Станислав Лем – Млечный Путь № 2 2021 (страница 45)

Инопланетные астрономы, живущие в мирах, совпадающих с плоскостью орбиты Земли, увидели бы, как наша планета проходит перед Солнцем. Наблюдая свет, проходящий через нашу атмосферу, инопланетные исследователи обнаружили бы большую концентрацию кислорода, наряду с метаном и другими газами, свидетельствующими о наличии жизни в нашем мире.

Астрономы только сейчас начинают исследовать атмосферы планет, вращающихся вокруг других звезд, в поисках явных признаков жизни. В ближайшие годы астрономы смогут найти химические "отпечатки" жизни на других мирах.

Космический телескоп Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 2021 год, будет способен исследовать атмосферы далеких планет в поисках явных признаков жизни. "Основной способ исследования планет, вращающихся вокруг далеких звезд, - это измерение регулярных провалов в звездном излучении, вызванных прохождениями планет по диску звезды", - заявил доктор Барнаби Норрис из Сиднейского университета.

Движение светового луча в атмосфере Земли вызывает мерцание звезд. Хотя мерцание прекрасно звездной ночью, оно разрушает точность астрономических наблюдений. Из-за этого почти все открытия экзопланет были сделаны с помощью космических телескопов. В адаптивной оптике для измерения искажений в атмосфере используется лазер. Информация об атмосферных неоднородностях подается на компьютеризированные двигатели, которые деформируют зеркала, корректируя мерцание. Новый датчик фотонного волнового фронта, разработанный в Сиднейском университете, использует искусственный интеллект и машинное обучение для коррекции этого искажения на наземных телескопах. Это позволит астрономам искать на экзопланетах химические "отпечатки" жизни.

"Если мы ищем разумную жизнь во Вселенной, она могла бы найти нас и, возможно, захотела бы выйти на связь. Мы только что создали звездную карту Галактики, где нам следует искать в первую очередь", - сказал Калтенеггер. - Некоторые из звезд, идентифицированных в этом исследовании, можно увидеть с Земли без бинокля или телескопа. Когда вы смотрите на звезды, всегда помните, что кто-то или что-то там может смотреть на нас".

Вселенная не является чисто математической по своей природе

Итан Сигель

Многие из самых популярных идей теоретической физики имеют общую черту: они начинаются с математической основы и стремятся объяснить больше явлений, чем нынешние преобладающие теории. Основы общей теории относительности и квантовой теории поля хороши, но они принципиально несовместимы друг с другом и не могут в достаточной мере объяснить темное вещество, темную энергию или причину, по которой наша Вселенная заполнена веществом, а не антивеществом.

Это правда, что математика позволяет нам количественно описать Вселенную. Математика - невероятно полезный инструмент, если его правильно применить. Но Вселенная - физическая, а не математическая сущность, и между ними есть большая разница. Вот почему одной математики всегда будет недостаточно для достижения фундаментальной теории всего.

Рисунок Орбиты

Одна из величайших загадок 1500-х годов: почему планеты время от времени двигаются ретроградным образом. Это можно объяснить либо с помощью геоцентрической модели Птолемея, либо с помощью гелиоцентрической модели Коперника. Однако доведение деталей до произвольной точности потребовало теоретического прогресса в нашем понимании правил, лежащих в основе наблюдаемых явлений. Это привело к законам Кеплера и, в конечном итоге, к теории всемирного тяготения Ньютона.

Около 400 лет назад развернулась битва идей о природе Вселенной. На протяжении тысячелетий астрономы точно описывали орбиты планет, используя геоцентрическую модель, в которой Земля была неподвижной, а все другие объекты вращались вокруг нее. Точное математическое описание орбит небесных тел поразительно соответствовало тому, что видели астрономы. Однако совпадение не было идеальным, и попытки улучшить его приводили либо к появлению новых эпициклов, либо, в XVI веке, к гелиоцентризму Коперника. Когда Коперник поместил Солнце в центр мира, объяснение ретроградного движения планет стало проще, но соответствие данным наблюдений - хуже.

Рисунок Прибор

У Кеплера была блестящая идея, способная все решить. Рассматривая орбиту каждой планеты на сфере, поддерживаемой одним (или двумя) из пяти Платоновых тел, Кеплер предположил, что должно быть шесть планет с точно определенными орбитами. Он также заметил, что математически существует только пять Платоновых тел: пять математических объектов, все грани которых представляют собой равносторонние многоугольники. Рисуя сферу внутри и снаружи каждого из них, он мог "вложить" их так, чтобы они идеально соответствовали планетным орбитам: лучше, чем все, что делал Коперник. Это была блестящая, красивая математическая модель и, возможно, первая попытка построить то, что сегодня можно назвать "элегантной Вселенной". Но с точки зрения наблюдений попытка не удалась. Она не могла быть даже такой же хорошей, как древняя модель Птолемея с ее эпициклами и дифферентами. Это была блестящая идея и первая попытка спорить - используя только чистую математику, - какой должна быть Вселенная. Но это не сработало.

