• Название:

    Рубаков Знание Сила (08, 2009)

  • Размер: 0.39 Мб
  • Формат: PDF
  • или

    Г ЛАВНАЯ Т ЕМА
    Валерий Рубаков

    Конец

    науки
    или новая фаза

    ?

    « З  С » Август 2009

    ее развития

    30

    Как это ни парадоксально, книга
    Джона Хоргана и ситуация вокруг нее
    дают, по крайней мере отчасти, аргу
    менты в пользу точки зрения на буду
    щее науки, диаметрально противопо
    ложной точке зрения автора. Содер
    жащиеся в книге высказывания, от
    носящиеся к перспективам научных
    исследований, как таковых, опровер
    гаются самой жизнью. Так, за время,
    прошедшее с момента выхода книги,
    в физике элементарных частиц и кос
    мологии — близких мне областях —
    были сделаны потрясающие откры
    тия. В результате астрономических
    наблюдений было установлено, что
    вклад обычного вещества в плотность
    * В.А. Рубаков — академик, Институт ядерных иссле
    дований РАН.

    современной Вселенной составляет
    всего 4,5 процента, а другие извест
    ные элементарные частицы — нейт
    рино — добавляют к нему не более од
    ного процента. Носителем остальных
    95 процентов энергии во Вселенной
    является «неизвестно что». Более то
    го, это «неизвестно что» делится на
    две фракции — темную материю и
    темную энергию.
    Темная материя состоит, повиди
    мому, из неизвестных элементарных
    частиц. Про них мы знаем только, что
    они имеют ненулевую массу, не распа
    даются, по крайне мере за время жиз
    ни Вселенной (около 14 миллиардов
    лет), не несут электрического заряда,
    не испытывают сильных (ядерных)
    взаимодействий, но притягиваются
    гравитационно так же, как обычное

    крытиями». С одной стороны, и тем
    ная материя, и темная энергия вписы
    ваются (пока?) в общую теорию отно
    сительности и квантовую теорию, и в
    этом смысле «Основы физики оста
    лись нетронутыми». Мне, однако, бо
    лее существенным представляется тот
    факт, что эти открытия, без сомнения,
    принципиально расширили общее
    представление о мире, встав в один
    ряд с открытием феномена расшире
    ния Вселенной и открытием реликто
    вого излучения (его Джон Хорган по
    чемуто среди великих открытий не
    числит, хотя именно оно доказало
    справедливость представления о горя
    чей начальной стадии эволюции Все
    ленной, эпохе горячего Большого
    взрыва).
    Можно ли ожидать открытий по
    добного масштаба в обозримом буду
    щем? На этот счет многие (хотя и не
    все) физики разделяют оптимистиче
    скую точку зрения. Имеются серьез
    ные основания ожидать, что пред
    ставления о мире элементарных час
    тиц будут кардинально расширены
    в результате экспериментов на Боль
    шом адронном коллайдере, который
    вводится в строй в ЦЕРНе, а затем на
    Международном электронпозитрон
    ном коллайдере. Гипотез на эту тему
    множество, и большинство из них
    предсказывает существование новых
    семейств элементарных частиц и но
    вых типов взаимодействий, принци
    пиально отличающихся от всех тех,
    что мы изучали до сих пор. Вполне
    возможно, что среди новых частиц на
    Большом адронном коллайдере будут
    рождаться и частицы темной материи.
    Есть и более экзотические гипотезы.
    Например, в экспериментах на Боль
    шом адронном коллайдере могут на
    чать проявляться новые измерения
    пространства, дополнительные к трем
    известным и не обнаруживаемые при
    меньших энергиях.
    Есть обоснованная надежда и на то,
    что летающие вокруг нас и сквозь нас
    частицы темной материи будут заре
    гистрированы в подземных лаборато
    риях. Другая возможность состоит в
    том, что темная материя проявится
    через продукты своей аннигиляции,

