Всякое интересное научное открытие потенциально способно радикально изменить наше мировоззрение: это в полной мере относится к нынешним амбициозным проектам. В части III мы начнем подробнее разбираться в работе БАКа и в том, как это громадное устройство создает и сталкивает между собой протонные пучки; цель эксперимента – получение новых частиц, которые расскажут нам об устройстве мельчайших обнаруженных объектов. В этом разделе объясняется также, как ученые, проводящие эксперимент, собираются интерпретировать полученные данные.
Европейский центр ядерных исследований – CERN[4] (равно как и лживый голливудский блокбастер «Ангелы и демоны») – много сделал для популяризации физики элементарных частиц и ее экспериментальной стороны. Многие слышали о гигантском ускорителе частиц, который будет сталкивать между собой высокоэнергетические протоны и создавать в крохотном пространстве невиданные прежде формы материи. Сегодня БАК работает и готов изменить наши взгляды на фундаментальную природу материи и пространства. Но мы пока не знаем, что именно обнаружится с его помощью.
В ходе нашего научного путешествия мы поразмышляем о научной неопределенности и о том, что на самом деле могут показать измерения. Исследования по самой природе своей пересекают грань непознанного. Эксперименты планируются таким образом, чтобы уменьшить или устранить как можно больше неопределенностей. Тем не менее, хотя это может показаться парадоксальным, в повседневной научной практике полно неопределенностей. Часть III исследует, как ученые отвечают на современные вызовы и как понимание принципов научного мышления помогает обычному человеку верно интерпретировать наш сложный мир.
В части III рассматривается также пресловутая проблема черных дыр и то, как раздутые по их поводу страхи смотрятся на фоне некоторых реальных опасностей. Мы рассмотрим важные вопросы анализа затрат и результатов и проблему рисков, поговорим о возможных подходах к ним – как в лаборатории, так и вне ее.
Часть IV рассказывает о поиске бозона Хиггса, а также о конкретных моделях – обоснованных предположениях о том, что существует и может быть обнаружено при помощи БАКа. Если эксперименты на коллайдере подтвердят некоторые из предложенных теоретиками идей – или откроют что-нибудь непредвиденное, – их результаты заметно изменят наши представления о мире. В этом разделе объясняется механизм Хиггса, ответственный за появление масс у элементарных частиц, а также проблема иерархии, из которой вытекает, что мы должны обнаружить еще больше частиц. В ней также исследуются модели решения этой проблемы и предсказанные ими экзотические новые частицы, связанные, к примеру, с суперсимметрией или дополнительными пространственными измерениями.
Параллельно с конкретными гипотезами в этой части объясняется, как физики конструируют модели. В ней рассказывается не только о том, что ищут физики с помощью БАКа, но и о том, как они предугадывают, что именно найдут. В этой части описано, как ученые пытаются связать абстрактные на первый взгляд данные, полученные на БАКе, с глубокими и фундаментальными идеями, которые мы в настоящее время исследуем.
После исследования глубин вещества мы обратим в части V взгляд вовне. В то время как БАК исследует самые крохотные материальные объекты, космические аппараты и телескопы, напротив, разбираются с самыми крупными объектами космоса – они пытаются определить, в каком темпе ускоряется расширение Вселенной, и подробно изучают реликтовое излучение, оставшееся со времен Большого взрыва. Совсем скоро нас могут ожидать поразительные открытия в космологии – науке о том, как развивалась Вселенная. В этом разделе мы рассмотрим Вселенную в самом крупном масштабе и обсудим связь космологии и физики элементарных частиц, а также загадочную и неуловимую темную материю и эксперименты, направленные на ее поиски.
Завершит книгу часть VI с размышлениями о творческих возможностях человека и о том, из какого множества разнообразных элементов складывается креативное мышление. Мы обсудим, как человек может получить ответы на глобальные вопросы, совершая мелкие повседневные действия. И в самом конце поговорим о том, почему сегодня так важны наука и научное мышление, а также о симбиозе техники и научного мышления, привнесшем так много прогрессивного в современную жизнь.
Мне часто напоминают, как сложно неученым понимать и оценивать абстрактные идеи, с которыми имеет дело современная наука. Я осознала это в тот момент, когда мне пришлось после публичной лекции о дополнительных измерениях и физике встретиться с группой студентов колледжа. Мне сказали, что все они очень хотят задать мне один вопрос, и я подумала, что они что-то недопоняли в моей лекции. Оказалось, их всех интересовал мой возраст. Однако отсутствие интереса – не единственная проблема, и те студенты все же постепенно перешли к вопросам о науке. Бессмысленно, однако, отрицать, что фундаментальная наука часто абстрактна, и оправдать ее существование в глазах неспециалистов зачастую непросто. С этим препятствием я столкнулась осенью 2009 г. на слушаниях в Конгрессе, где я была вместе с Деннисом Коваром, заместителем директора по физике высоких энергий Управления науки Министерства энергетики США, Пьером Оддоном, директором Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми, и Хью Монтгомери, директором Лаборатории Джефферсона – еще одного центра ядерной физики. В правительственное учреждение я попала впервые со школьных времен – тогда я стала финалисткой научного конкурса, устроенного фирмой Westinghouse, и конгрессмен моего округа Бенджамин Розенталь устроил мне экскурсию; благодаря его великодушию я многое увидела, тогда как остальные финалисты смогли только сфотографироваться с ним.