Затем последовал гениальный ход, который определил наследие Кеплера. Три закона о том, что планеты движутся по эллипсам с Солнцем в одном из фокусов, что они охватывают равные площади за равное время и что квадрат периода обращения планеты вокруг Солнца пропорционален кубу большой полуоси. Законы Кеплера одинаково применимы к любому гравитационному полю.

Рисунок Законы Кеплера

Это был революционный момент в истории науки. Математика не лежала в основе физических законов, управляющих природой; это был инструмент, описывающий, как проявляются физические законы природы. Ключевой прогресс заключался в том, что наука должна быть основана на наблюдаемых и измеримых величинах, и любая теория должна соответствовать наблюдениям. Без наблюдений и теории прогресс был бы невозможен.

Эта идея возникала снова и снова на протяжении всей истории, поскольку новые математические изобретения и открытия давали новые инструменты для попыток описания физических систем. Но каждый раз дело было не только в том, что новая математика рассказывала, как устроена Вселенная. Новые наблюдения показывали, что требуется нечто, выходящее за рамки понимаемой в настоящее время физики, и одной чистой математики недостаточно.

Рисунок Пространство

Мы часто визуализируем пространство как трехмерную сетку, хотя это чрезмерное упрощение, зависящее от того, как мы рассматриваем концепцию пространства-времени. На самом деле пространство-время искривлено присутствием материи, а расстояния не фиксированы, а могут эволюционировать по мере расширения или сжатия Вселенной. К началу 1900-х годов стало ясно, что механика Ньютона в беде. Она не могла объяснить, как объекты движутся со скоростью, близкой к скорости света, что привело к специальной теории относительности Эйнштейна. Теория всемирного тяготения Ньютона находилась в такой же беде, поскольку не могла объяснить движение Меркурия вокруг Солнца. Такие концепции, как пространство-время, только формулировались, но идея неевклидовой геометрии (где само пространство могло быть искривленным, а не плоским, как трехмерная сетка) десятилетиями витала в умах математиков. К сожалению, разработка математической основы для описания пространства-времени (и гравитации) требовала большего, чем чистая математика.

Нужна была математика особая, которая согласовывалась бы с наблюдениями за Вселенной. По этой причине все мы знаем имя Альберта Эйнштейна, но очень немногие знают имя Дэвида Гильберта. Появление массивных тел в трехмерном пустом пространстве приводит к тому, что линии, которые были бы "прямыми", становятся изогнутыми на определенную величину.

Рисунок Гильберт

У обоих ученых были теории, связывающие искривление пространства-времени с гравитацией и наличием материи. У обоих были похожие математические формализмы. Сегодня важное уравнение общей теории относительности известно было бы как уравнение Эйнштейна-Гильберта. Но Гильберт, который предложил собственную независимую теорию гравитации, преследовал более серьезные цели, чем Эйнштейн: его теория применялась как к веществу, так и к электромагнетизму и гравитации. А это не соответствовало природе. Гильберт строил математическую теорию, которую считал применимой в природе, но так и не смог получить успешные уравнения, предсказывающие количественные эффекты гравитации. Эйнштейн смог это сделать, и поэтому уравнения поля известны как уравнения поля Эйнштейна, без упоминания Гильберта.

Без соотнесения с реальностью у нас вообще нет физики. Электроны проявляют волновые свойства, а также свойства частиц, и их можно использовать для построения изображений или измерения размеров частиц так же хорошо, как и свет.

Рисунок Щель

Здесь вы можете увидеть результаты эксперимента, в котором электроны запускаются по одному через двойную щель. Как только будет выпущено достаточное количество электронов, можно отчетливо увидеть интерференционную картину.

Нельзя просто пропустить электрон через двойную щель и знать, исходя из всех начальных условий, куда он попадет. Требовался новый тип математики, основанный на волновой механике и наборе вероятностных результатов. Сегодня мы используем математику векторных пространств и операторов, и студенты-физики изучают гильбертово пространство. Тот же математик Дэвид Гильберт открыл набор математических векторных пространств, которые были чрезвычайно многообещающими для квантовой физики. Только, опять же, его предсказания не имели никакого смысла при сопоставлении с физической реальностью. Для этого нужно было внести некоторые изменения в математику, создав то, что некоторые называют физическим гильбертовым пространством. Математические правила нужно применять с определенными оговорками, иначе свойства нашей физической Вселенной никогда не будут правильно описаны.