Как физика изменит мир в ближайшие 100 лет

Еще сто лет назад Альберт Эйнштейн только-только опубликовал свою революционную и новую теорию гравитации, атомные ядра были полнейшей загадкой, а квантовая «теория» представляла собой вереницу домыслов. Сверхпроводимость, природа химической связи и источник энергии звезд сбивали с толку самых лучших физиков.

Постепенно тайное становилось явным: появилась космология Большого Взрыва, черные дыры, кварки, глюоны, триумф симметрии и ее нарушения, радио, телевидение, мазеры, лазеры, транзисторы, ядерный магнитный резонанс, взрыв микроэлектроники и телекоммуникаций и, конечно, ядерные бомбы. Мы прошли долгий путь. Можно с уверенностью сказать, что 100 лет назад никто даже близко не мог предвидеть, какой будет современная физика.

Сегодня у нас есть гораздо более глубокое понимание физического мира, которое (по мнению многих) обеспечивает более стабильную платформу для футурологических спекуляций. Если забросить физика из прошлого на 50 лет вперед, в наше время, многое он поймет очень скоро, а если на 25 лет, то еще быстрее. Возможно, думать сегодня о том, что будет через 100 лет, не так уж и глупо.

В любом случае думать о физике в долгосрочной перспективе — совсем не значит строить точные прогнозы, как в бизнес-плане. Это не реальная цель. Это скорее полезное упражнение для тренировки воображения. Оно приводит нас к вопросам, которые могут дать ценные плоды. Каковы слабые места в нашем текущем понимании и практиках? Каковы пределы роста технологий и возможностей? В каких местах два этих вопроса могут пересекаться?

Эти изыскания ведут нас в двух основных направлениях. Одно из них, в котором мы стремимся совершенствовать наше понимание основ, — это направление вглубь. Мы ищем скрытые связи между разными аспектами мира, которые кажутся разделенными: поверхностно разные силы — сила и вещество, материя и пространство-время, история и закон, информация и действия, разум и материя. Другое, в котором мы применяем наши знания, — это направление роста. Мы значительно расширим сенсориум человека. Мы разработаем саморемонтирующиеся, самособирающиеся и самовоспроизводящиеся машины, они продолжат развитие титанических компьютеров и инженерных проектов. Продвинутые числовые и квантовые симуляции, дополняющие понимание материи, произведут революции в химии, медицине и материаловедении — подтолкнув тем самым эпоху квантового интеллекта. Художники и ученые будут работать вместе, облекая красоту в новые богатые формы.

Часть первая: унификации

В прошлом многие из величайших достижений становились унификациями (объединениями) относительно разрозненных предметов. Декарт связал алгебру и геометрию. Галилей и Ньютон связали небесную механику и земную физику. Максвелл объединил электромагнетизм с оптикой. Эйнштейн и Герман Минковский объединили пространство и время.

Менее известным и более тонким, однако актуальным сегодня, является математическая унификация механики и оптики Уильяма Роуэна Гамильтона. В самом начале, в 1830-х годах, это было чисто эстетическим упражнением, не содержащим новой физики. Но через 50 лет идеи Гамильтона легли в основу статистической механики, а спустя 100 лет стали центральной частью квантовой теории.

В каждом из этих исторических объединений, а также в нескольких других, общее оказывалось больше суммы его частей. Унификация была плодотворной, успешной, необходимой. В этом свете Франк Вилчек, лауреат Нобелевской премии, описывает семь других видов унификации, которые, по его мнению, должны обогатить физику в течение следующего столетия.

Унификация I: силы

Представьте себе клочок бумаги, вырезанный таким вот образом. Взгляните ниже — он имеет 12 правильных пятиугольников, соединенных между собой. Очевидно, этот объект должен складываться в додекаэдр.

Предположим, некий злобный дух разделил части несобранного додекаэдра, чтобы сделать следующий загадочный объект.

Теперь распознать, каким он должен быть, стало сложнее. Большинство людей, которые не особо задумывались о додекаэдрах в последнее время, даже не поймут, что с этим делать. Но если вы вспомните о правильных телах и додекаэдрах, вы можете провести логическую цепочку: «У нас есть пятиугольники, они соединены определенным образом, а значит могут сложиться в додекаэдр, но кто-то разделил его части». Блестящая дедукция. Держите ее в уме.

