Текст книги "Краткое содержание «Физика невозможного»"

Физика невозможного

Введение

Труд известного ученого-футуролога, популяризатора науки Митио Каку «Физика невозможного» перевели на русский язык в 2010 году, с тех пор он неоднократно переиздавался. Автор, основываясь на базовых постулатах классической физики и научных достижениях, рассказывает о технологиях будущего.

Перемещения во времени и межгалактические перелеты, открытие принципа телепортации и изобретение плаща-невидимки, мыслящие роботы и телепатия – сейчас эти вещи кажутся фантастикой, но автор уверен, что по мере развития физической науки они будут реализованы. Не заблуждаемся ли мы, считая некоторые вещи и явления невозможными?

Митио Каку выделяет три категории невозможного:

□ Нереализуемое при современном уровне развития физики, но не противоречащее ее основам. Высока вероятность реализации в следующие столетия или десятилетия.

□ То, что под силу воплотить высокоразвитой цивилизации. Сроки нахождения решения отодвигаются на тысячелетия вперед.

□ Явления, противоречащие существующим физическим законам и возможные только при условии изменения этих законов.

Книга затрагивает различные области науки. Она ценна тем, что написана на основе мнений ученых и исследователей, нобелевских лауреатов – физиков, биологов, астрономов и астронавтов. «Физика невозможного» расширяет границы нашего привычного мира, открывает горизонты неизведанного; читая ее, понимаешь, что будущее – не далекое и абстрактное, оно стремительно наступает, меняя наши представления о природе вещей.

Невозможности I класса

Защитное силовое поле

В научно-фантастических романах защитное силовое поле кажется обманчиво простым: невидимый непроходимый барьер одинаково легко отражает луч лазера и ракетный удар. Но если это поле настолько простое, то почему оно не создано и не используется? Не потому ли, что пока мы не владеем технологией его создания? Сегодня силовое поле воспроизводится только в лабораторных условиях, и процесс этот чрезвычайно сложен.

В данном направлении наибольшие успехи достигнуты в работе с плазмой. В 1995 году Эдди Гершкович, физик Брукхейвенской национальной лаборатории, заявил об открытии «плазменного окна». Газ, превращенный в плазму высокотемпературным нагревом, под влиянием электромагнитного поля сохраняет заданную форму, например оконного стекла. Такое «плазменное окно» легко отделит вакуум от воздуха. Ожидается, что метод будет востребован в промышленности и космической отрасли.

Но обладает ли плазменное окно необходимыми свойствами для превращения в непроницаемый щит? Реалистичнее выглядит вариант многослойного силового поля. Возможно, прочности каждого слоя недостаточно, чтобы отразить пушечное ядро, но конструкция из нескольких объединенных слоев справится с задачей.

Силовые поля в том виде, в каком их обычно описывает фантастическая литература, не согласуются с описанием четырех фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной. Но можно предположить, что человеку удастся имитировать многие свойства этих выдуманных полей при помощи многослойных щитов, включающих в себя плазменные окна, лазерные завесы, углеродные нанотрубки и вещества с переменной прозрачностью. Но реально такой щит может быть разработан лишь через несколько десятилетий, а то и через столетие.

Невидимость

Человечество издавна мечтало обрести невидимость, воплощая свое стремление в кинематографе и литературе. Еще недавно ученые считали, что принцип невидимости опровергает законы оптики. Свет, являясь электромагнитной волной, не проходит сквозь плотные тела из-за слишком малого межатомного расстояния. Твердые предметы потому и видимы, что поглощают и отражают световолны, тогда как прозрачные жидкости и газы с большим межатомным расстоянием свободно пропускают свет.

Таким образом, невидимость – это результат строения атомной решетки. Изменить расположение атомов невозможно (говоря о невозможности чего-либо, следует понимать, что невозможное сегодня станет возможным завтра или послезавтра). Значит, выход в том, чтобы создать наружную невидимую оболочку – на основе метаматериалов, разработка которых ведется на протяжении последнего десятилетия.

