Конец эпохи научных открытий. Приближаемся ли мы к границам познаваемого?

Конец эпохи научных открытий. Приближаемся ли мы к границам познаваемого? Рассел Стэннард

В этой книге представлена всеобъемлющая картина устройства Вселенной с точки зрения современной науки.

Британский физик Рассел Стэннард  на ярких примерах поясняет как ученые мыслят о мышлении и наблюдают за собственными наблюдениями.

 Анализируя научную картину мира, автор доказывает, что, несмотря на несовместимость многих теорий, в совокупности они объясняют устройство мироздания с достаточной полнотой.

Стэннард напоминает читателю, что научные принципы, которые кажутся незыблемыми сегодня, могут быть опровергнуты завтра. 

рекомендую это изложение современных представлений о фундаментальном устройстве Вселенной всем, кому интересны нерешенные научные загадки, философские вопросы познания, а также будущее науки и человечества.

Основные идеи обзора:

• Скоро ученые перестанут совершать фундаментальные научные открытия.
• Реальные процессы нашего мышления радикальным образом отличаются от их научного описания.
• Вселенная возникла в момент Большого взрыва, до которого не существовало ни пространства, ни времени.
• Возраст Вселенной – около 13,7 миллиарда лет. Ученые не знают, конечна ли она и каковы ее размеры.
• Вселенная идеально подходит для существования разумной жизни, поэтому некоторые мыслители делают вывод, что она была создана “творцом”.
• Пространственно-временной континуум статичен: время течет только в человеческом сознании.
• Пространство – не пустое ничто; Эйнштейн доказал, что гравитация искривляет пространство, а значит, оно должно из чего-то состоять.
• Материя состоит из сотен разнообразных видов элементарных частиц.
• По теории Эйнштейна свет может вести себя и как волна, и как поток частиц.
• Квантовая теория и теория относительности – основные концепции, позволяющие современной науке объяснять устройство мироздания.

(Границы научного знания)

Хотя на протяжении всей новейшей истории наука стремительно развивалась, это развитие не будет бесконечным.

Нет, наука не достигнет пределов своих возможностей – просто ученые перестанут совершать фундаментальные открытия.

И это произойдет не потому, что человек раскроет все тайны мироздания, а скорее потому, что возможности нашего разума ограниченны.

Кроме того, поиск ответов на некоторые вопросы упирается в практические препятствия: так, для подтверждения квантовой теории струн понадобился бы ускоритель элементарных частиц размером с галактику.

А многие фундаментальные вопросы физики не поддаются решению потому, что, вероятно, не имеют ответа.

(Мозг и сознание)

Ученые не в состоянии объяснить связь между функционированием мозга и работой интеллекта.

Помимо прочего, это заставляет сомневаться в том, существует ли сознание вообще.

 Вы точно знаете, что обладаете сознанием, и предполагаете, что другие люди тоже им обладают, поскольку ведут себя так же, как вы.

Однако проверить это предположение напрямую невозможно.

Проблема сознания обсуждается уже тысячи лет

Ее источником является конфликт двух способов описания реальности: один мы используем, когда говорим о мыслях и чувствах, другой существует для объективного описания явлений. И эти два способа нельзя объединить.

Особую дилемму представляет собой понятие свободной воли.

Если процессы, происходящие в мозгу, подчиняются законам, которые описаны наукой, значит, ученые должны уметь предсказывать мысли и поступки человека.

Но если сознание порождается мозгом, то можно ли говорить о какой-то свободе воли?

 Некоторые мыслители считают свободу воли одним из проявлений случайности, присущей материи на уровне атомов и молекул.

Другие придерживаются дуалистического подхода, полагая, что мозг и сознание влияют друг на друга, хотя и не тождественны друг другу.

Третьи считают, что решения, которые мы принимаем, рождаются не в сознании, а в бессознательном.

Парадоксы Большого взрыва.

Согласно наиболее распространенной теории происхождения Вселенной, она возникла 13,7 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва точки с бесконечно большой плотностью.

Как и почему это произошло? В поисках ответа наука обращает взгляд в прошлое.

 Астрономы не могут увидеть свет, который излучается звездами сейчас: они видят только свет, излучавшийся несколько тысяч или миллионов лет назад.

 Однако все, что происходило первые 300 000 лет после Большого взрыва, скрывает так называемый радиационный туман.

Большой взрыв не имел ничего общего с обычным взрывом.

При взрыве происходит выброс энергии в пространство, но до Большого взрыва не существовало самого пространства.

В тот момент оно и возникло, а затем стало расширяться, как надуваемый воздушный шар.

В поиске причины Большого взрыва наука сталкивается с непреодолимым логическим парадоксом:

чтобы у взрыва была причина, должна существовать причинно-следственная связь, условием которой выступает отношение “раньше – позже”, то есть время.

Но до Большого взрыва времени не было!

Все процессы во Вселенной подчиняются фундаментальным законам природы, которые удобнее всего выражать на языке математики.

Эти универсальные законы действуют везде и всегда.