Наша Центральная Теория — которую многие называют Стандартной моделью — включает сильные, слабые и электромагнитные силы и описывает огромное разнообразие фактов — жестких количественных реалий о физическом мире — в компактном наборе уравнений. Было бы трудно преувеличить точность, силу или красоту этого набора. Но физикам этого мало. Именно потому, что мы приближаемся к последнему слову природы, мы должны судить то, что видим, по самой высшей мере.

С этой позиции Центральная Теория заставляет нас быть лучше. Она содержит три математически похожих, но независимых взаимодействия: сильное (которое удерживает ядра вместе), слабое (которое отвечает за радиоактивный распад) и электромагнитное. Гравитация — четвертая сила, которая отличается от остальных; к ней мы еще вернемся. В нашем точном описании природы мы хотели бы видеть только одно правило, один фундаментальный принцип. Три (или четыре) больше одного, поэтому успеха мы пока не добились.

После того как мы организуем основные кварки и лептоны в группы — разделенные по разным силам — мы получим шесть отдельных групп, что намного больше, чем нам хотелось бы. Это как если бы мы столкнулись с частичной реализацией додекаэдра, с чем-то разделенным. Мы хотели бы собрать его целиком.

Математика возможной симметрии объектов в космосе дает нам всего пять различных платоновых тел: тетраэдр, куб, октаэдр, икосаэдр и додекаэдр. Это позволяет нам задуматься о том, что и додекаэдр является частью более общей системы. Можем ли мы сделать что-то подобное, чтобы найти скрытую симметрию в уравнениях фундаментальной физики?

Оказывается, можем. Есть не так много симметрий, которые отлично вписываются в Центральную Теорию, точно так же, как есть не так много платоновых тел. Мы можем попробовать все и посмотреть, как они вписываются в систему. После этого мы понимаем, что один кандидат отлично объединяет известные частицы и силы. Если мы расширим уравнения в его отношении, будет столько симметрии, что все известные силы могут быть преобразованы одна в другую, равно как и известные частицы. Получается, у нас есть всего одна сила и одно вещество. Чудесно!

Эти смелые идеи уже привели к успешным предсказаниям. Они свидетельствовали о существовании крошечных, но ненулевых масс нейтрино, после чего эти массы наблюдались экспериментально. Также они могут обеспечить количественное объяснение для относительных сил различных фундаментальных взаимодействий.

Это триединство успеха — объединение лоскутного узора частиц вещества, предсказание небольших, но ненулевых масс нейтрино и, условно, количественное объяснение относительных сил разных взаимодействий (сильного, слабого и электромагнитного) — очень впечатляет. Трудно поверить, что оно случайно.

Предложенная унификация сил, тем не менее, поднимает существенные проблемы. Наши теории унификации предсказывают события и частицы, которые еще не наблюдались.

И это хорошо. Это означает, что такие теории предполагают способы, которыми мы можем обогатить наше восприятие природы. Это также означает, что они имеют подлинное содержание — их можно «фальсифицировать». Мы можем искать эти неоткрытые частицы и события. Если они будут наблюдаемы, мы узнаем что-то новое о природе. (Если нет, мы узнаем что-то новое о самих себе, например, что мы очень ошибались). Для многих из нас это знакомая территория. Совсем недавно нейтрино, глюонные потоки, очарованные кварки и частицы Хиггса были невыполненными обещаниями самой Центральной Теории. Их открытие венчало триумф Теории.

Не хватает только распада протонов. Пока экспериментаторы не смогли это наблюдать, несмотря на героические усилия. Они будут стараться, очень. Теория объединения предполагает, что спустя 100 лет физики будут купаться в данных протонного распада и уточнять его самые тонкие моменты.

Унификация II: сила и вещество

Унификация сил, даже в идеальном воплощении, оставит нас с двумя большими царствами частиц. Технически это царства фермионов и бозонов. Поэтически мы можем назвать их царством вещества (фермионов) и царством сил (бозонов).

