"Пятый этаж": общая теория всего на свете
Космический телескоп "Хаббл" обнаружил галактику, удаленную от земли на 13 с половиной миллиардов световых лет.
Иными словами, "Хаббл" видит эту галактику такой, какой она была через 400 млн лет после Большого взрыва.
Телескоп находится на орбите уже более четверти века, и его ресурс уже выработан.
Ожидается, что его преемник, космический телескоп "Джеймс Уэбб", заглянет в еще более далекое прошлое, "всего" через 100 миллионов лет после рождения Вселенной.
Разумеется, ученым и этого недостаточно, они бы хотели заглянуть в самую раннюю Вселенную.
Для чего?
Ведущий "Пятого этажа" Михаил Смотряев беседует с сотрудниками Государственного астрономического института им. Штернберга Владимиром Сурдиным и Сергеем Поповым.
Загрузить подкаст передачи "Пятый этаж" можно <link type="page"><caption> здесь</caption><url href="http://www.bbc.com/russian/multimedia/2011/03/000000_podcast_5floor_gel.shtml" platform="highweb"/></link>.
Михаил Смотряев: Поводом для нашего разговора сегодня является очередное достижение "Хаббла". Судьба "Хаббла" была не простая, тяжелая. При его строительстве было допущено какое-то количество ошибок, тем не менее, на протяжении четверти века телескоп работает, вышел за все, даже наиболее оптимистичные, рамки прогноза своего существования и своей полезности. Вот еще один результат, еще одно достижение, еще одна галактика, которая находится от нас или, можно сказать, находилась от нас - вряд ли от этой галактики за такое количество времени чего-то осталось - на очень большом расстоянии. Соответственно она демонстрирует очень молодую Вселенную.
С другой стороны, 400 миллионов лет от Большого взрыва, при условии, что Большой взрыв имел место, - эта концепция пока является наиболее хорошо проработанной в современной астрономии. С одной стороны, это действительно очень ранняя Вселенная, с другой стороны, новое поколение астрономов и не только их, но и физиков микромира и космологов интересуют еще более ранние Вселенные, когда от Большого взрыва прошло не сотни миллионов лет, а чуть ли не минуты-секунды. Так ли это, Владимир Георгиевич?
Владимир Сурдин: Разумеется, и так это потому, что условия в той супермолодой Вселенной невозможно смоделировать в лаборатории на Земле. Тогда были столь высокие температуры и плотность вещества и энергия частиц, что никакой даже самый Большой адронный коллайдер не в состоянии смоделировать эти процессы, показать нам, как же ведет себя вещество в этих условиях. Вселенная в период своей ранней молодости в самые микроскопические доли секунды после своего рождения именно так и выглядела.
Изучая эти процессы, мы можем лучше понять физику, строение вещества, глубинного строения, заглянуть внутрь элементарных частиц. Удивительно, что изучая самое крупное - Вселенную в целом, мы можем заглянуть внутрь самого мелкого - протонов, кварков, может быть, еще более фундаментальных частиц, из которых состоит наш мир.
М.С.: Сергей Борисович, насколько далеко мы отстоим даже не в том, что предлагает нам "Хаббл", поскольку его ресурс действительно уже приближается к полной выработке, а в том числе "Джеймс Уэбб" - его последователь, который должны запустить в конце 18 года, насколько далеко мы отстоим от наблюдения сверхранней Вселенной, очень-очень молодой?
Сергей Попов: Это не связанные вещи. Все-таки с помощью орбитальных телескопов или наземных телескопов мы надеемся видеть звезды, галактики, какие-то первые вспышки сверхновых, первые квазары - подобные объекты. Это в любом случае время, исчисляемое, по крайней мере, десятками миллионов лет после начала расширения.
Если говорить о самых первых минутах, секундах, долях секунды, то там методы совсем другие. Скажем, мы изучаем детали химического состава Вселенной, содержание некоторых легких элементов и тем самым изучаем время, соответствующее первым минутам или десяткам секунд, когда эти элементы формировались во Вселенной. Это первый подход.
Другой, который позволит уйти еще дальше, - это обнаружение первично-гравитационных волн. Это уже, наверное, последний барьер, по крайней мере, из обсуждающихся, который мы можем надеяться в ближайшее время обнаружить. Он нас очень сильно приблизит к началу начал.