    « З  С » Август 2009

    вещество. Именно по гравитационно
    му воздействию на обычные частицы
    темная материя и была обнаружена.
    Мы не знаем ни массы частиц темной
    материи, ни того, насколько интен
    сивно они взаимодействуют с нашим
    веществом, и, что самое главное, не
    знаем, к какому семейству частиц они
    относятся. Можно только предполо
    жить, что за отсутствием распадов
    этих частиц стоит какойто неизвест
    ный закон сохранения, наподобие за
    кона сохранения электрического за
    ряда, запрещающего распадаться эле
    ктрону.
    Существование темной материи в
    нашей Вселенной — это большая уда
    ча. Именно темная материя сыграла
    главную роль в формировании струк
    тур во Вселенной. Не будь ее, не было
    бы ни галактик, ни звезд, ни нас с Ва
    ми, дорогой читатель. И это тоже ста
    ло окончательно ясно уже после вы
    хода в свет книги Джона Хоргана.
    Темная энергия — вообще необык
    новенная субстанция. В отличие от
    обычного вещества и темной материи,
    она испытывает антигравитацию. Из
    за этого темная энергия не собирается
    в галактики или скопления галактик;
    насколько сейчас известно, она раз
    лита во Вселенной однородно. Изза
    этого же темная энергия заставляет
    Вселенную расширяться с ускорени
    ем — галактики все быстрее и быстрее
    удаляются друг от друга вместо того,
    чтобы изза гравитационного притя
    жения замедлять свой бег. Темная
    энергия, будь ее побольше во Вселен
    ной, могла бы сыграть для нас фаталь
    ную роль: изза быстрого расширения
    пространства звезды и галактики не
    успели бы образоваться, и наша Все
    ленная была бы совершенно однород
    ной, темной и безжизненной. То, что
    темной энергии сравнительно мало —
    еще одна большая удача. Существова
    ние темной энергии было опятьтаки
    установлено после выхода книги Джо
    на Хоргана в свет.
    Можно ли отнести эти открытия к
    открытиям первого ранга по класси
    фикации Джона Хоргана? Ответ на
    этот вопрос зависит от того, что счи
    тать «самыми фундаментальными от

    31

    В. Рубаков Конец науки или новая фаза ее развития?

    « З  С » Август 2009

    Суперколлайдер

    32

    которые будут обнаружены детектора
    ми под водой, подо льдом или в кос
    мосе. Эксперименты в этих направле
    ниях идут давно и пока не дали одно
    значно положительного результата;
    предсказать, когда будет обнаружен
    сигнал от темной материи, трудно —
    мы пока слишком мало знаем о взаи
    модействиях частиц темной материи
    между собой и с обычным веществом.
    Однако экспериментальные методы
    развиваются, и с определенной долей
    уверенности можно сказать, что успех
    рано или поздно придет.
    Прямое обнаружение частиц тем
    ной материи и изучение их свойств,
    скорее всего, приведет к прорыву
    в космологии. Например, согласно
    одной из наиболее правдоподобных и
    популярных гипотез, темная материя
    образовалась во Вселенной через
    10 микросекунд после Большого
    Взрыва. Если эта гипотеза подтвер
    дится, то мы сможем с уверенностью
    судить, какова была Вселенная в это
    время и как она тогда расширялась.
    Разумеется, здесь возможны и сюр
    призы: экстраполяция с временного
    масштаба 1 секунды после Большого
    Взрыва (эпоха, о которой сегодня
    имеются экспериментальные данные)

    на масштаб 10 микросекунд может
    оказаться совсем не безобидным де
    лом. Тем интереснее окажется ситуа
    ция в космологии ранней Вселенной!
    Изучение темной энергии тоже,
    возможно, приведет к новым откры
    тиям «первого ранга». При имеющей
    ся точности наблюдения темная энер
    гия выглядит как однородная в прост
    ранстве и постоянная во времени ве
    личина — мировая константа, космо
    логический λчлен, введенный в тео
    рию, а затем отброшенный Эйнштей
    ном. Теоретики, однако, обсуждают и
    другие возможности. Темная энергия
    может быть энергией новых сверхлег
    ких и сверхслабых полей, тогда она
    зависит от времени и, вообще говоря,
    неоднородна в пространстве. Другой
    вариант: существующая теория грави
    тации — общая теория относительно
    сти — может перестать быть справед
    ливой на космологических расстоя
    ниях и временах. Если в природе реа
    лизуется какаянибудь из этих воз
    можностей, то это проявится в пер
    вую очередь в особенностях ускорен
    ного расширения Вселенной и будет
    обнаружено в астрономических на
    блюдениях на инструментах новых
    поколений.
    Несколько слов о предсказаниях
    инфляционной теории, описываю

