Пять научных споров десятилетия

Минувшая декада дала ученым новые аргументы для старых споров: о черных дырах, о суперструнах, о врожденной грамматике и хоббите с острова Флорес

Иллюстрация: Corbis/Fotosa.ru
Иллюстрация: Corbis/Fotosa.ru
+T -
Поделиться:

1. Есть ли волосы у черной дыры

Здесь столкнулись две главных теории XX века — квантовая механика (в лице нобелевского лауреата Герарда 'т Хоофта и его коллеги-теорфизика Леонарда Зюскинда) и теория относительности (в лице астрофизика Стивена Хокинга и теоретика Кипа Торна). Черные дыры, вокруг которых еще в 1997 году разгорелся сыр-бор, практически похоронили надежду свести эти две теории воедино.

Из теории относительности следует, что заглянуть внутрь черной дыры нельзя. Свет, вещество и информация, которые туда попали, потеряны навсегда для внешнего мира. Знаменитая теорема Хокинга гласит: «У черной дыры нет волос» (No-hair theorem) — это идеально гладкий шар, начисто лишенный индивидуальных черт. Поэтому, глядя на черную дыру, вообще ничего нельзя сказать о том, что она недавно проглотила.

Но это радикально противоречит квантовой механике. Если мы в состоянии полностью описать систему сейчас, квантовые уравнения позволяют восстановить любой момент ее прошлого и предсказать любую секунду ее будущего. В частности, подробно описать все предметы, проглоченные когда-либо черной дырой.

Хокинг заявил: пора пересмотреть самые основы квантовой механики. Зюскинд и 'т Хоофт возразили: с квантовой механикой все в порядке, зато теория относительности никуда не годится. Первым в 2005 году пошел на попятную Хокинг: он опубликовал статью, где в пух и прах разносил традиционные представления о черных дырах, откуда никто и ничто не возвращается. Дыры, констатировал Хокинг, сами дырявы, и иногда информация может оттуда утечь. Проверить это на опыте пока что невозможно, да и соавтор Хокинга, Кип Торн, не согласился с его аргументами — поэтому спор по-прежнему открыт.

2. Кто нагрел атмосферу

За XX век среднегодовая температура на Земле поднялась на 0,74±0,18°C. В Гренландии и Антарктиде тают ледники и уровень океана подымается. Это сухие факты, отрицать их бессмысленно. Но в начале нулевых ученые спорили о другом: что заставило планету нагреться — деятельность людей или естественные процессы? Для ответа нужно знать, что происходило с климатом прежде, чем заработали первые заводы и фабрики, которые выбрасывают в атмосферу парниковые газы.

Метеорологи следят за погодой по всему миру только последние 50-60 лет. Раньше имелись лишь отрывочные наблюдения, а каких-нибудь 500 лет назад на Земле и вовсе не было ни единого термометра. Палеоклиматологи реконструировали древний климат по самым экзотическим косвенным данным — это и годовые кольца на деревьях, и пузырьки газа в антарктическом льду. По всему выходило, что прежде таких резких температурных колебаний не случалось — и, значит, в потеплении виноваты все-таки люди. В 2006 году Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC) опубликовала официальный доклад именно с такими выводами.

Эти взгляды были предметом дебатов в нулевые годы. К примеру, еще в 2004 году журнал Science вышел со статьей, где доказывается, что колебания температуры в доисторические времена недооценены. Те же годовые кольца и скорость роста кораллов можно по-разному связать с погодой. Рецензия на эту работу, вышедшая в Nature, подытожила ее так: «Нынешнее потепление может быть не таким уж уникальным, как принято считать, и отчасти связано с естественными температурными циклами, а не только с тем, что люди выбрасывают углекислый газ в атмосферу». В пользу этой версии говорят и другие статьи о палеоклимате — про влияние на погоду космических лучей, многолетних циклов солнечной активности и других внешних причин.

И все же большинство ученых считает, что в глобальном потеплении виноваты люди — так что в научном сообществе основной спор ведется вокруг более или менее пессимистичных прогнозов. К концу декады у IPCC появились критики более радикального толка: к примеру, статья 2007 года в Science под заголовком «Конец консенсуса» обвиняет IPCC в слишком осторожных прогнозах. «Новые несогласные» убеждены: расчеты неточны, и на самом деле по нашей вине ледники растают раньше, уровень океана будет выше, и от глобального потепления пострадает куда больше народу.

