Жизнь, Вселенная и Вообще: 42 фундаментальных вопроса. Часть вторая
В знаменитом произведении Дугласа Адамса число 42 было ответом на Самый Главный Вопрос Жизни, Вселенной и Вообще без указания, как именно им воспользоваться. Например, число 42 может указывать на число фундаментальных физических вопросов, на которые необходимо ответить человечеству, чтобы наконец раскрыть все тайны мироздания. Во второй части обозначаем еще более глубинные вопросы.
Глубинные вопросы
25. Дополнительные измерения, геометрия и топология «внешнего» пространства
Со времен оригинальных работ Калуцы и Клейна ученых интересует идея существования дополнительных пространственных измерений помимо наблюдаемых трех.
Несмотря на фактическую ненаблюдаемость «внешнего» по отношению к нам пространства, во многих моделях его свойства могут влиять на физические законы.
Можно сказать, что данный вопрос содержит две проблемы – существуют ли дополнительные измерения, и, если да, то какова их структура?
26. Жизнеспособность идеи Мультиверса и антропный принцип
Фундаментальные константы во Вселенной подогнаны весьма тонким образом – ровно настолько, чтобы могли образовываться ядра и атомы. Настолько, чтобы формировались планеты, а звезды, и в частности, Солнце, не выгорали слишком быстро. Словно кто-то «подкрутил» их значения, выбрал из огромного диапазона именно те, которые обеспечивают существование жизни.
Сильный антропный принцип гласит, что Вселенная имеет такие характеристики, чтобы на каком-то этапе развития в ней обязательно сформировался наблюдатель. Он неразрывно связан с идеей Мультиверса, согласно которой существует огромное, фактически бесконечное число различных Вселенных, каждая из которых характеризуется своим набором фундаментальных постоянных. Согласно теории вероятностей, в одной – или в нескольких – вполне могли сформироваться условия для возникновения жизни.
Но включить умозрительную концепцию Мультиверса и антропный принцип в какую-либо физическую теорию пока что не удается
27. Геометрия и топология пространства-времени
Теория предсказывает существование различных топологических дефектов в пространстве-времени, структур, разделяющих области Вселенной с принципиально различными свойствами. К ним относятся магнитные монополи, космические струны и доменные стенки. Общая теория относительности предсказывает, например, существование кротовых нор Эйнштейна-Розена.
Ученые ведут поиски топологических дефектов при помощи данных об интенсивности микроволнового реликтового излучения.
Также однозначно неизвестно, могут ли существовать замкнутые времениподобные кривые, которые позволили бы совершать путешествия во времени.
28. Судьба Вселенной
Мы знаем, что в настоящее время Вселенная расширяется с ускорением. Но у природы может быть еще множество сюрпризов – таких же, как открытие темной энергии – и курс дальнейшего развития Мира неизвестен.
Помимо самого простого варианта, что Вселенная просто продолжит расширяться, есть и другие предположения: теория «big rip», которая приведет к полному «разрыву» всего вещества в будущем, циклические модели а также теории дополнительных пространственных измерений, предсказывающие совершенно иные результаты.
29. Как возникло пространство-время, почему измерений именно четыре и почему временная координата отличается от пространственных?
Ученые делали попытки «получить» пространство-время из какой-то более фундаментальной системы, например, в теории струн, но не смогли до сих пор создать непротиворечивое описание такого процесса. Меж тем, всех действительно удовлетворила бы теория, которая объясняет существование пространства, не привлекая антропный принцип.
Время оказывается обособленным от остальных составляющих пространства – ему нужна одна координата, и оно может только увеличиваться, «течет» лишь в одну сторону. Возможно сформулировать модель с более чем одной временной осью, а значит, мы обязаны ответить на вопрос, почему пространство-время устроено именно таким образом.
30. Происхождение Лоренц-инвариантности
Современные теории, описывающие известные нам взаимодействия, обязательно являются Лоренц-инвариантными, то есть свойства описываемых явлений не меняются при переходе из одной инерциальной системы в другую. Но никто не может объяснить, откуда, собственно, берется такое свойство нашего пространства или моделей, корректно описывающих его особенности.
31. Происхождение калибровочных полей и их взаимодействие с веществом
В Стандартной модели все силы описываются калибровочными полями, математическими структурами, обладающими определенными симметриями. По-настоящему фундаментальная теория, однако, должна объяснить, почему Природа выбрала именно такой способ «введения» сил, а также почему материя взаимодействует с полями минимальным и весьма простым с математической точки зрения способом
32. Происхождение и интерпретация квантовой механики и квантовых полей
Теория, которая придет на смену Стандартной модели, должна получать квантовую механику и квантовые поля из более общих принципов – объяснить, почему Вселенная, в которой мы живем, состоит именно из таких полей и откуда они возникают.
Не меньше будоражит умы физиков и вопрос интерпретации квантовой механики, на который до сих пор нет однозначного ответа, несмотря на бесчисленное количество написанных трудов. Вероятностная природа квантовой механики, корпускулярно-волновой дуализм – лишь некоторые из аспектов, которые требуют более серьезного изучения.
33. Математическая согласованность
Любая модель, претендующая на достоверность, должна удовлетворять ряду чисто математических критериев, помимо простого согласия с экспериментальными результатами. Но даже в случае простых квантовых теорий в четырехмерном пространстве-времени отсутствует строгое доказательство математической непротиворечивости.
