Загадки физики, на которые мы все еще пытаемся найти ответы

На сегодняшний день есть несколько важных загадок, которые физике еще только предстоит разгадать. Люди всегда хотели летать, и это всегда казалось невозможным. У древних греков есть миф о Дедале и Икаре, которые сделали крылья из перьев и воска и улетели из заточения. Но это всего лишь миф. Примерно пятьсот лет назад Леонардо да Винчи сконструировал несколько аппаратов из дерева, в которых, как он надеялся, можно будет летать! Но ничего не вышло. Сперва нужно было решить какую-то физическую проблему.

Так было до тех пор, пока голландский математик Даниил Бернулли через двести лет после Леонардо не решил проблему того, как должно работать крыло — принцип Бернулли о разнице давления воздуха между изогнутой верхней частью и прямой нижней частью крыла. Теперь люди наконец-то овладели знаниями о том, как летать. Однако братьям Райт потребовалось еще почти двести лет после Бернулли, чтобы в тысяча девятьсот третьем году построить первый самолет с мотором. И прежде чем отправиться к звездам, нам нужно решить несколько сверхсложных физических задач.

Сейчас невозможно совершить межзвездное путешествие, отправившись на ракетном корабле, который приводится в движение химическим сжиганием. Есть две причины, по которым пытаться полететь к звездам на ракетном корабле так же безумно, как пытаться вплавь пересечь Тихий океан. Во-первых, это очень большие расстояния, а во-вторых, наши ракеты слишком медленные. Даже скорость света слишком мала! Свету нужно около четырех лет, чтобы добраться до ближайшей к Солнцу звезды. Современному кораблю потребовались бы десятки тысяч лет, чтобы достичь Альфы или Беты Центавра. Это явно не вариант. Перед нами стоит несколько серьезных проблем, но для науки нет ничего невозможного!

Для начала нужно разгадать тайну самого космоса. Вопрос «что такое космос» — это пока самая большая загадка в физике. Вопрос кажется простым, но даже простые вопросы очень важны! Это из серии «Что у нас сегодня на ужин?» За последние сто лет был достигнут прогресс в понимании того, что же такое космос, или пространство. Альберт Эйнштейн показал в своей Специальной теории относительности в тысяча девятьсот пятом году, что космос — это не просто пространство, это еще и время. Эйнштейн показал, что пространство и время — это одно и то же. Вы здесь-сейчас, и я здесь-сейчас в «относительно» другом пространстве/времени.

Математик Герман Минковский, профессор математики Эйнштейна в Цюрихе, придумал знаменитый термин «пространственно-временной континуум». Так что теперь больше нет просто пространства и просто космоса! Сейчас это «пространство-время», и они связаны в «континуум». Пространство и время теперь представляют собой четырехмерную сущность — «пространство Минковского», которое может быть представлено геометрически в виде «светового конуса». Пусть Здесь-и-Сейчас в центре конуса будет Млечный Путь. Прошлое — это единственное, что мы можем видеть. Мы видим вещи такими, какими они были, и только тогда, когда они посылали нам свет. Но по мере того, как мы продвигаемся в будущее, наш горизонт света расширяется и мы можем видеть больше.

Что находится за пределами светового конуса? Мы не знаем. Но там может быть много чего! Мы только начали входить в дверь, и когда-нибудь мы ее откроем! Через десять лет после публикации Специальной теории относительности Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности, в которой показал, что «пространство-время» искажается при гравитации. Это стало шагом вперед. Гравитация как сила вдруг исчезла! Появилось «гравитационное поле», которое искажается в присутствии массы. Если пространство-время может искажаться в присутствии массы, может ли пространство-время «сломаться»? И если это так, что же находится с той стороны? Вот так черные дыры вдруг стали второй важной задачей, которую нужно решить!

Изучение черных дыр — а термин «черная дыра» в тысяча девятьсот шестьдесят седьмом году ввел Джон Уилер, бывший сотрудник Эйнштейна в Принстоне, Институте перспективных исследований Нью-Джерси, — на повестке дня у современных физиков, потому что черные дыры, похоже, разрывают пространство-время и открывают пятое измерение. А если есть пять измерений, то их может быть и больше! Черные дыры встречаются в центрах галактик, где вращающийся газ и свет ускоряются гравитацией до скоростей, превышающих скорость света. Так как ничто не может двигаться быстрее скорости света, могут ли черные дыры привести к другим Вселенным? Для изучения черных дыр нам не нужно лететь в центр Млечного Пути. Это можно прекрасно делать и на Земле!