Метаматериалы за счет оптических свойств меняют светопреломление, а значит, степень видимости предмета. В 2006 году опыты британских ученых, работающих над синтезом метаматерии, увенчались успехом – впервые объект под воздействием лазера стал на короткое время невидим для микроволн. Вероятно, следующим шагом станет создание цилиндра из метаматериалов, как наиболее простой формы, а далее появится метаматерия, облегающая тело.

Фазеры и звезды смерти

Окружающий нас видимый свет состоит из волн различной фазы и частоты, поэтому быстро рассеивается. Вплоть до середины XX века создание мощного направленного пучка света считалось невозможным – это мнение разделяли даже видные ученые. Одиночки, ведущие собственные исследования, были окружены стеной непонимания и скепсиса. Один из них – Чарльз Таунс, позже получивший Нобелевскую премию. Вопреки неверию коллег, неудачам и отчаянию, он упорно работал над созданием пучка когерентного света. В 1953 году он получил результат – первый поток когерентного микроволнового излучения (мазер). Эффект удалось закрепить при работе с видимым светом, и мир получил лазер, который широко используют в науке и технике.

Но вот парадокс: лазер есть, а портативное лазерное оружие до сих пор существует только на страницах научно-фантастической литературы. И битва на световых мечах возможна лишь среди героев «Звездных войн». Почему?

Увы, меч джедая – из области несбыточной фантастики. Против его создания – законы нашего физического мира. Свет не может быть твердым и обрываться в пространстве, как в кинематографических спецэффектах. Нам остается довольствоваться световым плазменным мечом.

Лучевое оружие нуждается в огромном количестве энергии, а значит, требует мощных портативных зарядных устройств. И здесь слово за нанотехнологиями, позволяющими создать мини-батареи огромной энергоемкости. Появиться они могут в ближайшее столетие, и тогда исчезнет последнее препятствие, сдерживающее создание лучевого оружия.

Ученые используют лазеры для получения сверхвысоких температур, существующих только в глубине звезд. Для создания же Звезды смерти – шарового супероружия, способного уничтожить планету, необходим сверхмощный лазер, многократно превышающий возможности современных приборов. Теоретически Звезду смерти создать можно с помощью водородных бомб или гамма-всплесков.

Использование мощных лазеров для создания портативного или ручного лучевого оружия и световых мечей следует отнести к I классу невозможности – по всей видимости, это станет возможным в недалеком будущем или, скажем, в ближайшие сто лет. Но чрезвычайно сложная задача нацеливания вращающейся звезды перед взрывом и превращением ее в черную дыру, т. е. преобразование ее в Звезду смерти, должна рассматриваться как невозможность II класса – нечто, что не противоречит явно законам физики (ведь источники гамма-всплесков существуют в реальности), но может быть реализовано только далеко в будущем, через тысячи или даже миллионы лет.

Телепортация

Популярнейшая в жанре научного фэнтези телепортация – сегодняшняя реальность, хотя и в невообразимо малых масштабах, на уровне атомов. Это так называемая квантовая телепортация. Применительно к крупным объектам, например к людям, она стирает пространственные границы и само понятие о них.

Идея основана на теории вероятности Эйнштейна. В 1935 году был сформулирован парадокс ЭПР (Эйнштейна-Подольского-Розена), гласивший об ошибочности квантовой теории – или ее способности делать невозможное возможным. Например, две частицы в состоянии запутанности разделены огромным расстоянием. Но все происходящие с одной частицей изменения сразу же отражаются на другой.

Квантовая запутанность не только сложна для понимания, но и превышает скорость света, что расходится с теорией Эйнштейна.

Квантовая телепортация – это не перемещение частиц, а передача информации. В процессе участвуют три частицы, одна из которых – посредник. Передав информацию посреднику, первая частица уничтожается. В свете этого факта сложно представить телепортацию живых существ. Но возможно, ученые найдут решение.