Во время недавнего визита я вновь получила возможность увидеть кабинеты, в которых делается политика. Зал, где заседает Комитет по науке и технике Палаты представителей, находится в офисном здании Рейберн-Хаус. Мы как приглашенные «свидетели» сидели лицом к конгрессменам. Над головами депутатов висели воодушевляющие высказывания, одно из которых гласило: «Без откровения народ гибнет. (Притчи 29:18)».
Судя по всему, американское правительство не в состоянии обойтись без ссылок на Священное писание даже в зале, где конгрессмены обсуждают исключительно науку и технику. Тем не менее мысль, выраженная в этих словах, благородна и точна, и мы все были бы рады, если бы законодатели про нее не забывали.
Вторая табличка содержала цитату из Теннисона: «Ибо я погружался в будущее так далеко, насколько видят глаза, /И видел образ мира и все его будущие чудеса». Тоже неплохая мысль; пожалуй, об этом действительно стоит помнить, излагая цели наших исследований.
Однако ирония ситуации заключалась в том, что лицом к этим изречениям сидели мы – «свидетели» из мира науки, и без того настроенные в таком ключе. А народные представители сидели прямо под ними и, соответственно, не могли их видеть. Конгрессмен Липински сказал во вступительном слове, что открытия порождают еще больше вопросов и серьезные метафизические проблемы; он признал, что видел таблички с изречениями, но они очень легко забываются. «Мало кто из нас смотрит вверх хотя бы иногда», – сказал он, поблагодарив нас за напоминание.
Оставив интерьер Конгресса в покое, мы, ученые, перешли к делу и попробовали объяснить, почему настоящий период так интересен и беспрецедентен для космологии и физики элементарных частиц. Вопросы конгрессменов иногда были острыми и скептическими, но я могу представить себе, какое сопротивление им приходится преодолевать, объясняя своим избирателям, почему решение прекратить финансирование науки было бы ошибочным даже перед лицом экономического кризиса. Вопросы нам задавали самые разные – подробно расспрашивали о целях конкретных экспериментов, но брали и шире – интересовались ролью науки и тем, куда она ведет человечество.
Периодически конгрессмены покидали зал, чтобы участвовать в голосовании. В промежутках между такими выходами мы приводили примеры благ, полученных в качестве побочного продукта от развития фундаментальной науки. Даже самые общие научные исследования зачастую приносят неожиданные плоды. Мы говорили о том, как Тим Бернерс-Ли придумал Всемирную паутину как средство для обеспечения сотрудничества физиков из разных стран в совместных экспериментах в CERN. Мы обсуждали медицинские приложения, такие как ПЭТ – позитронно-эмиссионную томографию – метод исследования внутренних органов при помощи античастиц, парных к электрону. Мы объясняли важность промышленного производства сверхпроводящих магнитов, которые были разработаны для коллайдера, но сегодня применяются и в магнитно-резонансной томографии. Наконец, мы говорили о применении общей теории относительности в точном прогнозировании, в том числе в работе глобальной навигационной системы GPS, которой мы ежедневно пользуемся.
Конечно, серьезная наука не обязательно приносит немедленные практические плоды. Даже если работа окупается и приносит прибыль, мы редко знаем об этом заранее или даже в момент совершения открытия. Когда Бенджамин Франклин сделал вывод об электрической природе молнии, он никак не мог знать, что скоро электричество изменит лицо планеты. И Эйнштейн, работая над общей теорией относительности, не ждал, что ее можно будет применить в каких-либо практических устройствах.
Таким образом, в тот день мы упирали в первую очередь не на практические приложения научных исследований, а на жизненную важность чистой науки вообще. Наука в Америке имеет несколько сомнительный статус, но сегодня многие уже понимают ее ценность. После Эйнштейна представления общества о Вселенной, времени и пространстве изменились, о чем свидетельствует песня As Time Goes By[5], процитированная в «Закрученных пассажах». Даже язык и стиль мышления меняются по мере того, как человек лучше понимает окружающий мир и развивает в себе новые мыслительные возможности. От того, чем заняты сегодня ученые и как мы все к этому относимся, зависят и наш завтрашний взгляд на мир, и развитие стабильного думающего общества.
Мы живем в невероятно интересное время, когда проводятся самые дерзкие эксперименты в области физики и космологии. В книге мы рассмотрим широкий спектр всевозможных исследований и коснемся разных способов познания мира – через искусство, религию и науку, – но обсуждать будем преимущественно цели и методы современной физики. Ведь даже самые крохотные объекты Вселенной помогают нам понять, кто мы такие и откуда пришли. Крупные структуры проливают свет на наше космическое окружение, а также на происхождение Вселенной. Эта книга о том, что и каким образом мы надеемся найти. Наше путешествие будет полно загадок и приключений – так что добро пожаловать на борт.