М.С.: Насколько в этом плане велик сейчас разрыв между теоретической физикой и физикой наблюдательной даже с условием проекции непрерывного развития научно-технического прогресса в наблюдательной астрономии? Повышается точность приборов, все растет, причем с экспоненциальной скоростью. Физики-теоретики оперируют вещами, которые в некоторых случаях сложно себе представить, если мы касаемся, условно говоря, теории струн. Но если даже не заходить так далеко, этот разрыв все равно большой. Как вы будете наблюдать кварки, если они не существуют в несвязанном состоянии?
С.П.: С кварками, к счастью, проще. Изучая столкновения частиц на ускорителях, мы можем достаточно хорошо изучать кварки. Вся шестерка кварков обнаружена. Что-то больше узнать о микромире, о чем Владимир Георгиевич говорил, мы можем с помощью астрономических наблюдений. Кварки могут становиться свободными при очень высокой плотности. Поэтому в недрах нейтронных звезд может появляться кварковое вещество. Изучая эти объекты, мы можем получить информацию и о кварках.
Если вернуться к космологии, вообще говоря, всегда, не только в космологии, такой разрыв существует. Его можно сформулировать так. У ученых почти всегда есть идеи, что еще интересного можно посмотреть, но для реализации этих идей не хватает ресурсов. Причем если мы говорим об обнаружении, скажем, следов первичных гравитационных волн в фоне реликтового излучения, то там задача хорошо понятная. Она хорошо формулируется, и в принципе люди могут выдать техническое задание на спутник следующего поколения, который, как думают сейчас астрофизики, космологи, с высокой степенью вероятности - естественно, ничего в науке не гарантировано, - может обнаружить эти следы или поставить настолько серьезные пределы на их существование, что придется существенно пересматривать теоретические модели.
М.С.: Владимир Георгиевич, вы упомянули, что это очень неожиданно, но на обывательском, не научном, уровне самые большие объекты Вселенной и самые маленькие объекты Вселенной в какой-то момент не то, чтобы смыкаются, но изучение одних позволяет более детально рассмотреть другие. Что касается изучения макрообъектов во Вселенной, какие здесь еще задачи перед нами стоят? Среди последних достижений, о которых много говорили, все-таки чемпионствуют скорее достижения микромира - бозон Хиггса, Большой адронный коллайдер и все, что с ним связано. Что касается макромира, самых крупных объектов, то это в основном красивые фотографии. Они действительно захватывают дух, но никто не понимает, опять же на уровне обывателя, что важно, - что с ними делать, как это нашу жизнь через 10-20-50 лет улучшит.
В.С.: Никто не даст голову на отсечение, что через 50 лет те фундаментальные открытия, которые сегодня известны только в лаборатории немногим ученым, не окажутся в фокусе интересов всех обывателей. Вспомните, примерно 60 лет назад родилась полупроводниковая техника, примерно 40 лет назад появились микропроцессоры. Сегодня нет человека, который бы в кармане или в портфеле не носил микропроцессор, запрятанный в часы, в сотовый телефон, в наладонник, в какой-то маленький планшетный компьютер и так далее. Всего лишь сорока лет хватило, чтобы фундаментальное открытие нового физического явления - полупроводниковой физики сделалось совершенно обыденным, обывательским, привычным и необходимым для всех.
Поэтому не надо задавать вопросы - для чего нужна фундаментальная наука, для чего физики смотрят в микро, а астрофизики - в макромир. Они смотрят для того, чтобы завтра это превратилось в скороварку, в микровейв, в общем, в совершенно необходимые в быту вещи. Это очевидно. Другое дело, что у астрономов сегодня появляются удивительные возможности использовать не только технические средства - телескоп, сделанный на заводе, но использовать саму природу, чтобы изучать эту же самую природу.
Например, недавно с помощью того же телескопа "Хаббл" и его партнера - космического телескопа инфракрасного диапазона "Спитцер" была открыта очень интересная галактика. Она находится на краю Вселенной. Ее красное смещение, то есть удлинение волны света, приходящего к нам, превышает восемь раз. Ее возраст - менее миллиарда лет. Это младенческий возраст по меркам нашего мира. Эта галактика открыта лишь потому, что ее помогли нам увидеть другие космические объекты.
Просто наземный телескоп или космический телескоп "Хаббл" не в состоянии увидеть галактику на таком огромном расстоянии. По счастливому совпадению на пути к ней оказалось огромное скопление галактик, заполненное тем, что мы называем темная материя, темное вещество. Мы еще не знаем его физической природы, но оно уже помогло нам в работе. Как? Лучи света, проходящие сквозь это скопление, преломились как в гигантской линзе. Мы называем это гравитационная линза. То есть гравитационное поле сфокусировало изображение далекой галактики на нас, на наши телескопы, конкретно на "Хаббл", который летает вокруг Земли.