3. Хоббиты из Индонезии: особый вид человека или недоразумение

Найти нового родственника всегда приятно, даже если он был коротышкой и жил 13 тысяч лет назад. Скелеты девяти древних людей неизвестного науке вида обнаружили в 2003 году на острове Флорес в Индонезии — все они отличались ростом в метр с небольшим и, судя по сопутствующим находкам, владели разными первобытными орудиями труда. Homo floresiensis, которого из-за низкого роста окрестили «хоббитом», спутал карты антропологам — в привычную картину эволюции человека он вписывался плохо.

Но в 2007 году индонезийский палеонтолог Тейку Джакоб высказал мнение, что «хоббиты» никакой не новый вид: карликами их сделала болезнь. В частности, он утверждал, что череп, который сохранился лучше всего, принадлежит микроцефалу (какие встречаются и среди современных людей). Но взять и признать «хоббитов» семьей карликов мешает разный возраст останков: самые старые из скелетов, если верить датировке, пролежали в земле 38 тысяч лет, а самые новые — всего 13 тысяч. Поэтому новая гипотеза, высказанная уже в 2008 году, предлагала считать все древнее население острова жертвами эндемического кретинизма — наследственной болезни, которая передавалась из поколения в поколение.

Чтобы разрешить спор о том, увечен ли «хоббит», ученые собираются выделить из костей митохондриальную ДНК и узнать, сильно ли она отличается от современной человеческой — был это действительно особый вид. Но поскольку кости сохранились плохо, это будет сделать трудно.

4. Нужна ли нам теория струн

В 2006 году вышли две знаковые книги — Not Even Wrong («Это даже не неверно») Питера Войта и Trouble with Physics («С физикой что-то не то») Ли Смолина, — в которых авторы, известные теоретики, критикуют повальное увлечение коллег теорией струн. Дебаты на эту тему в Национальном музее естественной истории США собрали полный зал (выступали Брайан Грин, автор «Элегантной Вселенной», главной популярной книги про струны, и Лоуренс Краусс, автор книги «Физика звездного пути»).

Мы живем в 26-мерном пространстве, где все добавочные измерения просто «свернуты в трубочку». Так, в нулевом приближении можно описать картину мира теории струн, а это, похоже, самая популярная область у нынешних теорфизиков.

Первые идеи возникли еще 40 лет назад, но всплеск популярности теории пришелся на начало 2000-х. Десятки тысяч статей, головокружительная математика, самые цитируемые ученые — все это здесь. Теория подкупает с первого взгляда (взять хотя бы популярные рисунки многообразий Калаби-Яу, трехмерные срезы невообразимых многомерных пространств), про нее разговаривают в сериалах с миллионной аудиторией (взять хотя бы «Теорию Большого взрыва»). Но есть один недостаток — теория струн не предлагает гипотез, которые современные приборы могли бы проверить.

Вот почему физики спорят не столько об утверждениях теории струн, сколько о потребности в ней самой. Главный вопрос: стоит ли изобретать сущности без необходимости и есть ли за ними хоть какая-то реальность, раз математически все так безупречно согласовано?

Кто прав, мы не знаем — для ответа, судя по всему, придется ждать появления мегаколлайдеров, еще более мощных, чем БАК. Или каких-нибудь совсем неожиданных открытий астрофизиков.

5. Сколько было Больших взрывов

Большой взрыв был придуман в 1920-е годы, и с тех пор его много раз пытались отменить. Дольше всего продержалась теория стационарного состояния Фреда Хойла (который и придумал термин «Большой взрыв» в качестве дразнилки для оппонентов): Вселенная, конечно, растет, но устроена в любой момент времени одинаково — вот суть его взглядов.

Самая свежая попытка переписать космическую историю принадлежит Роджеру Пенроузу, знаменитому математику и физику. В ноябре 2010 года он опубликовал препринт (в соавторстве с не очень известным армянским физиком Ваагном Гурзадяном), где доказывает, что Больших взрывов было много и стоит ждать новых. На карте реликтового излучения, «эха» Большого взрыва, Пенроуз отыскал нечто вроде «кругов по воде» от еще более давних событий такого рода.

За несколько лет до этого появилась похожая теория — про периодические Большие взрывы. «Наш» взрыв, описанный во всех учебниках астрономии, не начало времен, а всего только начало новой эры, одной из многих.

Сторонники Большого взрыва яростно с этим спорят, но надежного описания начала времен предложить не могут. По определению, в сам момент Большого взрыва физические понятия вроде массы, пространства и времени не имели смысла. А для событий, которые последовали прямо за ним, предложен механизм космической инфляции — стремительного «раздувания» и «пузырения» космоса. Но и этот механизм только гипотеза.

