Самый востребованный человек в нашем журнале — Эйнштейн. И, пожалуй, самый нерадивый. Только по известным биографическим причинам он избегает увольнения. А ведь не проходит и недели, чтобы в отдел физики не пришло новое письмо с убийственной критикой взглядов «геноссе Альберта». Если бы такие письма получал я, то, наверное, тоже полвека на работу бы не выходил.

В этот юбилейный год — год Эйнштейна (сто лет назад он создал частную теорию относительности) — корреспонденция, фактически адресованная ему, как никогда велика. Его ругают за промахи, его журят за непонимание основ физики, ему доверительно подсказывают, как исправить ошибки в придуманных им уравнениях.

Иной раз кажется, что Эйнштейн — единственный известный кому-либо физик XX века. Он обречен отвечать за все грехи современной физики, за ее сложность, алогичность, фундаментальную удаленность от практики. Здание физики, выстроенное величайшими учеными XX века, непостижимо вознеслось, скрылось в заоблачной выси. А отвечает за просчеты строителей бедный ключарь, поджидающий нас, дилетантов, у входа. Herr Einstein, словно в насмешку, говорит нам: «Einsteigen, bittel»[* «Пожалуйста, входите!» (искаж. немецк.)] Куда ж входить? Здание без окошек, дверей и лестниц. Тут надо быть семижды семи пядей во лбу, чтобы исхитриться проникнуть.

На страницах нашего журнала регулярно появляются статьи о современной физике, о самых странных задачах, что волнуют ведущих ученых мира. Статьи эти подстать «проклятым вопросам физики» — страшно далеки они от академизма. Что ж, в отсутствие проказника Эйнштейна мы тоже вольничаем порой как хотим.

Но в последний месяц юбилейного эйнштейновского года, наконец, чувствуешь важность момента. Оглядываешь строй наследников «герр Гения» и доставшийся им фронт работ — благо, ряд научных журналов и физических обществ попытался в этом году оценить важнейшие открытия XXI века, то есть предсказать, в какой области физики прославятся будущие «быстрые разумом Невтоны» и, конечно, Эйнштейны. В этих «Заметках обозревателя» я предложу вам своеобразный top-ten современной физики — десять ее загадок, которые, возможно, удастся решить к концу века и, может быть, не без участия российских ученых. Подробнее о них читайте — в статьях, опубликованных в нашем журнале в минувшие годы и, конечно, в будущих номерах.

•На протяжении десятилетий ученые вынуждены использовать СТАНДАРТНУЮ МОДЕЛЬ МИРОЗДАНИЯ, созданную в 1961 году, использовать, понимая всю ее ограниченность, понимая, что она — лишь частный случай какой-то более обшей Модели, которая опишет все мироздание во всей его сложности и целостности. Стандартная модель не дает ответа на ряд вопросов, возникающих перед учеными, кроме того, она не отличается внутренней стройностью и симметрией, она не проясняет, почему большинство элементарных частиц обладают массой. Не ясно также, почему в природе существует несколько фундаментальных взаимодействий, резко разнящихся по образу действия. Еще одна загадка — несовместимость двух столпов современной физики: квантовой механики и обшей теории относительности. Единая формула мироздания — давняя мечта физиков. Сейчас среди теорий, притязающих на универсальность, наиболее перспективна «ТЕОРИЯ СТРУН» (см. «3 - С», 4/2003). Так ли это?

• Что такое материя? Ответ многим знаком со школьной скамьи. Материя — это «объективная реальность, которая... отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них» (В. И. Ленин). Однако с недавних пор астрофизики наделяют большую часть материи совершенно противоположными свойствами. Звезды, планеты и межпланетный газ составляют лишь малую часть всей массы Вселенной. Астрофизики до сих пор не знают из чего состоит остальная часть материи. Понять ее природу предстоит в XXI веке. Эта материя и не видима нами, и не дана нам в ощущениях. Ее можно было бы назвать «абсолютным ничто», если бы она не оказывала такого сильного гравитационного воздействия на окружающий мир. По результатам наблюдений, астрофизики создали новую модель Вселенной. Согласно ей, Вселенная состоит на 70 процентов из ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ, на 25 процентов — из ТЕМНОЙ МАТЕРИИ и 5 процентов — из обычной материи (подробнее об этом см. «3 - С», 6/2002, 10/2003, а также главную тему одного из ближайших номеров). • В бестселлере Дэна Брауна «Ангелы и демоны» заговорщики планировали стереть Ватикан с лица земли. Для этого они воспользовались антивеществом. Выдумка, конечно? Но впечатление обманывает: исследователи открыли новые способы производства таинственного антивещества — практически неисчерпаемого источника энергии. О его использовании мечтают и медики, и, конечно, военные. В интернете можно найти сообщения о позитронном оружии, которое имеет ряд преимуществ по сравнению с ядерным и термоядерным оружием. Энергия, получаемая из антивещества, могла бы приводить в движение и самолеты, и космические корабли. Станет ли XXI век эпохой «антивещественной энергетики»?

