Марсело Глейзер - Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки

Некоторые приборы и инструменты расширяют границы видимого нами мира, включая в него очень далекие и очень маленькие объекты. Они позволяют нам увидеть крошечные бактерии, электромагнитное излучение, субатомные частицы и взрывы звезд, находящихся в миллиардах световых лет от нас. Высокотехнологичные устройства помогают врачам видеть опухоли в наших мозгу и легких, а геологам – находить подземные месторождения нефти. Тем не менее любая технология наблюдения или измерения имеет ограниченные точность или охват. Весы показывают значения массы предмета с точностью до половины своего минимального деления. Если каждая засечка на весах обозначает одну унцию, то вам не удастся определить вес предмета с точностью больше половины унции. Абсолютно точных измерений не существует. Каждое измеренное значение указывается в существующих для него границах точности и с учетом «планки погрешностей», то есть масштаба допустимых ошибок. Точные измерения – это просто измерения с меньшей планкой погрешностей или высоким уровнем достоверности. Идеальные безошибочные измерения попросту невозможны.

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] Определение «минимальные частицы вещества, из которых состоит все сущее в мире» требует подробного объяснения, которое я приведу в части II. Мы должны задаться вопросом, могут ли ученые в принципе быть уверены, что они обнаружили «минимальную частицу вещества». Как вы увидите далее, этот вопрос напрямую связан с ограниченностью человеческого знания. В ускорителях частиц активно используется знаменитая формула Эйнштейна Е = mc 2. 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] Здесь следует провести аналогию с крупицей соли, так как апельсины, сталкивающиеся на обычных скоростях, сильно отличаются от частиц вещества, сталкивающихся на скорости, близкой к скорости света. Новые виды частиц возникают, когда энергия движения конвертируется в массу. Если разогнать апельсин до скорости света, то после столкновения нам останутся только капли сока, ошметки мякоти и лопнувшие косточки. Физики любят говорить, что сталкивать частицы для создания новых – все равно что сталкивать два теннисных мяча, чтобы получить в итоге целый «Боинг-747».

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] «Элементарный» в данном случае означает «неделимый», то есть «не состоящий из более мелких частей» (см. примечание 1). Эта цитата указывает на то, что, когда частицу называют элементарной, мы должны с осторожностью относиться к такому определению. Точнее было бы сказать, что, учитывая наше понимание свойств материи на данный момент, та или иная частица может считаться элементарной или не имеющей структуры. Ключевым в этом определении является выражение «на данный момент». 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».