Постулируя, что фундаментальные уравнения обладают свойством суперсимметрии, мы исключаем разделение. Суперсимметрия постулирует глубокую симметрию между двумя этими царствами.

Математические преобразования суперсимметрии наиболее ярко описываются как движение в странных новых измерениях: квантовых измерениях суперпространства. Когда частица силы прыгает в суперпространство, она становится частицей вещества. И наоборот, когда частица вещества прыгает в суперпространство, она становится частицей силы. Хотя многие свойства вроде электрического и цветного заряда остаются нетронутыми после скачка, ее масса меняется. Поэтому у нас, к примеру, будет сильная (бозонная) версия электрона — селектрон; аналогично, скварки, фотино, глюино и так далее.

Можем ли мы заглянуть в это суперпространство и увидеть этих суперпартнеров? Экспериментаторы пытаются проделать это на Большом адронном коллайдере. Пока ни один гипотетический суперпартнер выявлен напрямую не был, но попытки их найти продолжаются. При этом имеются дразнящие косвенные проявления, связанные с унификацией сил. Мы можем суммировать их в паре знаковых изображений:

Объединение сил требует, чтобы базовая сила этих взаимодействий была равна. Как мы в настоящее время наблюдаем, этого нет. Возможно, это неравенство обусловлено низким разрешением наших зондов. В самой своей основе большинство основных сил размыты квантовыми флуктуациями — особенно колебаниями в квантовых жидкостях, которые создают и уничтожают частицы. Мы можем рассчитать эффекты таких флуктуаций. За работу такого плана я [Франк Вилчек] и получил Нобелевскую премию. Если мы примем во внимание известные частицы, мы обанружим, что они не ведут нас к точному объединению сил. Но если мы приплюсуем к размыванию их гипотетических суперпартнеров, силы объединятся идеально.

Гравитация тоже попадает в фокус. Поскольку она взаимодействует между элементарными частицами при обычных энергиях, гравитация абсурдно слабее других взаимодействий. Но гравитация напрямую отвечает за энергию, и мы находим, что если экстраполировать ее поведение до экстремальных энергий, где происходит объединение трех других сил, гравитация обладает сопоставимой силой.

Этот потрясающий успех, который отвечает двум нашим первым унификациям, не может быть случайным. В соответствии с этим, я думаю, что мы будем наблюдать суперсимметричных партнеров в течение 100 лет. Их изучение откроет новый золотой век для физики элементарных частиц.

Унификация III: пространство и материя

Приблизительное равенство силы гравитации с силой других взаимодействий является мощным аргументом в пользу того, что должна быть единая теория, объединяющая все четыре силы.

Теория струн может предложить фреймворк, в рамках которого может быть достигнута унификация четырех сил. В этом направлении было проделано ошеломляющее количество работы, но результаты до сих пор неубедительные. Будет разочарованием, если теория струн в ближайшие годы не найдет тесный контакт с реальностью, которую мы наблюдаем в своих экспериментах. Есть много возможностей, в том числе и намеки на дополнительные пространственные измерения, открытие каких-нибудь фундаментальных струн (оставшихся после Большого Взрыва или произведенных на ускорителях) или расчета известной, но загадочной величины в рамках Центральной Теории.

С большой долей уверенности мы можем ожидать «операционное» переплетение материи и пространства-времени. Астрономия гравитационных волн прячется буквально за углом.

Поскольку материи довольно трудно существенно искривить пространство-время, гравитационные волны, в общем, открывают окно к самым экстремальным и жестоким событиям во Вселенной. Детектор LIGO II очень скоро приступит к работе; он должен обладать достаточной чувствительностью, чтобы улавливать сигналы от нейтронных звезд и слияния черных дыр. Известные технологии будут поддерживать будущее поколение улучшенных детекторов гравитационных волн.

Я ожидаю, что гравитационные волны станут мощным и гибким инструментом для астрофизиков и космологов. Множество источников будет идентифицировано, а наше знание нейтронных звезд и черных дыр выйдет на новый уровень детализации.

Унификация IV: эволюция и происхождение

В настоящее время наши основные законы — это динамические законы. Они описывают, как с течением времени текущее состояние мира эволюционирует в другое. Их можно также, в принципе, экстраполировать назад во времени.