Пока успешно освоена телепортация фотонов, атомов кальция и бериллия. На очереди – ДНК-молекулы и вирусы. Вопрос о телепортации человека все еще открыт. Наши тела состоят из миллиардов сложно взаимосвязанных молекул. А пространственное перемещение подразумевает полный «разбор» человека до атомов и молекул и последующую «сборку» с восстановлением всех связей. Если телепортация возможна, то нет сомнений, что ученые справятся с задачей в течение нескольких столетий.

Телепатия

Ученые XIX века пришли к выводу, что мозг испускает слабые электромагнитные импульсы, которые улавливают электроды на поверхности головы. Позднее были созданы электроэнцефалограф и магнитно-резонансный томограф.

МРТ «показывает» участок мозга, задействованный в мыслительном процессе. Но пока ученые далеки не только от чтения мыслей, но даже от того, чтобы определять их общую направленность. Связано это с тем, что мысль активирует миллионы нейронов, а на аппарате МРТ это отражается в виде маленькой точки.

Если компьютерные вычисления локализованы и подчинены заданному алгоритму, то человеческий мозг – это нейросеть, где мыслительный процесс распространен по всему объему. Когда мы думаем, в мозгу последовательно вступают в работу разные участки. В этом и заключается основная сложность исследований.

Что предлагают ученые? Один из вариантов – составление карты мозга. Но учитывая количество нейронов – больше 100 млрд, проект выглядит трудновыполнимым. Рассматривается создание словаря мыслей, в котором определенные понятия увязываются с активностью соответствующих нейрогрупп.

Телекинез

А что насчет телекинеза? Изучение деятельности мозга допускает его реальность – при наличии радио– или компьютерного усилителя. Установлено, что человек с помощью мозговых сигналов способен управлять компьютером, переключать каналы, двигать ладонью искусственной руки. В практическом плане технология сильно облегчит жизнь людям с ограниченными возможностями. Создание управляемого экзоскелета – дело не столь отдаленного будущего.

Законы физики отрицают телекинез. Подтолкнуть к решению задачи может открытие сверхпроводимости при комнатных температурах – тогда станет доступна магнитная левитация. Для мысленного управления предметами на расстоянии понадобятся приборы – усилитель, сверхпроводники и электромагниты. Само событие ожидается в XXI веке.

Роботы

По мнению футуролога и техдиректора Google Рэймонда Курцвейла, к 2027 году личные роботы станут столь же привычны, как современные стиральные машины и мультиварки.

В разговоре о роботах нельзя избежать темы создания искусственного интеллекта (ИИ). Кто-то считает это возможным. Есть и противоположное мнение, согласно которому ИИ – бледная тень человеческого мозга, сложнейшего инструмента, создаваемого природой миллионы лет.

Человек уступает роботам в скорости и точности вычислений – машины справляются с этим лучше. В остальном люди совершеннее техники. Вычислительная функция для нас не основная, об этом свидетельствует хотя бы то, что под нее отведен крохотный участок мозга. Каждый день мы принимаем обыденные для нас решения, основанные не только на математическом алгоритме, но и с учетом эмоций, чувств, целесообразности, здравого смысла и собственных желаний. Роботам ничего из этого не доступно. Например, простое ощущение «нравится – не нравится» – это результат, который мозг выдает, проведя громадную вычислительную работу, выбрав главное, отсеяв второстепенное. Процессор – достойный конкурент мозгу в плане быстродействия пока не создан.

Кроме того, машины плохо ориентируются в пространстве и не распознают трехмерные объекты.

С учетом перечисленных проблем ученые двигаются в двух направлениях:

□ Подход «Сверху вниз» направлен на создание сборника правил здравого смысла и обучение роботов распознаванию образов. Однако пока еще никто не описал законы здравого смысла – возможно, потому, что их слишком много, и нереально смоделировать все ситуации, в которых они понадобятся.

□ Подход «Снизу вверх» – создание самообучающихся машин. Реализации задумки мешает нехватка нейронов у роботов – их может быть от десятков до сотен, но все равно это крайне мало по сравнению с 10 млрд нейронов в человеческом мозге. Поэтому при сравнении способностей к обучению даже маленькие дети сильно опережают машины.

