Кончится ли физика?

Кончится ли физика?

Немного фантазии

Когда я говорю «кончится ли физика?», я имею в виду, закончатся ли исследования новых, неизученных областей этой науки, как это произошло, например, с географией. География «закончилась» в том смысле, что новых, неоткрытых материков, гор, рек, островов на Земном шаре не осталось. Конечно, есть ещё места на Земле, где не ступала нога человека, карты некоторых участков Земли, возможно, ещё недостаточно точны (хотя вряд ли — со спутников можно сделать карты с точностью порядка метра, и если это не сделано, то просто потому, что не было нужно или было запрещено). Наконец, человек меняет земную поверхность: строит плотины, проводит каналы, устраивает водохранилища, сооружает дороги и мосты, возводит города. Так что в смысле уточнения и внесения изменений в описание земной поверхности наука география существует и будет существовать. Но география закончилась в том смысле, что не будет уже никаких открытий такого масштаба, как это было в «эпоху великих открытий».

Я хочу обсудить такой же вопрос применительно к физике, т. е. закончится ли в физике эпоха великих открытий? Я буду главным образом говорить о физике микромира, как потому что я могу считать себя специалистом именно в этой области, так и потому, что основным направлением развития физики обычно считается изучение всё более мелких структур материи (хотя это последнее утверждение спорно — см. ниже).

Вопрос о том, закончится ли (или даже уже закончилась) физика, обсуждался ещё в конце XIX века. Некоторые, в том числе и весьма именитые физики, говорили тогда, что все законы физики уже открыты, и то, что остаётся, — это уточнение различных физических постоянных. С тех пор была открыта теория относительности, квантовая механика и многое, многое другое, и вопрос на время отпал. Подобные обсуждения, в которых участвовал и я, были и в 70-х годах, когда казалось, что вот-вот будет построена теория Великого Объединения, включающая в себя все взаимодействия, кроме гравитационного, затем удастся включить в неё гравитацию, и на этом физика закончится. Оказалось, что проблема значительно сложнее. Сейчас обсуждается много вариантов, как устроен мир на самых малых расстояниях: суперсимметричные теории, супергравитация, разные типы теорий суперструн, теории бран и т. д. Большинство из этих теорий предполагает, что физическое пространство на малых расстояниях многомерно: помимо обычного трёхмерного пространства существуют ещё другие пространства, замкнутые на малых расстояниях. В большинстве теорий все эти структуры проявляются только на чрезвычайно малых расстояниях, порядка планковской длины ~10^–33 см, в то время как сейчас исследованы расстояния до 5 ? 10^–17 см или, в энергетической шкале, до ~500 ГэВ. Таким образом, возникает впечатление, что вопрос о том, что физика закончится, в настоящее время не актуален: перед нами ещё длинный, длинный путь.

Я думаю, тем не менее, что физика элементарных частиц, т. е. исследование микроструктуры пространства, времени и материи скорее всего действительно закончится в обозримом будущем — в течение 15–20 лет. И причина будет лежать вне науки — грубо говоря, в отсутствии денег. Дело в том, что для экспериментальных исследований областей всё меньших расстояний нужно строить ускорители на всё большие энергии. Таков общий закон, вытекающий из принципа неопределённости ?r ~ С/?p: расстояниям 10^–20 см отвечает энергия 10³ ТэВ, а планковской длине 10^–33 см — энергия 10¹⁶ ТэВ. Сейчас строится ускоритель со встречными пучками протонов — коллайдер 7 ? 7 ТэВ в ЦЕРНе[21]. Ожидается, что с его помощью удастся проводить поиски частиц с массами до нескольких ТэВ, т. е. доходить до расстояний ~10^–17 — 5 ? 10^–18 см. Стоимость этого ускорителя ~5 млрд. долларов, длина кольца — 27 км. Вероятно, будет построен линейный е⁺е^–-коллайдер с энергией пучков 0,5–1 ТэВ; может быть, ещё мюонный и фотонный коллайдеры. На всех ускорителях, этих и других, которые не существуют даже в замыслах, вряд ли удастся исследовать расстояния меньшие 10^–18 — 10^–19 см, а о том, чтобы дойти до планковской длины, не может и речи. Здесь не поможет никакой прогресс в ускорительной технике[22].

Эксперимент на будущих ускорителях, по-видимому, выберет некоторые из моделей теорий на малых расстояниях, как предпочтительные, на расстояниях t 10^–18 см. Но всё равно останется достаточно произвола в выборе теорий, описывающих физику на меньших расстояниях, недоступных эксперименту. Крайне мало надежды на то, что чисто теоретически можно будет установить физическую теорию, которая, будучи проверенной экспериментально на расстояниях t 10^–18 см, была бы верна и при расстояниях ~10^–33 см и была бы единственной теорией, обладающей таким свойством, т. е. осуществить столь далекую экстраполяцию. (Умозрительное, не связанное с экспериментом, построение теории случилось один раз в истории физики — это создание общей теории относительности. Но и здесь оставалась неоднозначность: возможность введения космологической постоянной, которую, в отличие от будущих теорий частиц, можно было выяснить опытным путём.) Астрофизические данные не изменят ситуации. То, что измеряется в астрофизике, — глобальные, интегральные характеристики, далёкие последствия «большого взрыва». Они никак не смогут дать информацию о процессах, происходящих на малых расстояниях. (Если даже «большой взрыв» начинался с планковских масштабов.)

Наши потомки окажутся в ситуации, когда эксперимент не будет предсказывать выбор теории. Тем самым, с моей точки зрения, физика элементарных частиц закончится. Я напомню слова Фейнмана (цитирую не буквально): «Наука — это то, что может быть проверено экспериментом». (Фейнман добавлял: «С этой точки зрения математика не является наукой. Но не всё, что не является наукой, обязательно плохо — например, любовь не является наукой».) Конечно, теоретические построения моделей частиц и взаимодействий на малых расстояниях будут продолжаться очень долго, будет появляться большое число таких работ — ведь нельзя будет сказать, что какая-то из них неправильна, поскольку противоречит опыту. Но, я думаю (хотя не очень в этом уверен), что с течением времени число их будет уменьшаться, ибо интерес к такого рода деятельности будет слабеть.

У физики конденсированных сред, возможно, будет совсем иная судьба. Число различных объектов, которые изучает эта наука, определяется комбинаторикой, и может быть, в принципе, неограниченным. Создание гигантских установок здесь не нужно.

И, конечно, самое блестящее будущее ждёт физику живого.