Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

В 2005 г., путешествуя на борту парусного лайнера Sea Cloud, совершавшего круиз по Эгейскому морю, как-то вечером я обсуждал с капитаном корабля вопросы навигации. Он показал мне, как пользоваться секстантом и хронометром для определения координат в море. Измеряя секстантом угол между горизонтом и положением определенной звезды в известный, благодаря хронометру, момент времени, можно определить, что ваше судно должно находиться где-то на заданной кривой на карте Земли. Проведя измерение с другой звездой, можно получить еще одну кривую, точка пересечения которой с первой кривой и укажет ваше местоположение. Если повторить процедуру c третьей звездой, можно проверить, не совершили ли вы ошибку: третья кривая должна пересечь первые две в той же точке. Продемонстрировав все это, мой друг капитан посетовал, что молодые офицеры торгового флота уже не умеют определять свое местоположение с помощью хронометра и секстанта. Из-за появления спутниковых систем глобального позиционирования навигация по звездам стала ненужной.

У астрономии осталось одно полезное назначение: она сохранила ключевую роль в нашем познании законов природы. Как я упоминал, именно задача о движении планет привела Ньютона к открытию законов движения и закона всемирного тяготения. Тот факт, что атомы поглощают и излучают свет только определенных длин волн, был обнаружен в начале XIX в. в результате изучения спектра Солнца, а впоследствии, уже в XX в., это открытие привело к развитию квантовой механики. Кроме того, в XIX в. эти наблюдения за Солнцем позволили открыть новые, прежде неизвестные, химические элементы, например гелий. В начале XX в. общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) была проверена на астрономических объектах — сначала на основе сравнения теоретических расчетов с наблюдаемым движением планеты Меркурий, а затем благодаря успешному предсказанию отклонения света звезд гравитационным полем Солнца.

После экспериментального подтверждения ОТО источник данных, обеспечивающий прогресс фундаментальной физики, на некоторое время сместился из области астрономии сначала в область атомной физики, а затем, в 1930-х гг., в область ядерной физики и физики элементарных частиц. Однако прогресс в физике частиц замедлился после создания в 1960–1970-х гг. Стандартной модели элементарных частиц, которая обобщала все имеющиеся на тот момент данные об их поведении. Единственное открытие, сделанное за последние годы в этой области, которое выходит за рамки Стандартной модели, — определение мизерных масс различных типов нейтрино, и это открытие имеет некоторое отношение к астрономии, поскольку исследовались нейтрино, испускаемые Солнцем.

Между тем сегодня мы живем в золотой век космологии, как бы банально это ни звучало. Астрономические наблюдения и космологическая теория подкрепляют друг друга, и сегодня мы с полной уверенностью можем сказать, что Вселенная в своей текущей фазе расширения существует 13,73 млрд лет с ошибкой, не превышающей 0,16 млрд лет. Эти исследования показали, что только 4,5 % всей энергии Вселенной приходится на обычное вещество — электроны и атомные ядра. Примерно 23 % всей энергии запасено в массе темной материи — частиц, которые не взаимодействуют с обычным веществом или излучением и о существовании которых мы можем судить только по воздействию создаваемых ими гравитационных сил на вещество и свет. Большая часть энергетического баланса Вселенной — около 72 % — это темная энергия, которая запасена не в форме массы частиц какого-либо типа, а в самом пространстве, и именно она ускоряет расширение Вселенной. Объяснение темной энергии сегодня является сложнейшей задачей физики элементарных частиц.

Несмотря на эти перспективы, и астрономии, и физике частиц все тяжелее бороться за государственную поддержку. В 1993 г. конгресс США отменил программу строительства ускорителя — Сверхпроводящего суперколлайдера (Superconducting Super Collider, SSC). В этом ускорителе можно было бы получить новые частицы с массами в более широком диапазоне значений, в том числе, возможно, и частицы темной материи. Европейский консорциум CERN подхватил эту задачу, но его новый ускоритель — Большой адронный коллайдер (БАК) — сможет работать с частицами, диапазон значений масс которых втрое уже, чем тот, которого можно было бы достичь на SSC, а финансирование строительства следующего после БАК ускорителя становится все менее вероятным. Что касается астрономической науки, то здесь NASA урезало программы Beyond Einstein и Explorer — главные программы астрономических исследований, вроде тех, что обеспечили огромный прогресс последних лет в космологии.