Читайте также

Комментировать Всего 32 комментария

Спасибо Илья! Интересно. Узнал что-то новое)

"Мы живем в 26-мерном пространстве..." вспомнился один случай. 

Меня как-то спросили на экзамене: "Неужели вы не понимаете, что в 5 мерном пространстве из одной точке можно провести два перпендикуляра?" (экзаменатор сделал такое серьезное лицо, и пытался мне показать это с помощью пальцев)... Я встал.. и ушел...)

Тяжело очень представлять себе вот такие многомерные вещи.

Два перпендикуляра из одной точки опустить можно и в трехмерном пространстве, но только на разные прямые.

И, кстати, в пятимерном случае ничего сверхъестественного не происходит. Если два перпендикуляра опущены куда-то из общей точки, то они (перпендикуляры и точка) лежат в одной двумерной плоскости. Поэтому пятимерная задача превращается в обычную двумерную.

Спасибо Борислав, что прокомментировали)

потом то я уже и понял.

я пропустил. "два перпендикуляра к одной прямой."

А сейчас уже и бесконечномерные пространства не пугают)

Два перпендикуляра к одной прямой можно провести в обычном трехмерном пространстве, зачем множить сущности? :)

(простите за занудство) и даже в 2-мерном, но только не из одной точки.

Хотя если наше 2-мерное пространство --  сфера, то можно опустить хоть сто перпендикуляров с полюса на экватор.

Эту реплику поддерживают: Артур Евстефеев

В условиях было эвклидово пространство и  одна точка :)

Эту реплику поддерживают: Артур Евстефеев

в той истории все закончилось благополучно.)

Друзья, у нас и в нашем обычном 3-мерном мире проблем хватает) 

Действительно, очень познавательно и емко

2. Я могу только предполагать, что в изменении климата виновато освоение космоса и использование солнечных батарей.

Исхожу из формальной логики: поскольку в природу все соразмерно, то солнце излучает столько энергии, сколько задано алгоритмом его существования.

Значит, примерно одинаковое количество энергии солнца доходит до земли.

Но на пути этой энергии оказываются действующие космические объекты и так называемый космический мусор, который забирают на себя(отражают) часть солнечной энергии. То есть она по воле человека перерасппределяется. Использование солнечных батарей тоже забирает часть энергии. И снова можно говорить о перераспределении ее.

Есть здесь и еще один момент. Добыча полезных ископаемых, и прежде всего угля, создала на планете нашей определенные пустоты. Очевидно, что в сравнении с общей массой Земли величина потерянной части ее невелика, но имеет место быть. За счет этого, а также за счет наличия небоскребов, которые  выступают вроде антипарусов,  пусть на микроны, но замедляется вращение Земли вокруг своей оси. Думаю, что и это, в совокупности с отбором солнечной энергии изз-за техногенных причин сказывается на климате нашей планете.

Вполне возможно, что рассуждения нетехнаря могут показаться простодушными, но законы физики бесспорны и описанное выше имеет место быть.

4 и 5 вообще замечательно.

4 напомнило мне теорию космического ветра, а также модную у древних  греков теорию о музыке планет. Идея о струнах - ясная, тоная и приемлемая, по-моему.

Про Большой взрыв тоже интересно было узнать в таком контексте. Но разве в первой троке Библии сказано не про это? Наверное, взрывы в той или иной мере были не раз. Это как раз нетрудно принять.

А вот с БАКом и тому подобными вещами согласиться трудно. Конечно, черных дыр его запуск не создаст, но под землей ли -- все равно это Вавилонская башня. И даром для ученых это не пройдет, уверен.

они кажутся не простодушными (интересный эвфемизм), а, мнээ-эээ, ну---ууууу, даже более, как бы сказать, такие, ну---ууу, более вот такие, что не могу написать, чем у Задорнова про филологию.

Юрий Петров Комментарий удален

можно ли более подробную критику? спасибо!