Для описания закономерностей физического мира ученые используют целый ряд математических теорий, но никто не знает, какая из них самая “правильная”.

Согласно теореме о неполноте, сформулированной австрийским математиком Куртом Геделем,

есть логические утверждения, истинность которых доказать невозможно, даже если они действительно истинны.

Эта “фундаментальная неполнота” также выступает одним из ограничений человеческого познания.

(Антропный принцип).

Условия во Вселенной идеально подходят для возникновения и существования разумной жизни.

Если бы мощность Большого взрыва была чуть большей, из возникшей материи не образовались бы звезды, а если бы она была меньшей, то Вселенная снова бы схлопнулась.

Гравитация должна была воздействовать на межзвездный газ со строго определенной силой, чтобы началась реакция термоядерного синтеза и Солнце начало выделять достаточно энергии для того, чтобы на Земле возникла жизнь.

Звезды тоже должны были эволюционировать определенным образом, чтобы из водорода и гелия благодаря ядерному резонансу возникли более тяжелые элементы, например углерод, составляющий основу живых организмов.

Из скопления этих элементов сгустились облака материи, из которых затем образовались планеты.

После того как на Земле зародилась жизнь, процесс копирования генетического материала должен был иметь очень малый диапазон допустимой погрешности – такой, чтобы живые организмы были похожи на своих родителей, но при этом отличались от них в достаточной степени для возникновения новых биологических видов.

 Констатация всех удивительных совпадений такого рода, благодаря которым во Вселенной смогла зародиться жизнь, называется антропным принципом.

Вероятность случайного сочетания этих условий настолько ничтожна, что некоторые мыслители даже указывают на этот факт как на доказательство существования у Вселенной разумного творца.

Чтобы понять, насколько велика Вселенная, необходимо различать понятия “наблюдаемая Вселенная” и “Вселенная как таковая”. 

Никто не знает, конечно ли пространство;

некоторые ученые считают, что по краям оно загибается внутрь себя, то есть космический корабль, пролетев Вселенную насквозь, окажется там, откуда стартовал.

Форма Вселенной определяется плотностью пространства.

 Предполагается, что при превышении определенной критической плотности материи Вселенная должна заворачиваться внутрь себя.

Однако если суммировать всю видимую массу Вселенной, она составит не более 5% этой критической величины.

 Кроме того, скорость вращения звезд вокруг центра галактики, в которой находится наша Солнечная система, а также самих галактик слишком велика, чтобы ее можно было объяснить силой гравитации, создаваемой видимой материей.

На этом основании ученые делают вывод о существовании “темной материи”, не испускающей электромагнитного излучения.

Открытие каждой новой планеты поднимает вопрос о том, одни ли мы во Вселенной.

Ученые научились определять наличие условий для зарождения жизни на других небесных телах, но достоверно подтвердить существование этой жизни пока не могут.

Не исключено, что жизнь зарождается, развивается и исчезает в других мирах совершенно незаметно для земного наблюдателя.

 Разумные формы жизни не застрахованы от гибели.

Возможно, во Вселенной постоянно возникают цивилизации, которые, достигнув уровня развития, достаточного для создания ядерного оружия, уничтожают сами себя.

 Поскольку путешествие до ближайшей звезды может занять около 100 000 земных лет, человечеству остается только вглядываться в небеса в поисках сигналов из космоса.

Пространство и время.

Пространство – это не пустое ничто.

По теории относительности Эйнштейна пространство искривляется под действием массы, а если пространство способно искривляться, то оно должно из чего-то состоять.

Квантовая теория постулирует, что “пустое” пространство вовсе не пусто, а заполнено бурным потоком непрерывно возникающих и исчезающих элементарных частиц, преобразующих материю в энергию.

 Ученые не могут наблюдать эти частицы напрямую, так как те возникают и пропадают слишком быстро, но они фиксируют косвенные признаки их существования.

В частности, выделяемая ими энергия заставляет галактики отдаляться друг от друга.

Эти частицы являются источником “темной энергии” – одного из элементов строения Вселенной наряду с “темной материей”. 

Английский физик-теоретик Поль Дирак выдвинул предположение, что элементарные частицы порождают античастицы, пронизывающие буквально все, образуя “энергетический континуум”.

Однако если это так, то почему наблюдения говорят о преобладании материи над антиматерией?

Наконец, еще один вопрос о пространстве, беспокоящий ученых, касается его измерения.

Регулярное открытие новых элементарных частиц заставляет задуматься о том, наступит ли когда-нибудь конец этому процессу.

Основатель квантовой теории Макс Планк вычислил мельчайшую единицу длины, названную в его честь планковской длиной (она составляет одну двадцатую размера протона).

Он также нашел мельчайшую единицу времени: планковское время – это период, за который луч света преодолевает одну планковскую длину.

Проблема с этими единицами состоит в том, что они невообразимо малы по сравнению с любым пространственным или временным интервалом, который когда-либо был или будет измерен.

Пространственно-временной континуум статичен, но мы воспринимаем время как нечто движущееся вперед.

