Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей - Коллектив авторов

Во-первых, как упоминалось ранее, теперь мы понимаем, что неестественно и не нужно отделять свет от материи. Фотоны – такая же материя, как и все остальное.

Во-вторых, мы должны избавиться от мысли о том, что протоны и нейтроны являются подходящими объектами для фундаментального изучения. Согласно результатам экспериментов, это составные объекты, обладающие сложной внутренней структурой. Базовые частицы, из которых состоят протоны и нейтроны, называются кварками и глюонами. Все имеющиеся данные подтверждают: последние подчиняются идеально простым уравнениям квантовой хромодинамики (КХД). Существуют два важных вида кварков: верхние (или u-кварки) и нижние (или d-кварки).

В-третьих, не следует забывать о нейтрино. Эти частицы испускаются в ходе питающих Солнце ядерных превращений и используются в различных ядерных технологиях (включая медицинскую диагностику, некоторые формы лучевой терапии, ядерные реакторы и ядерное оружие).

Теперь основных ингредиентов – электронов, фотонов, глюонов, u– и d-кварков и нейтрино – достаточно, чтобы построить «эффективную теорию», которая бы удовлетворяла нашим основным требованиям. Она состоит из гораздо более скромного числа компонентов, чем традиционная периодическая таблица, снабжена гораздо более точным руководством по эксплуатации (фундаментальными уравнениями) и охватывает гораздо более широкий спектр явлений.

Наша эффективная теория имеет известные ограничения, о которых я сейчас расскажу, но в обозримом будущем они не представляются значимыми для любой правдоподобной и широко используемой технологии.

Космические ресурсы

Последние несколько десятилетий стали золотым веком физической космологии. Доказательства удивительно простой истории Вселенной – начиная от Большого взрыва, когда вещество было почти однородным и горячим, до обретения структуры под действием гравитации – стали одновременно точными и ошеломляющими. Здесь не было бы необходимости вспоминать об этом, если бы не два следствия из этой теории, весьма актуальных для нашей основной темы.

В нашей эффективной теории говорится о различных формах, которые может принимать материя, но сама по себе она не в состоянии сообщить нам, какие материалы на самом деле доступны. Гипотеза Большого взрыва, согласно которой образование Вселенной было очень жарким, подразумевает, что ядра собирались из первичной смеси кварков и глюонов, и позволяет вычислить относительные количества различных химических элементов в ранней Вселенной до образования звезд. Результат – радикальное преобладание водорода и гелия над другими элементами. Тяжелые элементы возникали уже внутри звезд, а после смерти последних высвобождались в процессе взрывов сверхновых. Следуя этому сценарию, мы получаем хорошо согласующееся с опытом описание материи, образующую Вселенную сегодня. Это согласие между фундаментальной физической теорией и наблюдениями еще больше укрепляет нашу уверенность в теории – даже применительно к условиям, гораздо более экстремальным, чем в земных химии, биологии или инженерном деле.

Однако астрономы собрали убедительные доказательства того, что обычная материя, основанная на электронах, фотонах, глюонах и кварках, составляет всего около 4 % веса Вселенной. Остальное относится к категориям «темной материи» (около 25 %) и «темной энергии» (около 70 %). Обе пока идентифицируются лишь посредством их слабого (но кумулятивного) гравитационного влияния на обычную материю. Поскольку взаимодействие темной энергии и темной материи с обычной материей крайне слабое, трудно представить, каким образом они могли бы стать полезными для технологий.

Нерешенные проблемы и пробелы

Наиболее решительно анализ и синтез, или редукционизм, осуществляется на больших ускорителях, таких как Большой андронный коллайдер (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Протоны в нем разгоняются до огромных энергий, а потом им дают столкнуться. При этом кратковременно создается плотность энергии, далеко превосходящая все, что происходит естественным образом на Земле (как, насколько мы знаем, где-либо еще в современной Вселенной). Это позволяет проверить теории фундаментальных взаимодействий в условиях гораздо более тяжелых, чем встречающиеся в обычной практике.