Часть I
Масштабирование реальности
Глава 1
Тебе – мало, мне – в самый раз
Среди множества причин, по которым я выбрала своей профессией физику, было желание сделать что-нибудь долговременное, даже вечное. Если, рассуждала я, мне предстоит вложить столько времени, энергии и энтузиазма в какое-то дело, то результат этого дела должен быть истинным и… ну, скажем, остаться навсегда. Как большинство людей, я считала, что научные открытия и идеи выдерживают испытание временем.
Пока я билась над физикой, моя подруга Анна Христина Бюхманн изучала в колледже английский язык. По иронии судьбы, она выбрала своей профессией литературу ровно по той же причине, которая привела меня к физике и вообще к науке. Ее привлекали вдохновенные истории, способные пережить века. Обсуждая с ней много лет спустя роман Генри Филдинга «История Тома Джонса, найденыша», я узнала, что еще студенткой она принимала участие в написании аннотации того самого издания этого романа, которое мне так понравилось.
«Том Джонс» был опубликован 250 лет назад, тем не менее его юмор и затронутые в романе вопросы актуальны по сей день. Попав впервые в Японию, я прочла гораздо более древнее произведение – «Повесть о Гэндзи» – и поразилась тому, насколько современными выглядят его герои, хотя прошла уже целая тысяча лет с тех пор, как Мурасаки Сикибу описала их всех. Гомер создал «Одиссею» еще на 2000 лет раньше. Несмотря на то что и век, и люди там описаны совсем другие, мы до сих пор наслаждаемся рассказом о странствиях Одиссея и неподвластными времени картинами человеческой природы.
Ученые редко читают старые – и тем более древние – научные тексты. Как правило, мы оставляем это занятие историкам и литературным критикам. Тем не менее мы вовсю пользуемся знаниями, накопленными человечеством за многие века, – это можно сказать и о Ньютоне с его XVII в., и о Копернике, жившем еще на сотню лет раньше. Может быть, мы забываем их книги, зато тщательно сохраняем изложенные в них важные идеи.
Разумеется, наука не есть неизменное собрание универсальных законов, которое все мы изучаем в начальной школе. С другой стороны, это и не собрание произвольных правил. Наука – непрерывно развивающийся массив знаний. Многие из гипотез, которые мы в настоящий момент исследуем, окажутся ошибочными или неполными. Научные формулировки, естественно, меняются, по мере того как мы преодолеваем границы известного и вторгаемся в области непознанного, где можно уловить далекий отблеск еще более глубоких истин.
Ученым постоянно приходится сталкиваться с одним занятным парадоксом. Заключается он в том, что в погоне за вечными истинами нам часто приходится работать с идеями, которые мы сами же затем пересматриваем или отбрасываем – иногда под давлением экспериментальных данных, иногда просто с развитием представлений об изучаемом предмете. Прочное ядро проверенных и надежных знаний всегда окружено неопределенностью, которая и представляет предмет текущих исследований. Некоторые горячо обсуждаемые сегодня идеи и предположения будут мгновенно забыты, если завтра более убедительные или полные экспериментальные данные лишат их основы.
Когда Майк Хакаби, кандидат в президенты США от Республиканской партии на выборах 2008 г., предпочел в своих публичных речах сделать ставку на религию, а не на науку – отчасти потому, что научные «верования» меняются, тогда как христиане считают своим учителем вечного Бога, – в этом был резон. Вселенная развивается, и научные знания о ней – тоже. Постепенно ученые снимают с реальности один покров за другим и обнажают то, что скрывается в глубине. Зондируя все более далекие от нас масштабы реальности, мы расширяем и обогащаем представления человечества об окружающем мире. Когда нам удается узнать что-то новое о том, как устроен наш мир, мы делаем шаг вперед, а неизведанное отступает. При этом научные «верования» соответствующим образом изменяются.
Тем не менее сегодня, когда развитие техники позволяет нам выйти на новый уровень наблюдений, мы не спешим отбрасывать теории, которые при доступных прежде масштабах и энергиях или при доступных прежде скоростях и плотностях позволяли строить верные гипотезы. Научные теории растут и расширяются, вбирая в себя новые знания, но их надежная и проверенная основа остается прежней. Таким образом, наука всегда включает старые, подтвержденные знания в более полную картину, которая возникает при очередном расширении возможностей и для экспериментальных наблюдений, и для теоретических исследований. Перемены не обязательно означают, что старые правила неверны; они могут означать, к примеру, что в мельчайших масштабах, где были выявлены новые компоненты, эти правила уже не применимы. Так что массив наших знаний может включать прежние идеи и при этом расширяться со временем, хотя, скорее всего, за его пределами всегда будет лежать обширная область неизведанного. Как путешествия всегда очень интересны, хотя никто не в силах побывать в каждой точке планеты (не говоря уже о космосе), так и расширение представлений о природе материи и Вселенной обогащает нашу жизнь. А неизведанное всегда рядом, оно зовет и вдохновляет на дальнейшие исследования.