Такие процедуры прогнозирования и реконструкции могут стать нецелесообразными или невозможными по нескольким причинам. С одной стороны, мы не можем наблюдать все, что существует. Некоторые части Вселенной так далеки, что даже свет от них еще не добрался до нас, что ограничивает нашу точку зрения таким вот «горизонтом». Другой причиной являются ограничения квантовой механики: в своей основе волновую функцию нельзя исследовать, не нарушив ее. Наконец, небольшие неопределенности в начальных условиях растут со временем, усугубляя эти трудности. Поэтому, к примеру, сложно прогнозировать погоду.

Большая часть искусства физики (включая термодинамику и статистическую механику, не говоря уже о физических отраслях машиностроения) состоит в поиске путей обхода этих ограничений. Помимо недоступного и громоздкого описания полного состояния, процессу мешают развивающиеся понятия и объекты, которые развиваются порой непредсказуемым образом. С помощью компьютеров это искусство, несомненно, достигнет существенных успехов в следующие 100 лет. Но горизонты, квантовую неопределенность и чувствительность к небольшим изменениям в изначальных условиях нельзя будет ни уточнить, ни устранить.

Если отринуть практический аспект, напряженность между «божественным взглядом» на реальность, который воспринимает ее как целое, и «муравьиным взглядом» человеческого сознания, которое воспринимает реальность как последовательность событий во времени, остаются постоянной темой в натурфилософии.

Со времен Ньютона точка зрения муравья доминирует в фундаментальной физике. Мы делим описание мира на динамические законы, которые, как это ни парадоксально, живут вне времени, и изначальные условия, при которых эти законы действуют. Динамические законы не определяют, какие начальные условия описывают реальность.

Это разделение было чрезвычайно полезным и прагматично успешным. Но, с другой стороны, оно оставило нас далеко от полного научного понимания мира, каким мы его знаем. Высказывание «вещи являются такими, потому что они являются тем, чем и являются» порождает вопрос: а почему эти вещи являются такими, а не какими-то другими?

В свете теории относительности точка зрения с божественной позиции кажется более естественной. Мы исследуем пространство-время как единое целое, разные аспекты которого связаны с симметриями, которые неудобно выражать на фоне временных срезов. Герман Вейль очень точно отметил этот момент:

«Объективный мир просто существует, он не происходит. Только взгляд моего сознания, цепляющегося за спасательный круг моего тела, оживляет часть этого мира как плывущее в пространстве изображение, постоянно меняющееся со временем».

Я предсказываю, что через 100 лет видение Вейля — которое, по сути, восходит еще к древнегреческим философам Пармениду и Платону — будет полностью оправдано, так как фундаментальные законы больше не будут признавать произвольные начальные условия. «Что есть» и «что происходит» станут неразделимыми аспектами единой транстемпоральной реальности.

Унификация V: действие и информация

Информация играет все большую и большую роль в нашем описании мира. Многие из терминов, которые возникают естественным образом в обсуждении информации, имеют отчетливый физический характер. К примеру, мы часто говорим о плотности информации, о потоке информации. Абстрактное, на первый взгляд, понятие информации кажется не привязанным к конкретным аспектам физической реальности.

Вглядываясь глубже, мы находим, что есть далеко идущие аналогии между информацией и конкретной физической величиной, а именно (отрицательной) энтропией. Это уже отмечалось в оригинальной работе Клода Шеннона, где он представил современное техническое определение информации. В настоящее время многие обсуждения микрофизического происхождения энтропии — и основ статистической механики в целом — начинаются с обсуждений информации и незнания. Думаю, будет справедливым заметить, что унификация, связывающая физическую величину энтропии и концептуальное количество информации, уже произошла.

Энтропия, в свою очередь, имеет загадочные связи с основной величиной, действием, которую мы используем, чтобы сформулировать самые фундаментальные законы физики. Грубо говоря, действие — это то, что вы получаете от энтропии, когда позволяете времени стать мнимым числом. К сожалению, доказательства этой связи являются косвенными. Другими словами, мы пока не понимаем ее правильно.