Возможно, в будущем эти подходы будут использовать совместно, и усовершенствованные роботы вытеснят людей из профессий, связанных с монотонными действиями и работой с числами. Но не следует недооценивать роботов.

Превзойдут ли компьютеры нас по разумности? Разумеется, в принципе это не запрещено никакими законами природы. Если роботы представляют собой самообучающиеся нейронные сети и если они достигли уровня развития, позволяющего им учиться быстрее и эффективнее, чем учимся мы, то логично предположить, что со временем они превзойдут нас в рассуждениях.

Внеземные цивилизации

Рассказы о якобы имевших место встречах с инопланетянами находят горячий отклик в обществе, вызывают ожесточенные споры между теми, кто уверен в существовании внеземных цивилизаций, и их оппонентами-скептиками. Суждено ли человечеству найти во Вселенной братьев по разуму, или жизнь вне планеты Земля не существует?

Для зарождения жизни необходимы: жидкая вода, углеродно-водородные соединения и самовоспроизводящаяся молекула наподобие земной ДНК. Эти критерии позволяют приблизительно оценить количество планет, где возможно появление живой материи. Среди 100 млрд звезд галактики Млечный Путь имеются те, что по характеристикам схожи с Солнцем. Затем нужно оценить долю звезд с подходящими планетными системами. В 1961 году такой анализ провел Фрэнк Дрейк, астроном Корнелльского университета.

Взяв за основу разумные оценки и перемножив все перечисленные вероятности, мы поймем, что в одной только галактике Млечный Путь может существовать от 100 до 10 000 планет, на которых имеется разумная жизнь. Если разумные формы жизни равномерно распределены по Галактике, то можно ожидать, что одна из таких планет может обнаружиться «неподалеку» – всего в нескольких сотнях световых лет от Солнечной системы. В 1974 г. Карл Саган сделал другую оценку; по его мнению, в нашей галактике Млечный Путь может существовать до миллиона цивилизаций.

Представить космические цивилизации помогут физические законы. В 1964 году советский ученый Николай Кардашёв создал классификацию цивилизаций, предположительно существующих в других галактиках. Он разделил их на типы в зависимости от источника получаемой энергии:

□ цивилизации 1-го типа – добывают энергию из ресурсов планеты;

□ цивилизации 2-го типа – используют солнечную энергию;

□ цивилизации 3-го типа – используют галактическую энергию.

Развитие науки и технологий, открытие новых планет за границами Солнечной системы намного увеличивает вероятность контакта с внеземной жизнью. Если в космосе существуют иные, кроме нашей, цивилизации, то встреча с ними – вопрос времени. Не исключено, что это случится в XXI веке.

Звездолеты

Мы знаем, когда зародилась Земля. Нам также известно, когда и как она погибнет. Через 5 млрд лет Солнце, раздувшись до размеров красного гиганта, сожжет колыбель человечества. Люди выживут, переселившись на планету, подобную Земле. Для этого понадобятся звездолеты, а к ним – двигатели, намного превосходящие по мощи существующие либо принципиально иные. Проекты таких двигателей есть, но не реализуются. Атомный двигатель небезопасен. При запуске импульсного двигателя в районе старта выпадут ядерные осадки. Наиболее перспективен прямоточный термоядерный двигатель. Он работает на водороде, которого во Вселенной более чем достаточно; корабль может его собирать при движении в космосе. По сути, у такого двигателя будет неограниченный доступ к топливу.

Однако самый многообещающий, возможно, вариант звездного корабля предполагает использование антивещества. В настоящий момент этот проект больше напоминает научную фантастику, но не будем забывать, что антивещество уже получено на Земле; не исключено, что когда-нибудь такой звездолет станет самым перспективным вариантом для отправки к звездам первой настоящей экспедиции.

Антивещество и антивселенные

Будущая эра освоения космоса потребует сверхмощного топлива для дальних космических перелетов.

Из всех видов топлива самое эффективное – антивещество. Оно известно с середины XX века; именно тогда ученые обнаружили, что каждой частице соответствует противоположно заряженная пара. Столкновение частицы и античастицы сопровождается взрывом с громадным энергетическим выбросом, стопроцентным КПД, недоступным для прочих видов топлива. Открытие антивещества дает надежду на будущий выход человечества за границы Галактики и, возможно, организацию регулярных межгалактических рейсов. К минусам относится высокая цена и взрывоопасность.