У наиболее заметного результата этой работы есть два важных для наших целей аспекта.

Для начала плохая новость: наша «эффективная теория» оказывается весьма неполной. Чтобы получить хорошее описание всех обнаруженных на ускорителях явлений, следует добавить еще четыре вида кварков (странный s, очарованный с, прелестный b и истинный t), две тяжелые электроноподобные частицы (мюон µ, тау-лептон τ), каждая из которых вдобавок вводит собственное нейтрино, двоих тяжелых родственников фотона и глюона (W– и Z-бозоны) и, наконец, недавно обнаруженный бозон Хиггса.

Смысл плохой новости в том, что столь близкое рассмотрение реальности приводит к неожиданным осложнениям.

Теперь хорошая новость: эти осложнения лишь укрепляют принципы эффективной теории и не ставят под угрозу ее практическое применение. Изучение новых частиц предоставляет массу новых способов проверки общих принципов, лежащих в основе нашей эффективной теории – теории относительности, квантовой теории и локальной симметрии. Действительно, эти принципы предсказывают доли, в которых различные частицы будут производиться при разных условиях, то, на что они будут распадаться, и многое другое. До сих пор прогнозы – все без исключения – подтверждали правильность нашего описания реальности.

Таким образом, мы можем с определенной долей уверенности предположить, что последствия влияния этих частиц на земную среду в обычном (без ускорителя) режиме незначительны.

Смысл хорошей новости в том, что добавляемые элементы легко количественно определить и без нашей эффективной теории. Их наблюдаемое поведение усиливает обоснованность общих принципов. Но их очень трудно производить, и по большей части (за исключением новых нейтрино) они крайне нестабильны. Впрочем, их практическое влияние почти наверняка будет незначительным.

Многие из пионеров квантовой теории – в частности, Планк, Эйнштейн и Шредингер – были недовольны ее зрелой формой. Им не нравилось пользоваться вероятностными прогнозами, а также упорствованием этих теорий в том, что в субатомном мире «идеальные» измерения – то есть измерения, не влияющие на измеряемую систему, – являются даже не идеализацией, а физической, объективной невозможностью. Эти особенности квантовой теории, похоже, подрывали представление о существовании объективного мира, содержащего объекты с определенными свойствами, которые эволюционируют согласно определенным принципам.

Более поздние поколения физиков по большей части примирились с квантовой теорией. Она привела к появлению многочисленных новых достижений и сумела пережить массу проверок. Кроме того, техническая работа над понятием «декогеренция» прояснила, каким образом стабильное и по существу детерминированное поведение тел в макромире возникает из квантового поведения в микромире. Впрочем, и сегодня некоторые высококвалифицированные физики с трудом воспринимают основы квантовой теории (я к этому числу не принадлежу). При проектировании квантовых компьютеров активно используются самые странные и сложные свойства этой теории. Было бы весьма любопытно, если бы они неожиданно потерпели неудачу.

Поскольку сложность, в частности, полного примирения теории гравитации и общей теории относительности с принципами квантовой механики все же сильно преувеличена, важно спустить эту дискуссию с небес на твердую землю. На практическом уровне проблем нет. Астрофизики и космологи регулярно и успешно рассчитывают развитие физических ситуаций, в которых одновременно действуют гравитационная и квантовая теории. В процессе всей этой работы не возникает никаких существенных неоднозначностей или исключений.

Сложности возникают, если попытаться применить уравнения к таким экстремальным условиям, какие могут возникнуть в самые ранние моменты Большого взрыва, или в глубине черных дыр, где решения становятся сингулярными. Концептуальные головоломки также возникают в квантовой теории малых черных дыр.

Можно было бы говорить о важном достижении и значительном прогрессе, если бы удалось выявить какое-либо конкретное наблюдаемое явление, несущее в себе характерные черты квантовой гравитации, – и, конечно, понаблюдать за ним. До сих пор, несмотря на повсеместное интенсивное внимание и перспективу славы и премий, это еще никому не удалось.