34. Связь между физическим формализмом и реальностью, в которой существует человек
Стивену Хокингу принадлежит фраза «Что именно наделяет огнем уравнения …». Она исключительно точно показывает точку зрения математического физика, но ее можно повернуть обратным образом и начать с природы. Мы далеки от понимания ее основных принципов и должны понимать, что созданные методы так же относятся к самой природе, как карта относится к местности, которую пытается описать.
Можно лишь надеяться, что наиболее фундаментальная теория откроет истинную суть реальности, которая нам открыта лишь в одном аспекте – через органы чувств и опыт сознания.
Потенциальные открытия в науке и технологии
35. Возможные прорывы в теоретических, вычислительных и экспериментальных методиках
Способы, которыми человек может изучать окружающий мир, далеко не совершенны. И возможность качественных «обновлений» есть во всех из них.
Теоретики могут обойти существующие методы, работающие на приближении малых возмущений, в которых за основу берется простая и понятная конфигурация системы, а затем некоторые ее параметры слегка изменяются. Новая задача оказывается близка к предыдущей и разрешима – но такой подход крайне ограничивает предсказательные возможности моделей.
Сложные компьютерные вычисления очень быстро стали «третьей ногой» современной физики, будь то интерпретация результатов работы Большого адронного коллайдера или моделирование эволюции нейтронной звезды. И чем более сложные системы ученые научатся воссоздавать в компьютерном пространстве – тем больше открытий ждет нас в будущем.
Экспериментальные разработки также не стоят на месте – на смену упомянутому выше Большому адронному коллайдеру уже предложены новые, более мощные ускорительные эксперименты. Ученые постоянно работают над увеличением интенсивности пучков и сдвигают предел максимальной энергии разгона частиц, а значит, и потенциальную возможность обнаружения новых, доселе неизвестных явлений и частиц.
36. Абсолютные пределы химии и прикладной физики
Человечество умеет создавать огромное количество различных веществ, не встречающихся в природе. Похоже, нет предела сложности химический систем, которые мы можем синтезировать для применения в будущем. Не менее богаты в данном контексте такие области, как физика конденсированного состояния вещества и квантовая оптика. Если экстраполировать открытия последних двухсот лет на следующий миллион или миллиард лет, какие технологии смогут полностью изменить жизнь наших потомков?
Жизнь
37. Что есть жизнь?
В 1944 году Эрвин Шредингер написал в одной из своих работ: «От наших предшественников мы унаследовали истинное стремление к объединяющему и всеобъемлющему знанию». Возможно, именно этим вызван интерес физиков к области науки, которая на первый взгляд не имеет к ним никакого отношения.
Какие формы жизни могут быть основаны на экзотических биохимический структурах, возможно без использования ДНК как основополагающей структуры и не на основе углерода, а другого химического элемента? Неизвестные в настоящее время принципы могли привести к образованию новых форм жизни на экзопланетах, или даже в другой Вселенной в рамках концепции Мультиверса.
38. Как возникла жизнь на Земле?
Существуют различные теории возникновения жизни на Земле, но к настоящему моменту ни одна не является полностью доказанной. Возможно, один из наиболее важных вопросов – жизнь полностью сформировалась в земных условиях из органических молекул или наоборот, деградировала до примитивных форм после появления где-то еще.
39. Насколько распространена жизнь, и какова ее дальнейшая судьба?
В течение последних двадцати лет были открыты тысячи экзопланет, и некоторые из них обладают условиями, благоприятными для развития жизни. Разумно предположить, что, учитывая реальное количество галактик во Вселенной, жизнь должна быть довольно распространена, вне зависимости от выбора конкретного сценария из описанных в предыдущем вопросе.
Можно предлагать различные гипотезы, включая возможность того, что супер-разумные существа просто избегают контактов с более примитивными цивилизациями или просто-напросто уничтожают себя, изобретая разрушительные технологии. А может быть, для развития жизни необходимо сочетание множества благоприятных факторов, и уничтожить ее на любом этапе очень просто.
Обратимся к нашему будущему. Человечество, судя по всему, рано или поздно придет к возможности генетического контроля. Ведутся жаркие споры, каким образом стоит использовать подобные технологии. И в далекой перспективе имеется множество вопросов относительно того, какое наследие мы оставим после себя.
40. Как природа решает на первый взгляд бесконечно сложные задачи?
Воистину является загадкой, как живые организмы совершают подвиги, из-за своей сложности недоступные для моделирования на современных компьютерах. К ним можно отнести сворачивание белков, когда протеиновая цепочка образует замысловатые структуры, функционально пригодные для дальнейшего использования. Другой пример относится к морфогенезу – каким образом одна-единственная клетка начинает деление, в результате которого образуются отдельные структуры, например, глаза, сердце, мозг и другие органы?
41. Можем ли мы понять и лечить болезни?
Развитие любого организма определяется огромным числом факторов, о некоторых из которых мы можем даже и не догадываться. Более того, нет двух одинаковых человеческих тел – в таком случае, до каких пределов возможно изучить причины болезней, как их предотвращать и лечить?
42. Что есть сознание?
Мы взаимодействуем с реальностью только через собственный опыт, который наука объясняет нейронной структурой мозга и изучает при помощи методов нейронаук. Были открыты различные психические процессы, которые протекают в конкретных областях «серого вещества», но какой именно процесс объясняет наличие разума – неизвестно. Сконцентрировано ли сознание в конкретной области мозга, или наоборот, распространено во всем объеме?
Комментарии