Я подозреваю, что эта связь очень тесная, и в следующие сто лет станут основным принципом действия, а значит, и динамическим законом физики.

Унификация VI: разум и материя

Хотя многие детали остаются не выяснены, кажется, будет справедливым сказать, что метаболизм и размножение, две из наиболее характерных черт жизни, на молекулярном уровне широко понимаются как физические процессы. Фрэнсис Крик, один из открывателей структуры ДНК, выдвинул «удивительную гипотезу», что однажды будет возможно понимать базовую психологию, включая биологические когнитивные процессы, память, мотивацию, эмоции, на сопоставимом с физическим уровне.

Можно назвать это «сокращением» разума до материи. Но разум остается разумом, и его понимание едва ли упростится в случае сокращения до физического. Было бы интересно понять, как он работает, но до чего ж это сложно!

Как по мне, куда симпатичнее и целесообразнее рассматривать эту удивительную гипотезу как ожидание разнообразия граней поведения материи. Учитывая все невероятное, чему нас учит физика о материи, я уверен, у нас будет много работы.

Через 100 лет биологическая память, когнитивная обработка, мотивация, эмоции — все это будет понятно на молекулярном уровне. И если физика научится описывать материю в терминах информации, как мы обсуждали ранее, круг идей будет замкнут. Разум станет более материальным, а материя станет более подобной разуму.

Часть вторая: перспективы технологий

Сотворение вещей (микро)

Квантовая революция позволила нам, наконец, узнать, что такое материя. Центральная Теория завершает, с практической точки зрения, анализ материи. Используя его, мы можем делать выводы о том, какие виды атомных ядер, атомов, молекул — и звезд — существуют. Также мы можем надежно организовать поведение больших собраний подобных элементов, чтобы собирать транзисторы, лазеры, большие адронные коллайдеры. Уравнения Центральной Теории были испытаны с высокой точностью и при более экстремальных условиях, чем того требуют эксперименты в химии, биологии, инженерии или астрофизике. Хотя в ней, безусловно, есть масса вещей, которые мы не понимаем, мы понимаем материю, из которой состоим и с которой сталкиваемся в повседневной жизни — даже если мы химики, инженеры или астрофизики.

Существуют ли материалы, которые смогут поддерживать космические лифты? Существуют ли сверхпроводники, работающие при комнатной температуре? Сможем ли мы превзойти закон Мура? Эти химические вопросы, а также новые, смогут решить компьютеры, как они уже решили для конструкции самолетов: дополняя и в конечном счете вытесняя лабораторные эксперименты вычислениями. Вычисления, по сути, смогут заменить эксперименты с проектированием полезных материалов, катализаторов, лекарств, расширяя возможности и открывая новые просторы для творчества.

По мере того, как традиционная химия будет пресыщаться инновациями, граница контролируемой миниатюризации продвинется на много порядков вперед. В последние годы мы увидели зачатки первых принципов ядерной физики. Совсем недавно мы достигли важной вехи — разница масс нейтрона-протона была рассчитана с высокой точностью. Вычисление многих ядерных свойств достигнет погрешности <1%, что позволит точно моделировать сверхновые и нейтронные звезды. Физики научатся качественно управлять атомными ядрами, как научились манипулировать атомами. Это позволит создать сверхплотные хранилища энергии и высокоэнергетические лазеры.

Создание вещей (мезо)

Современные компьютеры по своей сути двумерны. Они основаны на чипах, которые должны производиться в условиях идеальной чистоты, так как любая ошибка может быть фатальной для их эксплуатации. Если их повредить, потеря функций будет необратимой.

Человеческий мозг отличается во всех отношениях: он трехмерный, производится в слабо контролируемых условиях, может работать с ошибками и повреждениями. Есть сильные стимулы для достижения этих возможностей в системах, которые будут наследовать плотность, скорость, масштабируемость полупроводниковых технологий, и нет очевидного барьера для этого. Таким образом, трехмерные, устойчивые и саморемонтирующиеся компьютеры будут разработаны в следующие 100 лет. В процессе проектирования этих функций мы также изучим много уроков по нейробиологии.

