактор случайности, совершает большую ошибку и не может точно описывать поведение сложных систем.
То есть случайность существует в нашем мире на фундаментальном уровне. Но можно ли как-то ориентироваться в этом хаосе?
В 2021 году 73-летний итальянский физик Джорджо Паризи получил Нобелевскую премию за открытие, «как беспорядок и флуктуации взаимодействуют в физических системах от планетарных до атомных масштабов».
Итальянский физик исследовал хаотичные физические системы. Он изучал, говоря простыми словами, как небольшие случайности влияют на наш мир в глобальном масштабе. Эти математические инструменты можно использовать при развитии квантовых компьютеров. Но они имеют и большой мировоззренческий смысл: случайность в нашем мире все-таки есть!
Джорджо Паризи хорошо известен математикам и физикам-теоретикам, но обычным людям его имя мало что скажет. Впервые в научном сообществе оно прогремело еще в 1977 году. Паризи опубликовал уравнение в квантовой хромодинамике.
Уравнение описывает так называемое сильное взаимодействие. Это одно из фундаментальных взаимодействий в физике, которое отвечает за структуру протонов и нейтронов. Без него не образовывались бы атомные ядра, и мы бы не получили физически стабильный мир, который мы видим сейчас.
Но если случайность существует, почему же мир стабилен?
Случайность играет роль в ограниченном масштабе. Если описать с упрощением (да простят меня физики), развитие сложных систем идет по такому принципу:
Эволюция (стабильные изменения) – Революция (состояние нестабильности) – Эволюция – Революция.
Период эволюции длительный, в этот период копятся однотипные изменения. В системе накапливаются противоречия, которые приводят к революции.