В земных условиях производство антивещества очень дорогое, поэтому ученые предложили поискать в космосе его запасы, уцелевшие после Большого взрыва. Поскольку поиски до сих пор не принесли результата, остается два выхода: удешевлять производство либо все-таки найти антиматерию за пределами Земли. Параллельно стоит заняться созданием двигателя на антивеществе. И тогда полеты в другие галактики станут реальностью.

Существование антиматерии закономерно приводит к мысли о существовании антивселенных.

Вообще, могут ли существовать какие-нибудь антивселенные, симметричные нашей по одному или нескольким параметрам? На этот вопрос следует дать положительный ответ. Хотя симметричные по четности и по заряду вселенные невозможны, в принципе антивселенные имеют право на существование; правда, это будет очень странная симметрия. Если поменять на противоположные не только знак заряда и четность, но и направление хода времени, то вселенная, которая у нас получится, будет подчиняться всем законам физики.

Невозможности II класса

Быстрее света

Работы Эйнштейна полностью изменили представления о свете, времени и пространстве. Оказалось, что скорость света – константа, влияющая на пространство и время. Превысить ее невозможно: энергия движения тела переходит в массу, а с увеличением скорости увеличивается масса.

Многочисленные эксперименты засвидетельствовали правоту теории Эйнштейна. Но может ли объект перемещаться со сверхсветовой скоростью? Возможны два решения, проистекающие из свойств времени и пространства:

□ Растяжение пространства. Сжимая пространство позади себя и растягивая впереди, можно передвигаться со сверхсветовой скоростью, даже оставаясь на месте. В 1994 году появилась первая модель гиперпространственного двигателя, авторства Мигеля Алькубьерре. Собрать такой двигатель пока невозможно ввиду того, что он работает на отрицательном веществе, до сих пор не обнаруженном в природе.

□ Разрыв пространства, или «кротовая нора». С данной технологией возможны путешествия не только между галактиками, но и между вселенными.

О существовании «кротовых нор» заявил Карл Шварцшильд в ходе работы над решениями уравнений Эйнштейна.

По всей видимости, кротовые норы и растянутое пространство – самые реальные способы преодолеть световой барьер. Пока неясно, стабильны ли эти технологии; но даже если они стабильны, нам потребовалось бы сказочное количество энергии – положительной или отрицательной, – чтобы заставить их реально работать.

Может быть, уже сейчас какая-нибудь цивилизация III типа обладает подобными технологиями. Но пройдут, возможно, тысячи лет, прежде чем человечество сможет хотя бы всерьез задуматься о том, чтобы обуздать подобную мощь.

Путешествия во времени

В системе Ньютона время – однонаправленная, постоянная величина; теория относительности Эйнштейна предполагает путешествия в будущее. Согласно Эйнштейну, между временем и скоростью существует обратная зависимость: при увеличении скорости время замедляется. То есть, космические путешественники, облетев Землю на большой скорости, попадут в будущее.

Можем ли мы попасть в прошлое? Стивен Хокинг дает отрицательный ответ, аргументируя свою точку зрения отсутствием в настоящем туристов из будущего. Логика в этом, безусловно, присутствует, но другие физики утверждают о математической обоснованности путешествий во времени. К тому же идея не конфликтует с теорией относительности.

Возможные решения:

□ «Кротовые норы» позволяют двигаться быстрее света и свободно перемещаться по оси времени.

□ Вращение. Двигаясь со скоростью, превышающей скорость вращения Вселенной, можно было бы попасть в прошлое. Однако вопрос о вращении Вселенной до сих пор не решен: ученые предполагают, что она вращается, но научных доказательств не получено. Астрономы же относятся к подобной возможности скептически.

□ «Космические струны». Обогнув две гигантские струны до момента их столкновения, можно попасть в прошлое по временному туннелю, который откроется на короткий миг.