Сознание человека – это своего рода луч света, направленный вдоль вселенской оси времени и выхватывающий из темноты текущий момент.

Можно говорить о “физическом” времени, которое измеряется часами, и воспринимаем, “внутреннем”, времени, скорость течения которого определяется последовательностью наших мыслей.

Эти два вида времени во многом схожи.

Загадки квантового мира.

Атом имеет ядро, состоящее из нейтронов и протонов; это ядро окружено электронами.

Атомы образуют молекулы, когда отрицательно заряженные электроны одного атома притягиваются положительно заряженными протонами другого.

Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за своего положительного заряда, но сильное ядерное взаимодействие удерживает их вместе.

Открытие внутреннего строения атома поставило перед учеными вопрос о делимости атомов.

 Экспериментальным путем было доказано существование более 200 видов субатомных частиц.

Эти частицы обладают качеством, которое называется “странностью”.

Его суть состоит в том, что положительно заряженные частицы можно получить лишь в паре с отрицательно заряженными.

 Изучение электрических зарядов субатомных частиц ставит ученых перед философским вопросом: можно ли познать “вещь в себе” или же для познания доступны лишь те свойства объекта, которые поддаются наблюдению?

Единая теория квантовой гравитации – это святой Грааль современной физики. Это теория, над которой работал Эйнштейн в последние годы жизни, но которую он так и не смог сформулировать”.

Одна из теорий, господствующих в современной физике, – квантовая теория.

В ее основе лежит парадокс о природе света.

Древние греки считали, что свет состоит из частиц, а естествоиспытатели XVII века Христиан Гюйгенс и Роберт Гук полагали, что свет распространяется подобно волне.

 Их современник Исаак Ньютон разделял точку зрения древних греков.

Однако позже Томас Юнг продемонстрировал, что свет обладает волновыми свойствами. Он направил пучок света на экран через две узкие прорези, и в области наложения двух пучков возник эффект интерференции: на экране появились чередующиеся светлые и темные полосы.

Этот опыт стал классическим доказательством волновой природы света.

Принятию этой теории мешает целый ряд противоречащих ей фактов, например явление фотоэффекта:

когда свет падает на поверхность металла, он “выбивает” из нее электроны, то есть ведет себя как поток частиц.

Альберт Эйнштейн, изучавший фотоэффект, сформулировал принцип корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому свет может проявлять свойства как частицы, так и волны.

 Когда свет проходит через отверстие, невозможно предсказать, где окажутся отдельные фотоны, – можно лишь определить их наиболее вероятное положение.

Точно так же нельзя узнать, где находится отдельный электрон в атоме, поскольку сам факт наблюдения влияет на его траекторию.

Иными словами, можно измерить или скорость частицы, или ее положение, но не то и другое одновременно: таков принцип неопределенности Гейзенберга. Квантовая теория помогает решать множество научных проблем, однако ее связь с реальным миром носит лишь умозрительный характер.

(Единая теория).

Квантовая теория изменила устоявшееся представление о природе научного познания.

Если раньше считалось, что научные истины описывают мир таким, какой он есть на самом деле, то сегодня ученые приходят к выводу, что наука описывает не реальность, а наши наблюдения за ней.

Понять эту разницу помогает мысленный эксперимент с “котом Шредингера”.

Представим, что в камеру с радиоактивным веществом и емкостью с ядовитым газом сажают кота – если распадается хотя бы один атом вещества, емкость с газом открывается, и кот погибает.

Согласно квантовой теории, вероятность того, что произойдет радиоактивный распад, – 50%. 

Поэтому, пока наблюдатель не видит кота, с математической точки зрения этот кот находится одновременно в двух состояниях – живом и мертвом.

Эта неопределенность устраняется лишь в момент наблюдения: если камеру открыть, то наблюдатель увидит, что кот либо жив, либо мертв.

Объяснение законов материального мира опирается на две фундаментальные теории.

Квантовая теория описывает поведение микроскопических объектов, а теория относительности – мир очень больших величин.

Связать их воедино могла бы единая теория квантовой гравитации.

Сегодня ближе всего к решению этой задачи подошла теория струн, согласно которой материя состоит не из частиц, а из бесконечно тонких одномерных протяженных объектов – струн, вибрирующих с разной частотой.

Длина струн приблизительно равна планковской длине. С одной стороны, они бесконечно малы, а с другой – достаточно велики, чтобы не подвергаться квантовым флуктуациям. 

 Это снимает одно из ключевых противоречий между квантовой теорией и общей теорией относительности.

Однако принятие теории струн означало бы признание существования частиц с мнимой массой и шести дополнительных измерений пространства.

Еще одна фундаментальная теория, также основанная на умозрительных допущениях, – это М-теория (где “М” означает “мембрана” или “мета”).

Согласно ей, материю Вселенной составляют не струны, а двухмерные мембраны.

Задача всех этих теоретических построений – сформулировать “теорию всего”, единую теорию, способную объяснить все без исключения свойства фундаментальных элементов Вселенной и виды их взаимодействий.