Аналогичным образом, мы можем задаться целью создать машины по образу и подобию человеческого тела и компьютеры с мозгами людей. Мы будем стремиться к созданию самособирающихся, самовоспроизводящихся и автономных творческих машин. Их конструкция будет наследовать идеи как технического, так и биологического мира.

Создание вещей (макро)

Сочетая эти идеи, мы придем к надстроечной инженерии: машины будут создавать другие сложные машины из сырья при минимальном надзоре человека. Эта стратегия позволит поддерживать экспоненциально амбициозные проекты вроде преобразования обширных пустынь в гигантские компьютеры (как вообразил Олаф Стейплдон) и гигантских сборщиков энергии (как представил Фримен Дайсон).

Также Фримен Дайсон представил «сферы Дайсона», которые собирают большую часть энергии звезды в окружающую ее оболочку или облако сборщиков, чтобы ее потом использовала продвинутая технологическая цивилизация. Хотя перспективы их создания слишком туманны, использование значительной части солнечной энергии на Земле может стать необходимостью для человеческой цивилизации, если мы захотим отойти от углеродного топлива.

К счастью, кажется вполне возможным, что через 100 лет мы научимся направлять значительную часть окружающей энергии солнца на наши собственные цели.

Дополненные органы чувств

Органы чувств людей далеко не совершенны. Рассмотрим, к примеру, цветовое зрение.

В то время как электромагнитные сигналы, поступающие в наши глаза, содержат непрерывный диапазон частот, а также поляризацию, то, что мы воспринимаем как «цвет», является грубым кодом, в котором сила спектра ужимается до трех пунктов, а поляризация игнорируется. Если сравнить это с нашим восприятием звука, где мы можем точно анализировать частоты и различать тоны в пределах аккорда, восприятие цвета будет бедным. Кроме того, мы нечувствительны к частотам за пределами видимого спектра, включая ультрафиолетовые и инфракрасные. Многие животные видят гораздо лучше. Есть масса полезной информации о нашем окружении — не говоря уж о возможностях для визуализации данных и искусства — которая станет доступной, расширь мы спектр восприятия цветов.

Современная микроэлектроника предлагает любопытные возможности для доступа к этой информации. Используя соответствующие преобразования, мы можем закодировать ее в наших существующих каналах в виде своего рода индуцированной синестезии. Мы можем значительно расширить человеческий сенсориум, открыв двери восприятия.

Физики часто — и справедливо — любуются красотой своих концепций и уравнений. С другой стороны, люди — в большей степени визуальные существа. Будет плодотворно и весело использовать современные ресурсы обработки сигналов и компьютерные возможности для перевода этих прекрасных концепций и уравнений физики в новые формы искусства. Физики смогут демонстрировать красоту уравнений широкой публике, а люди смогут наслаждаться ею тоже. В будущем художники и ученые будут работать вместе, создавая новые шедевры чрезвычайной красоты.

Квантовые чувства, квантовое сознание

Квантовая механика указывает нам в направлении невидимых богатств. Возможно, самый интересный квантовый эффект — это запутанность. Но запутанность весьма деликатный процесс, который сложно наблюдать, поэтому наше исследование этой центральной функции квантового пространства только начинается. Будут открыты новые источники для наблюдений, новые состояния материи. Измерение запутанности, использование запутанности — все это станет крупными ветвями физики.

Квантовые вычисления требуют тщательного управления запутанностью, а диагностика квантовых вычислений будет полагаться на методы измерения запутанности. Квантовые компьютеры, поддерживающие тысячи кубитов, станут реальными и полезными.

Искусственный интеллект предложит новые и странные возможности для жизни и разума. Личность, способная точно записывать свое состояние, может целенаправленно ввести циклы, чтобы пережить приятные эпизоды жизни снова, к примеру. Квантовый разум позволит переживать суперпозицию «взаимно противоречивых» состояний либо исследовать различные сценарии параллельно. Основываясь на обратимых вычислениях, такой разум сможет мысленно возвращаться в прошлое и перемножать прошлое и настоящее.

Кто знает, возможно, квантовое сознание поможет нам понять квантовую механику.

По материалам achieversdaily.com

hi-news

Опубликовано на сайте: 2015-08-30