Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей - Франклин Дэниел - Страница 10

Смысл плохой новости в том, что столь близкое рассмотрение реальности приводит к неожиданным осложнениям.

Теперь хорошая новость: эти осложнения лишь укрепляют принципы эффективной теории и не ставят под угрозу ее практическое применение. Изучение новых частиц предоставляет массу новых способов проверки общих принципов, лежащих в основе нашей эффективной теории – теории относительности, квантовой теории и локальной симметрии. Действительно, эти принципы предсказывают доли, в которых различные частицы будут производиться при разных условиях, то, на что они будут распадаться, и многое другое. До сих пор прогнозы – все без исключения – подтверждали правильность нашего описания реальности.

Таким образом, мы можем с определенной долей уверенности предположить, что последствия влияния этих частиц на земную среду в обычном (без ускорителя) режиме незначительны.

Смысл хорошей новости в том, что добавляемые элементы легко количественно определить и без нашей эффективной теории. Их наблюдаемое поведение усиливает обоснованность общих принципов. Но их очень трудно производить, и по большей части (за исключением новых нейтрино) они крайне нестабильны. Впрочем, их практическое влияние почти наверняка будет незначительным.

Многие из пионеров квантовой теории – в частности, Планк, Эйнштейн и Шредингер – были недовольны ее зрелой формой. Им не нравилось пользоваться вероятностными прогнозами, а также упорствованием этих теорий в том, что в субатомном мире «идеальные» измерения – то есть измерения, не влияющие на измеряемую систему, – являются даже не идеализацией, а физической, объективной невозможностью. Эти особенности квантовой теории, похоже, подрывали представление о существовании объективного мира, содержащего объекты с определенными свойствами, которые эволюционируют согласно определенным принципам.

Более поздние поколения физиков по большей части примирились с квантовой теорией. Она привела к появлению многочисленных новых достижений и сумела пережить массу проверок. Кроме того, техническая работа над понятием «декогеренция» прояснила, каким образом стабильное и по существу детерминированное поведение тел в макромире возникает из квантового поведения в микромире. Впрочем, и сегодня некоторые высококвалифицированные физики с трудом воспринимают основы квантовой теории (я к этому числу не принадлежу). При проектировании квантовых компьютеров активно используются самые странные и сложные свойства этой теории. Было бы весьма любопытно, если бы они неожиданно потерпели неудачу.

Поскольку сложность, в частности, полного примирения теории гравитации и общей теории относительности с принципами квантовой механики все же сильно преувеличена, важно спустить эту дискуссию с небес на твердую землю. На практическом уровне проблем нет. Астрофизики и космологи регулярно и успешно рассчитывают развитие физических ситуаций, в которых одновременно действуют гравитационная и квантовая теории. В процессе всей этой работы не возникает никаких существенных неоднозначностей или исключений.

Сложности возникают, если попытаться применить уравнения к таким экстремальным условиям, какие могут возникнуть в самые ранние моменты Большого взрыва, или в глубине черных дыр, где решения становятся сингулярными. Концептуальные головоломки также возникают в квантовой теории малых черных дыр.

Можно было бы говорить о важном достижении и значительном прогрессе, если бы удалось выявить какое-либо конкретное наблюдаемое явление, несущее в себе характерные черты квантовой гравитации, – и, конечно, понаблюдать за ним. До сих пор, несмотря на повсеместное интенсивное внимание и перспективу славы и премий, это еще никому не удалось.

Важная функция фундаментального знания состоит в том, чтобы избавить нас от мыслей, которые, скорее всего, окажутся непродуктивными. Здесь я хотел бы упомянуть о трех потенциальных «технологиях», широко представленных в популярных СМИ, но не слишком хорошо стыкующихся с фундаментальной физикой. Конечно, сюрпризы всегда возможны, и природа – это высший авторитет. Но развитие событий в следующих направлениях потребует от нас отказаться от принципов, которые до сих пор нам очень хорошо служили.

• Передача информации со сверхсветовой скоростью противоречит специальной теории относительности. В экстремальных условиях, при наличии сильных гравитационных полей, пространство-время может деформироваться. Из-за этого возникает вероятность образования туннелей в пространстве («кротовых нор») между точками, которые иначе находятся невероятно далеко одна от другой. Но, как я буду размышлять ниже, использование «кротовых нор» выходит далеко за пределы возможностей любой достижимой технологии.

• Воздействие на большом расстоянии, о котором говорила, например, астрология, не является частью нашей стандартной модели. Не случайно это также не согласуется с накопленным наукой опытом. Стоит предпринять несколько обычных мер предосторожности, как даже невероятно тонкие эксперименты дают воспроизводимые результаты, независимые от внешнего мира.

• Ментальное воздействие, явным образом проявляющееся в экстрасенсорном восприятии, телекинез, ясновидение и так далее, оторванные от физического субстрата, являются объектами аналогичных толков. Для них в современной фундаментальной физике нет места. И даже после максимально тщательно проведенных исследований экспериментаторы не сочли нужным беспокоиться о том, что думают люди.

Перспективы

Можно ожидать, что скоро компьютеры сделают для ядерной физики, астрофизики, материаловедения и химии то, что уже сделали в области авиастроения, дополнив и в конечном счете заменив лабораторные эксперименты вычислениями.

Недавняя разработка КХД – нашей теории сильного взаимодействия – позволяет достаточно четко предвидеть грядущее. Первоначальная проверка теории производилась при помощи точного количественного описания процессов очень высоких энергий, где ее закономерности упрощаются. Но ядерная физика, требующая изучения, в первую очередь, сильных взаимодействий, оказалась крепким орешком. Для решения уравнений КХД аналитическими методами потребовалась значительная изобретательность, а наиболее успешным подходом на сегодняшний день стало представление фундаментальных уравнений в формате, с которым могут работать компьютеры с тем, чтобы дальше действовали они. Теперь мы можем предвидеть будущее, в котором ядерная физика достигнет того же уровня точности и универсальности, которого добилась сегодня атомная. Усовершенствованная ядерная «химия» может дать нам сверхплотные источники энергии – более компактные, более управляемые и более универсальные, чем современные реакторы (или бомбы).

При проектировании полезных катализаторов и препаратов расчет будет все чаще заменять эксперименты, что приведет к значительно большей эффективности и откроет новые возможности для творческих исследований.

Многие технологические проблемы напрямую связаны со свойствами материалов. Создание более производительных аккумуляторных батарей (источников энергии) может привести к революции в области робототехники; повышение эффективности работы фотоэлементов может облегчить переход на широкомасштабное использование солнечной энергии; сверхпроводники, сохраняющие свойства при комнатной температуре, могут облегчить движение железнодорожного транспорта; прочные материалы позволят построить космический лифт, способный дешево и надежно связать Землю с космосом. В каждой из этих – и многих других – важных областей относительно небольшие улучшения ключевых свойств материалов могут кардинально изменить основные правила функционирования объектов. Можно ли это сделать? Ответ скрыт в наших уравнениях, но, чтобы извлечь его, надо произвести вычисления.