Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Рассмотрим более сложный пример, чем весы, – ускоритель частиц. Такие приборы предназначены для изучения состава материи, для поиска самых маленьких элементов, из которых строится все сущее в мире.[1] В ускорителях частиц активно используется знаменитая формула Эйнштейна Е = mc2. Они превращают энергию движения быстрых частиц в новые кусочки материи. Для этого используется довольно жесткий способ – сталкивание частиц, движущихся практически со световой скоростью. Как еще ученые могли бы рассмотреть, к примеру, что находится внутри протона? В отличие от человеческих органов протоны нельзя разрезать. Вот почему ученые сталкивают протоны друг с другом на больших скоростях, а затем исследуют обломки. Если бы у нас не было острых ножей и мы хотели бы изучить содержимое апельсина, мы могли бы воспользоваться тем же способом – разгонять фрукты до высокой скорости, сталкивать друг с другом и изучать разлетающиеся в стороны мякоть, сок и семена. При этом чем выше была бы скорость апельсинов, тем более ценными стали бы результаты эксперимента. Например, после одного столкновения мы узнали бы, что внутри апельсинов есть семена. Еще несколько столкновений на больших скоростях – и семена бы раскололись. В этом и состоит весь принцип: чем выше энергия столкновения, тем глубже мы можем заглянуть внутрь материи.[2]

За последние полвека мощность ускорителей частиц существенно выросла. Радиоактивные частицы, которые Эрнест Резерфорд использовал в 1911 году для изучения строения атомного ядра, имели в миллион раз меньше энергии, чем те, которые сегодня применяются в Большом адронном коллайдере, гигантском ускорителе частиц, построенном в Женеве, Швейцария. Соответственно, современные физики могут гораздо глубже заглянуть в природу материи и увидеть вещи, которые даже не снились Резерфорду, например элементарные частицы, весящие в сотню раз больше протона, – знаменитые бозоны Хиггса, открытые в июле 2012 года.[3] Если финансирование ускорителей продолжится (я говорю «если», потому что на их обслуживание требуются огромные суммы), можно ожидать, что новые технологии позволят нам изучать еще более высокоэнергетичные процессы и приведут нас к блестящим, а то и революционным результатам.

Однако важно отметить, что технологии ограничивают глубину нашего «проникновения» в физическую реальность. По сути, машины определяют, что именно мы можем измерить, а значит – что именно ученые могут узнать о человечестве и Вселенной. Будучи человеческими изобретениями, машины зависят от нашей фантазии и доступных нам ресурсов. При удачном стечении обстоятельств их точность постоянно повышается, и иногда они могут открыть нам что-то неожиданное. В качестве примера можно привести поразивший Резерфорда факт, что ядро атома занимает лишь небольшую часть его объема, но при этом содержит почти всю его массу. Для Резерфорда и его коллег, работавших в начале ХХ века, мир атомов и субатомных частиц выглядел совершенно по-другому, нежели для нас сейчас. Можно быть совершенно уверенными в том, что через 100 лет наша картина этого мира тоже радикально изменится. Итак, из всего вышесказанного мы можем сделать эмпирический вывод: наука воспринимает только те процессы, энергия которых доступна ей экспериментально.

Но что в таком случае мы можем с уверенностью сказать о характеристиках материи, обладающей в тысячи или миллионы раз большим запасом энергии, чем позволяют измерить наши нынешние инструменты? Теоретики могут сколько угодно рассуждать о них и приводить убедительные, простые и элегантные доказательства своих точек зрения. Но суть эмпирической науки состоит в том, что последнее слово всегда остается за Природой. Фактам нет дела до нашей любви к эстетике и красоте (об этом я подробнее рассказываю в своей книге A Tear at the Edge of Creation). Таким образом, если мы имеем доступ к Природе только через наши инструменты и, если говорить точнее, через наши несовершенные методы исследования, то и наши знания о реальном мире неизбежно будут ограниченны.

Помимо технологических ограничений, которые мы чувствуем, пытаясь познать реальность, существуют еще открытия в физике, математике и точных науках. За последние пару столетий они преподали нам не один урок относительно уклончивости Природы. Как мы увидим ниже, наши знания о мире ограниченны не только из-за несовершенства инструментов, но и из-за того, что у самой Природы (по крайней мере в той степени, в которой ее воспринимают люди) существуют ограничения. Греческий философ Гераклит понял это еще 25 веков назад, когда произнес свою знаменитую фразу «Природа любит прятаться». Бесчисленные успехи и неудачи показали нам, что Природу действительно невозможно обыграть в прятки. Говоря об этом, можно использовать метафору, которой Сэмюэль Джонсон описывал свои затруднения при определении некоторых английских глаголов: «Это словно пытаться нарисовать отражение леса в водах озера во время бури».

В результате, несмотря на постоянный рост наших возможностей, в любой момент времени огромная часть мира вокруг нас остается невидимой или, вернее, незамеченной. Однако такая близорукость дает дополнительные стимулы нашему воображению – мы начинаем воспринимать ограничения не как непреодолимые препятствия, но как брошенные нам вызовы. Как писал прозорливый французский автор Бернар ле Бовье де Фонтенель в 1686 году, «мы хотим знать больше, чем видим».[4] В телескоп, построенный Галилеем в 1609 году, едва можно было разглядеть кольца Сатурна, а сегодня с этой задачей справляются даже игрушечные телескопы. Наши знания о мире – это совокупность того, что мы можем выявить и измерить. Сегодня мы видим больше, чем Галилей в свое время, но и этого недостаточно. Ограничения накладываются не только на измерения, ведь теории и модели, которые описывают неизвестные области физической реальности, также полагаются на текущие знания. Если знаний для подкрепления идей недостаточно, ученые используют критерий совместимости. Любая новая теория, которая распространяется за пределы известного, должна хотя бы в определенной степени основываться на текущих знаниях. Например, общая теория относительности Эйнштейна, описывающая гравитацию как искривления пространства-времени в результате присутствия материи (и энергии), сводится к более старой ньютоновской теории универсального притяжения в пределах слабых гравитационных полей. Нам не нужна теория Эйнштейна, чтобы посадить космический корабль на Юпитер, но при описании черных дыр без нее не обойтись.