Альберт Эйнштейн и его сестра Майя

• В физике элементарных частиц многое зависит от такой гипотетической частицы, как ХИГГС-БОЗОН. Предполагается, что именно она наделяет элементарные частицы определенной массой. Однако все поиски ее были пока напрасны. С вводом в эксплуатацию нового коллайдера Европейского центра ядерных исследований (CERN) в 2007 году ученые надеются отыскать эту неуловимую частицу. Возможно, вслед за ней будет открыт новый класс элементарных частиц - СУПЕРСИММЕТРИЧНЫЕ ЧАСТИЦЫ (см. «3 - С», 8/2002). Как полагают ученые, у каждой известной нам частицы есть свой двойник. Открытие этих двойников станет очередным триумфом современной физики. Уже сейчас можно описать некоторые свойства, которыми обладают суперсимметричные частицы.

• Для нас ньютоновская теория тяготения — те же «дважды два» из области физики. А ведь ни об одном физическом феномене не известно так много и в то же время так мало, как о гравитации! Мы все в любой момент времени испытываем ее действие на себе. Однако ее природа до сих пор непонятна. Ученые и в наши дни продолжают искать объяснение загадочному ФЕНОМЕНУ ГРАВИТАЦИИ (см. «3 - С», 1/2003 и 10/2005). Существуют ли, например, ГРАВИТОНЫ — частицы, лишенные массы, которые передают гравитационное взаимодействие, подобно тому как при электромагнитном взаимодействии это делают фотоны? Они до сих пор не обнаружены. А может ли теория КВАНТОВОЙ ГРАВИТАЦИИ потеснить Стандартную модель мироздания (см. «3 — С», 11/2005)?

• Скорость света всегда одинакова, движется ли источник света или неподвижен. Странно, не правда ли? Именно размышления над этим парадоксом помогли Эйнштейну в создании частной теории относительности. Бесчисленные эксперименты, проведенные с тех пор, лишь подтверждали эту гипотезу. Тем не менее в последние годы ученые вновь и вновь рассуждают о том, можно ли передавать сигналы со СВЕРХСВЕТОВОЙ СКОРОСТЬЮ (см. «3 - С», 4/1997,11/2003). Быть может, исследование космического излучения поможет физикам XXI века определить, существуют ли ТАХИОНЫ (см. «3 - С», 12/2004), гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью. По одной из гипотез, воображаемый мир тахионов располагается «параллельно» нашему миру.

• С появлением частной теории относительности мы начали все отчетливее понимать, насколько загадочен и сложен ФЕНОМЕН ВРЕМЕНИ. Ведь из уравнений, выведенных Эйнштейном, явствовало: чем быстрее перемещается человек, тем медленнее для него течет время. Мощные источники гравитации также замедляют течение времени. Обе эти гипотезы доказаны экспериментально (подробнее о доказательствах см. «3 - С», 1/2002). Приходится признать, что наши привычные представления о времени крайне примитивны, поскольку опираются лишь на известные нам факты — на наблюдение за природой одного крохотного уголка мироздания. Вселенная же непомерно велика и неведома. Нам остается лишь задавать вопросы. Почему время течет в одном направлении? Почему оно необратимо, как кажется нам? Ведь основные законы физики, описывающие природные феномены, инвариантны по отношению к времени (подробнее о феномене времени см. «3 - С», 11—12/2002). Некоторые физики считают даже принципиально возможными ПУТЕШЕСТВИЯ ВО ВРЕМЕНИ (см. «3 - С», 5/2000).

Альберт Эйнштейн v его сестра Майя в годы эмиграции в США

• В КВАНТОВОМ МИРЕ не работает привычная нам логика. Уж слишком разительно отличается поведение электронов, фотонов и атомов от того, что говорит нам повседневный опыт. Элементарные частицы проносятся сквозь стены, не пробивая их. В одно и то же время движутся несколькими путями. Готовы моментально копировать поведение друг друга. Для этих частиц любой наблюдатель — Бог. Принимаясь измерять их параметры, мы неизбежно меняем субатомарную явь. Мы заставляем неопределенное, неясное обретать четкие очертания. Но какое отношение это имеет к измеряемой реальности? Пока мы не всматриваемся в элементарную частицу, она пребывает одновременно во множестве состояний. Лишь в тот момент, когда мы измеряем ее параметры, она «решает», какое состояние ей принять (о странностях квантового мира, в том числе о ТЕЛ ЕПОРТАЦИИ частиц, читайте «3 - С», 8/2000,8/2001,12/2003, 1/2004).

• Но где пролегает граница между макромиром и микромиром? Особый интерес вызывают макроскопические объекты, которые ведут себя по законам квантового мира. Пример тому — КОНДЕНСАТ БОЗЕ-ЭИНШТЕЙНА (см. «3 - С», 4/1997), крохотное облачко из миллионов атомов, которое ведет себя буквально как один огромный атом. Этот феномен предсказал в середине 1920-х годов Альберт Эйнштейн, анализируя расчеты, которые проделал индийский физик Шатьендранат Бозе. Данный конденсат интересен и с технической точки зрения. Он может стать элементом КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА. Такого рода компьютеры, — предполагается, что они войдут в обиход в XXI веке, — гораздо эффективнее современных вычислительных машин (см. «3 — С», 10/2000,6/2003).

