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

Всемирный фестиваль науки — это популярный научный слет, основанный Брайаном Грином и Трейси Дей. Каждую весну жители Нью-Йорка могут принять участие в фестивальных панельных дискуссиях или послушать краткие научно-популярные лекции. В 2011 г. организаторы фестиваля решили запустить серию ежегодных научных лекций под общим названием «На плечах гигантов». Мне предложили прочитать первую приветственную лекцию в этой серии. Я согласился, поскольку хотел обсудить вопрос, тревоживший меня некоторое время, а именно ухудшающиеся перспективы государственной поддержки большой науки, например крупных проектов в области экспериментальной физики и астрономических наблюдений. Мое выступление на Всемирном фестивале науки состоялось 4 июня 2011 г., а 9 января 2012 г. эту же лекцию я прочитал на пленарном заседании Американского астрономического сообщества в Остине. В конце выступления я взял на себя смелость выйти за рамки политики в области науки и призвал повысить расходы на все самые разные общественные нужды.

Статья, в основу которой легла та моя лекция, была опубликована в журнале The New York Review of Books 10 мая 2012 г., а позже ее поместили в сборник «Лучшие тексты Америки о науке и природе» (The Best American Science and Nature Writing / New York: HarperCollins, 2012). В New York Review

прекрасно проиллюстрировали контраст между современной большой фундаментальной наукой и научными исследованиями прошлого фотографией, на которой был запечатлен огромный котлован, вырытый для Сверхпроводящего суперколлайдера (этот проект позже был закрыт), и фотографией Эрнеста Резерфорда, держащего в своих руках прибор, с помощью которого ему впервые удалось осуществить распад атомного ядра.

В прошлом году физическое сообщество отмечало столетнюю годовщину открытия атомного ядра. В экспериментах, поставленных в лаборатории Эрнеста Резерфорда в Манчестере в 1911 г., пучок заряженных частиц, испускаемых в результате радиоактивного распада радия, был направлен на тонкую золотую фольгу. В те времена было принято считать, что в атоме, как в пудинге, почти вся масса равномерно распределена по объему. В таком случае тяжелые заряженные частицы от распада радия должны были бы проходить через золотую фольгу с очень незначительным отклонением. К удивлению Резерфорда, некоторые из этих частиц отскакивали от фольги почти в обратном направлении, и это показывало, что они были отражены чем-то маленьким и тяжелым, находящимся внутри атомов золота. Резерфорд заключил, что это были атомные ядра, вокруг которых, почти как планеты вокруг Солнца, вращаются электроны.

Это было великое научное открытие, но его вряд ли можно назвать большой наукой. Экспериментальная группа Резерфорда состояла из одного аспиранта и одного научного сотрудника. В поддержку своей работы они получили грант Лондонского королевского общества в размере всего £70. Самым дорогим элементом экспериментальной установки был радий, однако Резерфорду даже не пришлось за него платить — радий одолжила Австрийская академия наук.

Вскоре ядерная физика стала масштабнее. Заряженные частицы, которые в эксперименте Резерфорда испускал радий, не обладали достаточной энергией, чтобы преодолеть силу электрического отталкивания ядер золота и проникнуть в сами ядра. Чтобы пробраться внутрь ядер и выяснить, что они из себя представляют, в 1930-е гг. физиками были изобретены циклотроны и другие устройства, разгоняющие заряженные частицы до высоких энергий. Ныне покойный Морис Гольдхабер, возглавлявший когда-то Брукхейвенскую национальную лабораторию, вспоминал: «Первым, кто сумел развалить ядро, был Резерфорд. Есть его фотография, где он держит экспериментальный прибор на коленях. Я теперь всегда вспоминаю недавнюю фотографию, на которой изображен один из знаменитых циклотронов, построенный в Беркли, и вся команда, расположившаяся на нем».

После Второй мировой войны строительство ускорителей возобновилось, только теперь с новой целью. Наблюдая за космическим излучением, физики обнаружили некоторый набор элементарных частиц, отличавшихся от тех, которые есть в обычных атомах. Для исследования этого нового типа материи было необходимо искусственно создавать такие частицы в огромных количествах. Физикам нужно было ускорять пучки обычных частиц, например протонов (ядер атома водорода), до высоких энергий, чтобы при столкновении протонов с атомами неподвижной мишени их энергия могла быть преобразована в массы частиц новых типов. Дело тут не в установке рекордов мощности ускорителей и даже не в коллекционировании все новых и новых экзотических видов частиц (как орхидей). Цель создания подобных ускорителей состоит в том, чтобы, получая новые виды материи, изучать законы природы, которые описывают все формы материи. И хотя многие физики предпочитают работать в стиле Резерфорда с экспериментами малых масштабов, логика исследований вынуждает физику переходить на новый уровень.