    крыты довольно скоро. Это станет
    сильнейшим (хотя, строго говоря, не
    окончательным) аргументом в пользу
    инфляционной теории. В дальнейшей
    перспективе инфляционная теория
    (если она верна) может стать надежно
    подтвержденной наблюдениями.
    Говоря об инфляционной теории,
    нужно подчеркнуть, что такой сцена
    рий развития событий вполне может
    оказаться неверным. В конце концов,
    инфляционная теория — пока только
    гипотеза (хотя и согласующаяся со
    всем тем, что мы знаем о Вселенной;
    отметим в этой связи, что многие дру
    гие гипотезы, популярные в 80х —
    начале 90х годов, были отвергнуты на
    основании полученных впоследствии
    наблюдательных данных). Однако
    в любом случае есть хороший шанс,
    что со временем «миф о творении» за
    менится на теоретически обоснован
    ное и экспериментально проверенное
    представление о том, как была устрое
    на Вселенная до эпохи горячего Боль
    шого Взрыва, в самые первые мгнове
    ния своего расширения.
    Расширение Вселенной
    ускоренными темпами

    « З  С » Август 2009

    щей гипотетическую (пока?) стадию
    эволюции Вселенной перед стадией
    горячего Большого Взрыва. Высказы
    вания на эту тему Дэвида Шрамма и
    Ховарда Джорджи являются по мень
    шей мере спорными. Простые, а по
    тому наиболее правдоподобные ин
    фляционные модели в действительно
    сти приводят к характерным предска
    заниям, которые в будущем вполне
    могут найти экспериментальное под
    тверждение. Среди этих предсказа
    ний — существование реликтовых
    гравитационных волн во всех диапа
    зонах частот, с периодами вплоть до
    времени жизни Вселенной. Есть и бо
    лее тонкие предсказания, относящие
    ся к свойствам тех неоднородностей
    материи, из которых впоследствии
    сформировались структуры (галакти
    ки, скопления галактик и т.д.), а также
    к свойствам реликтовых гравитацион
    ных волн. Реликтовые гравитацион
    ные волны и некоторые предсказыва
    емые инфляционной теорией особен
    ности спектра возмущений материи
    (точнее, их отпечатки в реликтовом
    электромагнитном излучении и в спе
    ктре структур) будут, возможно, от

    33

    В. Рубаков Конец науки или новая фаза ее развития?

    « З  С » Август 2009

    34

    Из всего сказанного, мне думается,
    должно быть ясно, что говорить о
    конце физики элементарных частиц и
    космологии сегодня по меньшей мере
    преждевременно. Хотя пессимистиче
    ский взгляд на будущее опровергнуть
    невозможно — природа может ока
    заться совсем не такой, как мы в об
    щих чертах ожидаем, надежды на но
    вые открытия могут не оправдаться —
    более обоснованным мне представля
    ется прогноз, согласно которому в
    обозримой перспективе общая карти
    на мира будет существенным образом
    расширяться.
    Тем не менее взгляд Джона Хоргана
    в определенной степени отражает
    объективные процессы, происходя
    щие в науке. Прежде всего наука раз
    вивается неравномерно. Между круп
    ными открытиями лежат периоды ос
    мысления и уточнения новых пред
    ставлений, постепенного накопления
    знаний, совершенствования теории и
    эксперимента. По крайней мере, в не
    которых областях эти периоды стано
    вятся все более и более растянутыми
    во времени. Например, современная
    теория элементарных частиц и их вза
    имодействий — Стандартная модель —
    была в весьма конкретном виде сфор
    мулирована в первой половине 70х
    годов, и с тех пор она только под
    тверждалась, а необходимости в ее
    кардинальном расширении не возни
    кало (были открыты «только» новые
    кварки и новые частицы, аналогич
    ные электрону и электронному нейт
    рино, — τлептон и соответствующее
    ему нейтрино; особняком стоит
    открытие нейтринных осцилляций).
    В этом смысле ученые, работавшие в
    этой области науки (в том числе в ка
    който степени и я), действительно
    оказались «в списке опоздавших»,
    а точнее, в «списке пришедших не во
    время».
    Другое, хотя и связанное с преды
    дущим, обстоятельство, о котором го
    ворит и Джон Хорган, — сравнитель
    но медленное развитие эксперимен
    тальных исследований в таких облас
    тях, как физика элементарных частиц
    и (пока в меньшей степени) космоло
    гия. Соответствующие приборы — ус