Актуальность исследований конденсата показывает следующий факт. В октябре 2005 года Нобелевскую премию в области физики получили американские ученые Рой Глаубер и Джон Холл и их немецкий коллега Теодор Хенш. В год Эйнштейна они были удостоены награды, так сказать, за исследование эффектов, связанных с конденсатом Бозе-Эйнштейн а, а именно за вклад в развитие лазерного спектроскопирования.

Дело вот в чем. Нобелевский лауреат 2001 года и один из открывателей конденсата Бозе-Эйнштейна Вольфганг Кеттерле показал, что от конденсата можно «отщипывать» кусочки. Это позволит построить атомный лазер, который будет генерировать излучение вещества, а не света. Конденсат представляет собой идеальную вещественную волну, подобно тому как лазерный свет — идеальную электромагнитную волну. Отдельные его атомы можно описывать волновой функцией, как и когерентный свет. Однако длина волны атомов значительно меньше, чем длина световой волны. Поэтому с помощью атомного лазера можно создавать самые крохотные структуры, перемещая атомы с точностью до нанометра. Это открытие принесет ощутимый прогресс в нанотехнологии. Преимущество атомных лазеров перед традиционной светооптикой заключается в их чрезвычайно высокой точности. «Применение атомного лазера, — говорит Теодор Хенш, — это, насколько мне известно, самый точный метод, с помощью которого можно манипулировать атомами».

• Не все понятно и в макромире. Нельзя не поразиться тому, что мы не можем адекватно объяснить некоторые простейшие феномены, например, поведение кофе в чашечке, когда помешиваем его ложкой, подливая туда молоко. Возникали бы эти завихрения лишь в чашечках кофе! Нет, те же самые вихревые турбулентные потоки порой вгоняют в ужас пассажиров самолета. Завихрения возникают и в реках, и в облаках. Как сказали бы ученые, они представляют собой «самоорганизующуюся систему». Почему же ТУРБУЛЕНТНЫЕ ПРОЦЕССЫ с таким большим трудом поддаются расчету? Потому что мы имеем дело с хаотическим, нелинейным поведением. Остается надеяться, что в XXI веке эта задача будет разрешена.

• Загадкой остается и ПРИРОДА ТВЕРДЫХ ТЕЛ, обусловливающая такие их неожиданные свойства, как магнетизм или сверхпроводимость (см. «3 — С», 3/2004). Ученые по-прежнему не могут объяснить, почему некоторые твердые тела иногда утрачивают электрическое сопротивление. Как взаимодействуют при этом электроны и атомы кристаллической решетки? Если же отсутствует теория, то как создать идеальные сверхпроводящие материалы? Проблема в том, что внутри твердого тела — громадное количество частиц. Например, в кристалле размером с кусочек сахара содержится больше атомов, чем звезд в Млечном Пути. Описать подобную систему нельзя даже с помощью самых мощных компьютеров. Приходится прибегать к упрощенным расчетным моделям, которые дают лишь приблизительные решения. Очевидно, какого-то прогресса поможет достичь нанотехнология — одно из важнейших направлений науки XXI века (см. «3 - С», 5/2002).

Вопросы, вопросы, вопросы... Мы плохо представляем себе положение дел в физике сто лет назад, в канун великого открытия Эйнштейна (подробнее о современных доказательствах его теории читайте «3 — С», 1/2002). Тогда казалось, что после XIX века — века открытий, века Максвелла и Фарадея, Кельвина и Гельмгольца — в этой науке почти не осталось тайн. Профессия физика превращалась на глазах современников в нечто рутинное.

Однако именно в последующие десятилетия были созданы и обшая теория относительности, и квантовая механика. Но и эти прозрения не исчерпали таинственной сущности физики. Прежние проблемы разрешились, но появились десятки других. С каждым новым открытием ученые приближаются все к новым загадкам, феноменам, которые не поддаются объяснению. Непонятное подстерегает нас и в космической дали, и в глубинах материи, и в повседневной жизни. Только за последнее десятилетие были сделаны два важнейших открытия: обнаружены топ-кварки

(подробнее о кварках см. «3 - С», 12/2004) и определена масса нейтрино (см. «3 — С», 4/2001). А сколько еще предстоит открыть! Похоже, что XXI век вновь будет «веком физики».

В вопросах, раздумьях, сомнениях читателей недостатка не будет. А кто ответит за все? Naturlich,[•Конечно (нем.)] Эйнштейн! На сем единственном камне — ein Stein[• Камень (нем.)] — зиждется Вавилонская башня физики.

ВСЕ О ЧЕЛОВЕКЕ

Рафаип Нудельман