Мы увидели эту галактику и удивились тому, как она выглядит. Она недавно родилась, тогда, в ту эпоху, только-только, а уже выглядит глубоко состарившейся звездной системой, почти такой же, как наша древняя галактика - наш Млечный путь. Как она успела столь стремительно пройти свой жизненный путь, свой эволюционный путь, мы до сих пор не понимаем. Там успели родиться звезды, проэволюционировать, взорваться, насытить окружающее пространство тяжелыми элементами, из которых позже родились планеты, биосфера, мы с вами. Все это произошло почти мгновенно по космологическим масштабам.
Вот загадка, которую мы узнали благодаря другим космическим объектам, - гравитационной линзе в виде гигантского скопления галактик. Так астрономы используют не только технические средства, но и природные явления.
М.С.: Когда здесь в программе мы обсуждали перспективы, которые открываются перед наукой в результате экспериментального подтверждения гравитационных волн, я нашему обозревателя по вопросам культуры, человеку от астрономии беспредельно далекому, советовал поискать где-нибудь в поисковиках в интернете "Крест Эйнштейна" - к вопросу о гравитационных линзах. Что касается макро и микромира, с одной стороны, получается так, что достижения в одной сфере изрядно помогают нам в том, что касается другой.
С другой стороны, в соединении законов макромира и микромира наблюдается едва ли не самое крупная проблема современной физики, а именно соединение теории, которая пока лучше остальных описывает происходящее в макромасштабе, - это теория Эйнштейна, и теории, которая описывает наиболее достойно, близко к тому, что мы наблюдаем, события в микромире, - квантовая теория. Это противоречие пытаются разрешить достаточно долго. Вариантов, в том числе и таких, от которых у неподготовленного человека ум заходит за разум, - теории струн, их второе поколение - браны, свернутое измерение числом 11 или 26, - все это время от времени наводит на мысль, что это настолько изощренная физика, что, может быть, она даже и не нужна. Сергей Борисович, может быть, на самом деле все проще, может быть, мы излишне усложняем?
С.П.: Видимо, нет. Простые решения люди пробуют. Безусловно, любой нормальный ученый, человек вначале ищет простые решения. Я воспользуюсь аналогией и заодно еще раз отвечу на вопрос, зачем нужна фундаментальная наука. Есть такое, сейчас очень популярное, занятие йогой. В принципе, людям, даже если они в час пик ездят в транспорте, как правило, не приходится принимать такие странные позы и тем более подолгу их удерживать. Тем не менее все понимают, что, условно говоря, десять лет занятий йогой помогут вам потом в 70 лет перенести два чемодана, поднять их по лестнице. С фундаментальной наукой происходит похожая штука.
Это вещь, которая служит, в том числе, тренировкой, мотивацией для решения других проблем, - в этом ее безусловная польза, - но естественно люди не специально стремятся к какой-то изощренности. Людям приходится ее делать, точно так же как врачам приходится использовать какие-нибудь очень сложные томографы или еще какие-то сложные способы исследования, а нельзя просто померить пульс или пристально посмотреть в глаза и все вылечить наложением рук, - не получается. Простые способы, конечно, пробуются в первую очередь.
Развитие любой модели, объяснение любого типа источников начинается всегда с самых простых моделей, гипотез. Если они не работают, то тогда люди переходят к более сложным. Если вернуться к вашему примеру, поскольку вопрос соединения теории гравитации с квантовой физикой на повестке дня стоит давно, со времен Эйнштейна, физиков-теоретиков реально очень много, то перепробовано уже огромное количество подходов. Не удивительно, что на протяжении этих десятилетий новые подходы оказываются все более и более сложными.
М.С.: Если воспользоваться аналогией с йогой, найдется какое-то количество ученых, врачей в том числе, не говоря уже о людях от медицинской науки далеких, но имеющих богатый практический опыт, которые скажут, что, конечно, это замечательно, но насколько долго вы бы не занимались йогой, совершенно нет никакой гарантии, что в семидесятилетнем возрасте вы будете с легкостью поднимать чемоданы. Так же, кстати говоря, и с теориями. В свое время Стивен Хокинг провозгласил идею создания "теории всего", хотя попытки предпринимались и раньше.
