Майже революція: теорії, які могли змінити фізику, але не змогли
- Ігор Сальниченко
- 29 квіт.
- Читати 16 хв
Оновлено: 3 трав.
Фізика як наука зазнала кількох наукових революцій, що докорінно змінювали наше уявлення про світ – наприклад, відкриття геліоцентризму, створення класичної механіки чи теорії відносності. Втім, в історії науки були й ідеї, які мали потенціал здійснити революцію, але зрештою були відкинуті через відсутність доказів або появу кращих теорій. Розгляньмо такі спроби – від античних гіпотез до концепцій XX століття – що ледь не перевернули фізику, але з різних причин зазнали краху.
Атоми Демокріта: революція теорії будови матерії
Демокріт Абдерський (бл. 460 – 370 до н.е.) – давньогрецький філософ, який одним із перших запропонував ідею, що вся матерія складається з найдрібніших неподільних частинок – атомів, що рухаються в порожнечі. Демокріт та його вчитель Левкіпп в V ст. до н.е. стверджували, що всі тіла утворені з твердих неділимих часток, різних за формою і розміром, які знаходяться у порожньому просторі [1, 2]. Ця атомістична картина світу різко контрастувала з ученням Аристотеля про суцільну природу матерії і чотири стихії. Попри свою оригінальність, атомізм Демокріта не був прийнятий більшістю античних вчених. Аристотель відкрито критикував ідею атомів і порожнечі, вважаючи її філософськи неприйнятною [2]. Його авторитетна натурфілософія (вчення про елементи та властивості) здобула домінування і визначила наукові погляди на багато століть вперед.
Після занепаду античності атомістичні уявлення взагалі були забуті. У добу середньовіччя європейська наука спиралася на вчення Аристотеля, і церква відкидала демокрітів атомізм як матеріалістичний та несумісний з теологією [1]. Лише в XVII–XVIII ст., з розвитком експериментальної науки, ідея атомів відродилася в працях П’єра Гассенді, Роберта Бойля та інших. В XIX ст. хімічні закони Джона Дальтона й відкриття періодичного закону остаточно підтвердили, що матерія складається з атомів. Отже, «революція» Демокріта відбулася із запізненням на дві тисячі років: у свій час його теорія не змінила фізику через відсутність доказів та панування інших світоглядних концепцій [1]. Лише наприкінці XIX – початку XX ст. атомна теорія стала наріжним каменем науки, підтвердивши правоту Демокріта постфактум [2].
Геліоцентризм Аристарха: Сонце замість Землі в центрі світу
За 18 століть до Коперника, давньогрецький астроном Аристарх Самоський (бл. 310 – 230 до н.е.) висунув сміливу гіпотезу: у центрі Всесвіту знаходиться Сонце, а Земля разом з іншими планетами обертається навколо нього. Аристарх оцінював відстані до Місяця і Сонця, дійшов висновку про набагато більші розміри Сонця, і логічно припустив, що Земля має обертатися навколо такого велетня. На жаль, його геліоцентрична модель тоді була сприйнята як надто радикальна. Сучасники відхилили цю ідею, і традиційна геоцентрична система (із нерухомою Землею) залишалася домінуючою ще приблизно 1700 років [3].
Чому ж теорію Аристарха не прийняли стародавні вчені? По-перше, вона суперечила авторитетному вченню Аристотеля про «природне місце» Землі в центрі Всесвіту. По-друге, від моделі Аристарха очікували пояснення, чому при русі Землі не спостерігається зміщення зір (паралакс) – для цього довелося б припустити, що зорі неймовірно далеко. Така гіпотеза про колосальні розміри Всесвіту видавалася грецьким астрономам неправдоподібною [3]. Модель Аристарха фактично кидала виклик усталеним уявленням про особливе положення Землі. “Його геліоцентризм суперечив популярному переконанню, що Земля – центр Всесвіту,” пишуть історики науки [3]. Тож ідею Аристарха визнали хибною та забули. Лише в XVI ст. Микола Коперник, знаючи про згадку цієї теорії, розробив свій геліоцентричний опис руху планет. Зрештою, Аристархова «майже революція» здійснилася в епоху Відродження – але самому Аристарху вона не принесла лаврів. Його новаторська модель була занадто випереджальною для античності і була відкинута через відсутність прямих доказів та конфлікт з тодішньою науковою доктриною.
Вихори Декарта: механістична космологія без гравітації
У XVII столітті, на світанку класичної науки, видатний французький мислитель Рене Декарт (1596–1650) запропонував свою картину Всесвіту, яка могла стати революційною альтернативою ньютонівській механіці. Декарт, відомий філософ і математик, прагнув пояснити рух планет без таємничої дії на відстані. Він припустив, що простір заповнений тонкою матерією, яка утворює гігантські вихори навколо зір. У цих вихорах, ніби у водоверті, Сонце утримує планети на орбітах. Теорія «космічних вихорів» Декарта пояснювала, чому планети обертаються навколо Сонця і чому немає порожнечі: вся небесна сфера заповнена рухомим ефірним флюїдом [4].
Чому цю ідею вважали перспективною? По-перше, вона усувала потребу в невидимій гравітаційній силі: планети рухаються, бо їх «несе» потік ефірної речовини. По-друге, вона розв’язувала проблеми старих астрономічних моделей – наприклад, пояснювала, чому не існує твердих кришталевих сфер Птолемея (траєкторії планет могли перетинатися у вихорі) [4]. Декартівські вихори добре узгоджувалися з механістичним духом Нового часу, тож його космологія набула популярності. У другій половині XVII ст. в континентальній Європі багато вчених підтримували систему Декарта як «раціональне» пояснення будови небес [4]. Зокрема, у Франції картезіанська школа домінувала аж до початку XVIII ст.