Ну извольте. Что касается солнечной энергии: вся энергия которую мы сейчас используем была получена "перераспределением" энергии солнца. И нефть, и газ, и уголь, и ветер. Какое само по себе это "перераспределение" имеет отношение к изменению климата совершенно непонятно. Она и раньше так перераспределялась, когда людей ещё в помине не было. Про отражательную способность космического мусора и спутников: ну пусть они отражают, но ведь постройка десятка супермаркетов с парковками произведёт больший эффект на отражательную способность Земли чем все её спутники и мусор. И главное: если мы больше отражаем энергии то с какой стати нагреваемся-то? Про пустоты и небоскрёбы тоже совершенно непонятно. Опустим как полную чепуху "антипаруса" (солнечный ветер что-ли имелся в виду?). Да, на какие-то микроны ничтожное перераспределение земной массы вверх увеличило момент инерции Земли и, положим, замедлило её вращение. Но это изменение совершенно мизерное и, наверняка, (я не специалист) полностью перебивается гравитационными приливными эффектами Луны и Солнца, которые и так испокон веков замедляют её вращение. И главное: совершенно непонятно какое отношение имеет скорость вращения Земли к глобальному потеплению. Короче, уважаемому Илье надо было взять и для начала прочитать хотя бы статью в Википедии на эту тему, а то, как говорил мой дедушка, получилось "курям на смех". Не знаю как в его "науке", а в более точных науках принято сначала ознакомиться с тем, что уже известно про предмет дискуссии.

Эту реплику поддерживают: Иосиф Раскин

Поживем - увидим, бред или не бред, коллега

Да не надо тут ничего видеть. Вам что, космические аппараты и мусор звезды застилают ? :)

Модель бесконечной множественности рождений Вселенной или Больших Взрывов (хотя такого термина тогда не было) была выведена из общей теории относительности Энштейна русским математиком Александром Фридманом в 1924 году, за год до его смерти от тифа. Вернее, это была одна из возможных моделей динамического развития Вселенной, которые теоретически вывел Фридман. Правда теория Пенроуза не имеет к этой модели никакого отношения. Это куда более "сумасшедшая" идея, как он сам её охарактеризовал.

А ГДЕ - "О ВРОЖДЁННОЙ ГРАММАТИКЕ" ?

Илья, вероятно, я что-то не так понял и поэтому не нашёл в Вашей

интересной статье, обещанного  в предисловии описания споров о

"врождённой грамматике".

Потому что я маразматик; упоминание этого сюжета в лиде -- моя техническая ошибка. Приношу извинения!

Спасибо, а я подумал, что идут споры о том, можно-ли фрейдистское "Сверх-Я"

приравнять к филологическим законам языка или к "Изначальному Слову" теологов...

На самом деле, тут и без Фрейда весело. В сюжете про врожденные грамматики роль злого профессора, который вскрывает всю подноготную человечества и культуры в целом, принадлежит Ноаму Хомски, отцу современной лингвистики.

Он предположил, что у младенцев в голове имеется врожденный "языковой модуль", и затеял по этому поводу образцовую перебранку с Пиаже, отцом-вдохновителем нынешней педагогики, еще в 70-е. В прошедшем десятилетии спор вспыхнул заново, но только теперь о "врожденном-не врожденном" разговаривали уже на языке генетики и нейрофизиологии. 

Раз споры и не думают прекращаться, мы как-нибудь соберемся с духом и расскажем об этом подробней.

Спасибо, Борислав, за обещание!

Возможно, будет ещё веселее связать споры на "языке генетики"

с  "языком Лакана".

Ох, ошибочки!

Если в природе и существует Леонард Зюскинд, то к теории струн он никакого отношения не имеет. Имя этого ученого  - Леонард Сасскинд (а Патрик Зюскинд - автор "Парфюмера"). Во-вторых, современная версия теории суперструн, так называемая М-теория, оперирует "всего лишь" одиннадцатью измерениями, десятью пространственными и одним временным (а 26-мерный вариант - это глубокая архаика).

Эту реплику поддерживают: Irina Singh, Alexei Tsvelik

Да, 11-мерный вариант как окончательный бы предложен Едвардом Уиттеном. Невероятная теория - и мне как простому обывателю все равно не понятно, как глаз может видеть только трехмерный мир, а на самом деле измерений больше. Как и почему струнам нужно больше измерений? И почему наш глаз видет именно три? Простите за наивные вопросы.

Strings

Уникальность теории струн (точнее, суперструн) в том и состоит, что она сама выбирает размерность пространства-времени, в котором оперирует. Это первый такой случай в истории теоретической физики. Прежние фундаментальные теории (ньютоновская механика, классическая электродинамика, эйнштейновская теория тяготения, и т.д.) в принципе можно сформулировать для любого числа измерений. А вот с теорией струн так не получается, математический формализм не позволяет.

А что до глаза... Представьте себе очень тонкую трубку. Издали она будет выглядеть просто как линия (одномерный объект), вблизи же (то есть, при большем увеличении) предстанет как двумерная поверхность цилиндра. Но это только аналогия, на самом деле все намного сложнее.