Насколько мне известно, я сейчас, к сожалению, не могу вспомнить фамилию этого довольно молодого человека, который достаточно близко подошел к созданию "теории всего" в первом приближении, не отталкиваясь при этом ни от эйнштейновских уравнений и лишь до определенной степени используя квантовый аппарат. Разумеется, в этой теории гораздо больше дыр, чем в современной инкарнации теории струн, но тот факт, что она с какой-то точностью, которую можно посчитать, объясняет происходящее в мире, не отталкиваясь ни от одной, ни от другой, уже устоявшихся, концептуальных теорий или направлений в современной физике, наводит на размышления - возможно существует третий путь. Владимир Георгиевич, как думаете?
В.С.: Не знаю. Я не занимаюсь фундаментальной физикой. Я астроном прикладного направления, больше интересуюсь какими-то близкими объектами. Мне трудно ответить на этот вопрос. Может быть, Сергей Борисович сможет?
С.П.: Я думаю, что нет, что все-таки простых решений не существует, повторюсь, просто потому, что существует огромное количество специально обученных, очень сильно мотивированных людей, которые обдумывают, обсуждают, пробуют посчитать самые разные варианты - простые, сложные. Цель у них - именно получить ответ. Тот экспериментальный факт, что ответ не получен на такие сложные вопросы, говорит о том, что действительно простые методы не работают. В принципе весь наш опыт учит нас тому же самому. Опыт развития науки подтверждает простую идею о том, что такие совсем простые решения не всегда применимы.
Если люди пробовали и ничего не получилось, значит нужно двигаться дальше. Важно понимать, что стандарты качества в современной науке очень высоки. Поэтому просто прийти с красивой "объяснялкой", уже не работает. Современная наука очень не похожа на рассуждения древних греков. Всегда вызывают большой скепсис попытки, тем более претензии, - попытки - это нормально, а вот претензия, что мы все объяснили, и всякие сложности нам не нужны, но никакой сложный эффект посчитать мы не можем в своей модели - это вызывает разумное ощущение протеста, потому что люди уже давно прошли этот путь и вышли на следующий уровень.
М.С.: Я обнаружил, как зовут человека, о котором идет речь, - Гаррет Лиси. Наверное, это имя вам попадалось. Это он автор очередной "теории всего", в которой, правда, немало зияющих дыр. Но и в современной мейнстримовой науке тоже хватает дыр, которые надо затыкать, не говоря о том, что чем ближе мы приближаемся к началу Вселенной, тем больше вероятность столкнуться с тем, что понимаемые нами физические законы вообще там перестают работать.
Оставляя в стороне проблему сингулярности, как таковой, в принципе когда мы подходим к планковским предельным величинам, у меня - неспециалиста - возникает такое ощущение, что надо выдумывать новую физику, потому что физические законы в том виде, в котором мы их знаем и сейчас наблюдаем, даже независимо от того, можем мы их объяснить или нет, уже перестают работать. Соответственно возникает вопрос, каковы перспективы создания новой физики, тем более, когда речь идет о планковских предельных величинах, там, где вы заведомо не можете ничего разглядеть, даже опосредованно?
В.С.: Мне кажется, это не правильная формулировка - "физика перестает работать". Надежно установленная, а в экспериментах обоснованная теорией физика никогда не перестанет работать в рамках тех условий, где она проверена. Это напоминает человека, который в разной ситуации по-разному одевается. Вы идете по пляжу голый, и ваша кожа вполне удовлетворяет вас как внешняя оболочка. Вы попадаете в прохладное помещение и, не снимая свою кожу, надеваете майку, в еще более прохладное - рубашку, о когда попадаете на мороз, сверху набрасываете куртку или шубу. Вы не меняете одну оболочку на другую, а дополняете каждую из них еще более надежной. То же самое и с физикой.
Пока мы работали в условиях земных экспериментов, нас ньютонова физика, школьная, как ее сегодня называют, вполне удовлетворяла. Когда эксперименты стали разнообразнее - больше скорости, больше энергии столкновения частиц, меньше сами масштабы, на которых физики умеют делать эксперименты, - пришлось создать квантовую механику, релятивистскую физику, релятивистскую механику, и, наконец, общую теорию относительности. Они не отменили старую физику, они ее дополнили. Когда мы будем углубляться, продвигаться к началу Вселенной и встретим те условия, которых сегодня мы на Земле никогда не встречали, наша физика не перестанет работать. Ее придется дополнить более широкой, более полной, более охватывающей физикой. Но та, что мы знаем, останется такой, какая она есть сегодня.