    корители, детекторы, наземные и кос
    мические телескопы — становятся все
    более и более сложными и дорогосто
    ящими. К последнему факту можно
    относиться поразному. С одной сто
    роны, можно беспокоиться (или де
    лать вид, что беспокоишься) о сию
    минутном влиянии на карман налого
    плательщика — и закрывать выдаю
    щиеся проекты, как это сделали в
    США со сверхпроводящим суперкол
    лайдером, или не открывать новые
    крупные проекты вовсе, как это пока
    происходит в России. С другой сторо
    ны, можно всячески поддерживать
    создание сложных установок для нужд
    фундаментальной науки, понимая,
    что при этом возникают новые техно
    логии самого передового уровня (на
    существующей технологической базе
    за границы познания не выйдешь),
    растет людской потенциал, повыша
    ется интерес общества к науке, обес
    печивается приток молодежи в науко
    емкие области и т.д. Второй подход
    мне представляется гораздо более
    дальновидным, но в любом случае за
    медление темпов экспериментальных
    исследований — неизбежность.
    Это, конечно, представляет собой
    серьезную проблему в человеческом
    плане. Реальность такова, что физик
    экспериментатор за всю свою жизнь
    успевает принять участие лишь в не
    большом числе экспериментов, а ино
    гда и вообще всего в одном. Последст
    вия для профессионального и карьер
    ного роста, привлекательности для
    молодежи и т.д. очевидны.
    С замедлением темпов получения
    новых экспериментальных результа
    тов, по крайней мере отчасти, связано
    и то, что «у гениев нашей эры — куда
    меньше возможностей для открытий,
    чем это было у Эйнштейна и Бора».
    Целый ряд блестящих гипотез до сих
    пор не нашли своего эксперименталь
    ного подтверждения. Пример — гипо
    теза о Большом объединении силь
    ных, слабых и электромагнитных
    взаимодействий, из которой следует
    предсказание нестабильности прото
    на (при формулировке и развитии
    этой гипотезы одной из ключевых
    фигур был, кстати, Ховард Джорджи).

    режиме? Сумеет ли оно воспроизво
    дить себя? Будет ли согласно все об
    щество поддерживать фундаменталь
    ную науку, достаточной ли для этого
    окажется у него тяга к познанию
    мира?
    Мне думается, что человек на
    столько любопытен, что даже такого
    рода трудности его не остановят, и от
    веты на перечисленные вопросы ока
    жутся в конце концов положительны
    ми. Подтверждение этому я вижу в
    том опыте, который уже накопился в
    физике элементарных частиц и близ
    ких к ней областях. От идеи экспери
    мента до его реализации и получения
    научных результатов уже сейчас про
    ходит, как правило, двузначное коли
    чество лет. За это время состав коман
    ды экспериментаторов успевает за
    метно обновиться, а теоретики суще
    ственно уточняют, а иногда и вовсе
    меняют свои представления об ожи
    даемых результатах. Тем не менее это
    не стало непреодолимым препятстви
    ем для развития.
    До сих пор «подстраивание» науч
    ного сообщества к новой реальности
    происходило в значительной степени
    стихийно. Книга Джона Хоргана под
    талкивает к осознанию возникающей
    в науке новой ситуации, ее обсужде
    нию и в конечном итоге к выработке
    адекватного представления о том, что
    такое прогресс фундаментальной на
    уки, и о том, что нужно делать, чтобы
    этот прогресс не останавливался.

    « З  С » Август 2009

    Космический телескоп
    нового поколения
    Джеймса Вебба

    Высказанная и обоснованная в сере
    дине 70х годов, она до сих пор не до
    казана, несмотря на все усилия физи
    ковэкспериментаторов. Вместо этого
    выяснилось, что время жизни прото
    на превышает гигантскую величину в
    1033 лет. Вполне возможно, что распад
    протона будет все же обнаружен, од
    нако для этого необходимо создание
    подземного детектора с массой не ме
    нее 1 миллиона тонн. Задумаешься тут
    о конце науки!
    Напрашивается следующий вывод.
    Дело не в том, что «все самое интерес
    ное и значимое — не будущее науки, а
    ее славное прошлое». Фундаменталь
    ная наука как таковая имеет прекрас
    ные перспективы с точки зрения от
    крытий самого высокого ранга. Про
    блема в том, что временной масштаб,
    необходимый для того, чтобы эти от
    крытия были сделаны, становится все
    более и более протяженным. Экстра
    полируя, можно предположить, что со
    временем он растянется на несколько
    поколений, а потом и еще больше.
    Выдвигать первоначальные гипотезы
    и проектировать эксперимент будут
    ученые одного поколения, развивать
    теорию и создавать установку — дру
    гого, получать результаты — третьего.
    Как в описаниях писателямифантас
    тами полетов к далеким звездам: уле
    тают с Земли одни люди, а прилетают
    назад их далекие потомки.
    Здесьто и возникают главные во
    просы. Сможет ли научное сообщест
    во приспособиться к работе в таком

    35