Из того, что я читала (простите за простоту выражений, я ничего в этом не понимаю), становится ясно общее предположение, что одиннадцатое измерение это некая плоскость, на которой, собственно, и крепится наш мир, и что плоскостей таких бесчисленное множество. Опять-таки, мне непонятно, как и в ходе каких математических исследований ученые пришли именно к этой сумасшедшей теории и почему она рассматривается в качестве самой вероятной. Мне нравится попытка интуитивно схватить "теорию всего", и у великих умов есть эта способность - понять и попытаться комплексно объяснить мир, то есть то, что однобоко и тщетно пытаются понять отдельные дисциплины и искусство. Но что это за мембраны и почему именно гравитация должна играть какую-то особую роль  - все это неясно. Но безумно интересно.

Измерения

Одиннадцатым измерением в М-теории принято считать время, это просто конвенция. Плюс 10 пространственных измерений, внутри которых "плавают" пространства меньших размерностей, так называемые браны. Наш мир - как раз такая трехмерная брана. А особая роль гравитации связана с тем, что ее переносчики, гравитоны, представлены закольцованными струнами, а все прочие элементарные частицы - несвернутыми, то есть, имеющими концы. Однако вся штука в том, что оба конца каждой такой струны как бы приклеены к нашей родной бране и разорвать эту склейку не в состоянии. Поэтому все частицы, окромя гравитонов (электроны, нейтрино, световые кванты. и т.д.) заперты в нашем пространстве, а вот гравитоны могут его покидать и уходить в другие браны.

Каким образом выяснилось, что гравитоны имеют закольцованные струны, а все остальные частицы намертво прикреплены к бране? Главная претензия к этой теории в том, что ее невозможно проверить (или опровергнуть) на практике, так как (пока) нет достаточно мощных микроскопов или коллайдеров. Откуда же тогда известно, как выглядят струны? Я читала, что браны бывают самых разных форм - круглые, плоские, в форме бубликов - откуда же это известно? Как такое вообще можно предположить? Простите, если глупые вопросы.

И еще о струнах

Маша, глупых вопросов не бывает, бывают глупые ответы. Структура струн определяется уравнениями теории, точнее, их решениями. Что-то около сорока лет назад теоретики показали, что там непременно появляются струны в форме замкнутых колец, которым соответствуют частицы с нулевой массой и спином равным 2. Первое время теоретики-струнники попросту не знали, что с ними делать. Но в 1974 году Джон Шварц и Джоэл Шерк выдвинули очень элегантную гипотезу: эти частицы и есть гравитоны.

Их идея оказалась очень плодотворной. Она позволила придать теории суперструн новый смысл , согласно которому эта теория обещала стать математическим фундаментом будущей квантовой теории гравитации. С тех пор она в этом направлении и развивается. Правда, пока никто не может с уверенностью сказать, оправдаются ли эти надежды, однако уже строго доказано, что из теории суперструн математически выводится вся общая теория относительности - а это очень сильный результат. Эд Виттен, о котором Вы упоминали, как-то заметил, что если бы эту теорию не создал Эйнштейн, она могла бы возникнуть как побочный продукт теории струн.

Спасибо, Алексей. Очень интересно - будем надеяться, что коллайдер в Швейцарии что-то прояснит. То, что физическую форму частиц можно вычислить с помощью математики, для меня новость. Платон, наверное, был бы шокирован такой возможностью. 

Платон

Вообще-то Платон атомистом не был. Но, думаю, в принципе такая возможность его бы не удивила. Он ведь считал реальный мир только отблеском мира идей, а в математике видел едва ли не высшую форму проявления разума.

А у меня тоже вопрос. О чем сейчас пишите?

Я скорее не про атомизм, а про его любовь к неким идеальным формам - как и струны, его идеальные формы невозможно ни доказать, ни опровергнуть, а звучит красиво! О чем пишу - последнее, о чем писала, была ситуация в Тунисе.  

Тунис

Ну и как там - демократия без берегов? Или что-то потрадиционней?

Да, вы знаете, столько шуму, но, кажется, шило на мыло поменяли. Зря русские демократы так завидуют.

Юлий Либ Комментарий удален

Коллеги,

я почему-то только сейчас заметил, что в этой ветке произошло грубое нарушение наших правил: переход на личности. Поясню: замечание Сергея Попова находится в этом отношении в пределах наших правил, а замечание Юрия Петрова - увы, за гранью. Мы можем жестко критиковать мнения - но мы не можем делать личных ремарок. Прошу всех помнить об этом.

 

Новости наших партнеров