М.С.: Сергей Борисович, а вы что думаете?
С.П.: Здесь такое красивое выражение, которое физики и популяризаторы физики любят использовать, - "наша физика перестает работать, скажем, в недрах черных дыр, вблизи сингулярности или еще где-то" - это образное выражение, его не надо понимать настолько буквально. Вы не можете, например, приехать в Нью-Йорк, достать кэш в фунтах и купить что-то в магазине. Ваши фунты перестали работать, но люди придумали кредитные карты. Вы можете достать кредитную карту, у вас счет в фунтах, но вы расплатитесь более или менее везде. Это никак не отменяет фунты. Они не то, что перестали работать, у них есть своя область применимости, и замечательно.
Люди придумают новые инструменты, которые начинают работать в других областях, и это здорово. У нас получается такая глобальная экономика. Примерно то же самое с развитием науки, поэтому фразу "физика перестает работать" не надо воспринимать слишком буквально. Ньютоновская физика действительно замечательна, у нее есть своя хорошая область применимости, но то, что она перестает работать, когда вам нужна высокая точность, скажем, в расчете движения спутников, не говорит о том, что теория плоха или не верна. Это говорит о том, что она не полна.
Можно сравнивать старые лекарства и новые. Старые тоже лечат, но новые лечат лучше и у них меньше побочных эффектов. В этом смысле мы имеем нормальный прогресс, и наука, кажется, со времен Галилея находится на таком хорошем пути, где новые революции - революции в хорошем смысле. Они не "до основания, а затем", а они именно раскрывают какие-то новые двери, показывают новые возможности, не вычеркивая при этом старые.
М.С.: То есть единая "теория всего", хоть и казалась, правда, это было сто лет назад, и об этом физики говорили, что еще 10-15-20 лет и физика как наука перестанет существовать, потому что все, что надо будет открыть и смоделировать, будет открыто и смоделировано. Понятно, что они ошиблись. Но единая "теория всего", которая будет описывать все процессы, происходящие как в самой ранней, так и в самой поздней Вселенной, будет когда-либо создана. Понятно, что не завтра, да?
С.П.: По всей видимости, да. Кажется довольно странным, если бы мир был устроен настолько сложно, что мы не могли бы его объяснить, описать в терминах математики. Просто кажется, что мир не устроен как-то бесконечно сложно в этом смысле, поэтому она, наверное, будет создана. История нас научила, что не надо быть чересчур оптимистичными относительно, когда все это кончится, но это нормальная черта человеческого характера, когда идет эпоха бури и натиска, когда очень много результатов получается за короткое время, появляется такое состояние эйфории, что теперь все будет очень хорошо. Мы это постоянно слышим в самых разных областях. Пожалуй, людям давно следует выработать некий скепсис относительно чересчур оптимистичных заявлений, что скоро мы решим все проблемы и дальше займемся чем-то другим.
М.С.: Сейчас я думаю о том, что скоро мы решим все проблемы. Во всяком случае, в том, что касается, теоретической физики, уже никто всерьез не разговаривает, да и в шутках это выглядит немножко устаревшим. Но когда вы говорите о том, что конструкция мира, мироздания, если хотите, с точки зрения математики не может быть чересчур сложной, имеет смысл вспомнить, что у физиков и у людей, которые теоретической наукой не занимаются, понятие "чересчур" может быть разное. Владимир Георгиевич, где здесь "чересчур"?
В.С.: Сто лет назад было всего несколько человек, которые понимали, даже не понимали, а имели какое-то интуитивное чувство о рождении новой квантовой физики. Сегодня их миллион. Это все студенты технических и естественно-научных вузов. То, что было сто лет назад "чересчур", сегодня становится обыденным. Сто лет спустя "теория всего" будет точно также преподаваться в вузах и будет по зубам нормальному студенту, а сегодня это кажется чем-то сверхъестественным.
Буквально на днях были открыты, наконец, гравитационные волны. Я случайно вчера открыл старую статью десятилетней давности, написанную Сергеем Борисовичем Поповым, где было о гравитационных волнах, о том, что их не могут никак обнаружить. Там был сделан прогноз, что их обнаружат через десять лет. Поздравляю, Сергей Борисович, ваш прогноз абсолютно точно сбылся.