В Европе есть Большой адронный коллайдер, который представляет собой круглую подземную лабораторию длиной двадцать семь километров. Он нужен для исследования субатомного пространства-времени и частиц, которые его населяют. Большой адронный коллайдер — самая большая машина из всех, что когда-либо строились. Как он работает? Он сталкивает протоны и другие частицы, которые можно ускорить километрами подземных электромагнитов. После их мощного ускорения почти до скорости света эти частицы сталкиваются с тяжелыми атомными ядрами — например такими, как золото. Затем бомбардируемые ядра распадаются на более мелкие элементарные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны: кварки всех видов, «цветов» и «ароматов». Не хватает лишь кварков со вкусом шоколада!

Квантовая физика — это изучение материи и энергии на этих самых фундаментальных уровнях. Недавно коллайдер начали модернизировать. Он станет мощнее настолько, что можно будет наблюдать образование черных дыр во время этих столкновений на квантовом уровне. Эти черные дыры будут крошечными, размером с квант. Скорее всего, они будут существовать лишь долю секунды до рассеивания. Ученые из ЦЕРНа в Швейцарии уверяют, что черные дыры, которые они создают, не провалятся сквозь пол, не направятся к центру Земли и не начнут ее поглощать. Это обнадеживает.

Модернизация коллайдера будет завершена с две тысячи двадцать пятого по две тысячи двадцать седьмой год. Нужно уже выяснить, что такое пространство-время, иначе мы застрянем на нашей маленькой планете, так и не исследовав Вселенную. Время тоже является частью тайны пространства. Ведь всё это называется «пространство-время». Тайну времени разгадать было непросто. Однако тут есть впечатляющий прогресс. Однажды, как гласит история, Альберт Эйнштейн читал лекцию о скорости света. В его знаменитой формуле «Е равно эм цэ в квадрате» «цэ» означает «константа», потому что скорость света является универсальной константой пространства. Студент поднял руку и спросил Эйнштейна: «Но разве свет не проходит медленнее через стакан воды?» Эйнштейн понял, что всегда сосредотачивался на том, как быстро движется свет, но никогда всерьез не задумывался о том, как медленно он может двигаться.

Вместе со своим коллегой, математиком Шатьендранатом Бозе, в начале тысяча девятьсот двадцатых годов он подсчитал, какая плотность полупрозрачного материала нужна для остановки света. Этот материал стал известен как конденсат Бозе — Эйнштейна. Никто не верил, что его можно создать в лаборатории, пока это не было сделано в тысяча девятьсот девяностых годах! Доктор Лене Вестергаард Хау из Гарварда создала его путем переохлаждения атомов газообразного натрия до миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля. Это самое холодное, что только может быть. При такой температуре атомы натриевого облака соединяются и начинают действовать как один большой атом. В этом конденсате пространство-время принимает совершенно новую форму, которую раньше никто и никогда не видел.

Наконец-то благодаря использованию квантовой технологии наука получила доступ к фундаментальной структуре пространства-времени. Внутри конденсата свет остановился. Время остановилось! И физические атомы могли мгновенно телепортироваться в другие места. Все эти прорывы еще находятся на лабораторных стадиях. А значит, физика должна как-то решить, как вывести эти теоретические и технические достижения из лаборатории в реальный мир. И главная проблема — это энергия.

Пока у нас нет достаточно мощного, безопасного или удобного источника энергии, чтобы реализовать создание, производство и распространение передовых квантовых технологий, необходимых для воплощения в жизнь всех этих удивительных вещей, включая и межзвездные путешествия. Но у природы есть энергия, которая нам нужна. Звезды! Сила, которая связывает ядра атомов вместе, называется «сильное взаимодействие». Это источник энергии во Вселенной. Звезды высвобождают эту энергию, когда из-за огромной внутренней гравитации они взрывают атомы водорода. Это называется ядерным синтезом. У нас пока нет термоядерного реактора, который мог бы это сделать. Конечно, есть водородная бомба, которая высвобождает эту силу при взрыве атомных ядер. Но водородная бомба — не самый удобный источник энергии.

В развитых странах много ядерных реакторов, которые вырабатывают электроэнергию за счет сильного взаимодействия, расщепляя ядра больших нестабильных атомов радиоактивного плутония. Эти ядерные реакторы не совсем безопасны, поэтому их планируют вывести из эксплуатации. Гонка за созданием работающего термоядерного реактора сталкивается со многими техническими и экономическими препятствиями. Реактор ИТЭР, который сейчас строят на юге Франции, — это международный проект, в котором используется конструкция «Токамак» для магнитного удержания плазмы в форме пончика. В проекте участвует консорциум из тридцати пяти стран, и они работают над ним уже тридцать пять лет!

Около тридцати других проектов термоядерных реакторов разных конструкций также строятся в нескольких странах, но ни один из них пока не обеспечивает ни устойчивой реакции, ни чистой выработки энергии. Как долго еще миру придется ждать термоядерную энергию? Кто знает...