Проте згодом ця теорія не витримала конкуренції із працею Ньютона. Ісаак Ньютон у 1687 р. опублікував «Математичні начала натуральної філософії», де обґрунтував закон всесвітнього тяжіння. Ньютонів підхід – хоча й вводив загадкову силу тяжіння – давав точні кількісні передбачення (закони Кеплера випливали з його теорії) і пояснював орбіти планет значно краще. Декартівські вихори, навпаки, не мали чіткої математичної основи: не існувало формул для розрахунку траєкторій планет у «ефірі».
Не було створено точного математичного апарату, який би міг змагатися з ньютонівським (його прихильники так і не побудували розрахунків, рівних за точністю ньютонівським) [5]. Ба більше, експерименти не підтвердили наявності такого всепроникного вихрового ефіру. Спроби виявити опір «ефірного вітру» чи продемонструвати вихрові ефекти не дали результату [5]. У підсумку, на початку XVIII ст. навіть французькі науковці відмовилися від картезіанських вихорів на користь закону тяжіння. Декартова теорія, яка могла стати альтернативоюньютонівській, «затонула» через свою невизначеність і безплідність – вона була занадто гнучкою та неконкретною, аби щось спростувати, і не давала нових відкриттів [6]. Її остаточно витіснили успіхи теорії тяжіння та розквіт небесної механіки. Таким чином, вихори Декарта увійшли в історію як цікава, але невдала спроба пояснити Всесвіт без гравітації.
Флогістон: «вогненна субстанція», якої не існує
У XVIII столітті в галузі хімії й фізики панувала теорія, що сьогодні видається дивною. Вона намагалася пояснити природу горіння і окиснення. Згідно з цією теорією, всі горючі тіла містять особливий елемент – флогістон, або «вогонь-субстанцію». Під час горіння флогістон нібито виділяється з речовини і поглинається повітрям. Залишок (зола чи металевий «кальцін») – це речовина, позбавлена флогістону. Цю гіпотезу висунув 1667 року німецький хімік Й.Й. Бехер, розвинув у 1703 р. хімік Георг Шталь (1660–1734), і незабаром вона стала панівною в хімії на більшу частину XVIII ст. Теорія флогістону здавалася дуже переконливою, оскільки під одну ідею підпадали багато явищ: горіння, іржавіння металів (вважалося «повільним горінням» з виділенням флогістону), відновлення металів із руд тощо. Уявний флогістон пояснював, чому в замкненому об’ємі горіння припиняється (повітря «насичується» флогістоном і більше не може його приймати) і чому дихання потрібне для життя (понадміру «флогістоване» повітря задушливе) [7]. Теорія флогістону стала настільки впливовою, що без неї не обходився жоден підручник хімії середини XVIII ст. – вона була широко прийнята завдяки явним емпіричним успіхам і відсутності конкурентних пояснень [8].
Однак із часом накопичувалися факти, що не вписувалися в цю картину. Головна проблема полягала в тому, що при згорянні або «кальцинації» металів маса продукту збільшувалася, хоча, за ідеєю, мала б зменшитися після втрати флогістону. Наприклад, окис свинцю важчий за чистий свинець. Прибічники флогістону ухитрилися врятувати теорію, припустивши, що флогістон має «негативну вагу» – тобто його вихід збільшує масу залишку [7]! Ця вигадка дозволяла тимчасово узгодити теорію з вимірюваннями, але виглядала штучно. В 1770-х роках стали з’являтися нові дані, які теорія флогістону пояснити не могла. Кульмінацією став 1789 рік, коли Антуан Лавуазьє опублікував роботи про кисень і закон збереження маси.
Лавуазьє показав, що при горінні речовини не виділяють «вогняну субстанцію», а навпаки з’єднуються з газом – кислородом – і саме тому маса продуктів збільшується [7]. У герметично закритих посудинах сумарна маса реагентів не змінюється – отже, ніякий флогістон не зникає й не «відлітає». Відкриття кисню та пояснення природи горіння стали початком нової хімії. Близько 1790 року більшість учених відмовилися від старої теорії. Її стрімкий крах називають «хімічною революцією». Те, що здавалося фундаментальним принципом, виявилося помилкою. Флогістон, ця фантомна сутність, був остаточно спростований експериментами Лавуазьє [7]. Сьогодні він є хіба що цікавим прикладом того, як навіть неправильна теорія може певний час сприяти розвитку науки (адже за часів Шталя вона стимулювала численні досліди) [9]). Але революції, на яку сподівалися прихильники флогістону, не сталося – навпаки, революція сталася проти нього.
Теплород (калорік): уявний «флюїд тепла»
Як і флогістон, інша популярна теорія XVIII століття уявляла собі фізичну сутність, якої насправді не існує. Мова про теорію теплороду (або «каліоріка»). Вчені того часу намагалися зрозуміти, що таке тепло. Одна з провідних гіпотез стверджувала, що тепло – це особлива невидима рідина, теплород, яка міститься в тілах. Гарячі тіла мають надлишок цього флюїду і передають його холоднішим. Антуан Лавуазьє включив «теплород» у свій список елементів (1787), нарівні з киснем, воднем тощо [10]. Теорія теплороду успішно пояснювала багато явищ: нагрівання, охолодження, теплообмін. Наприклад, чому під час змішування гарячої і холодної води виходить тепла – теплород перетікає від гарячої до холодної, поки не встановиться рівновага. Чому тверді тіла розширюються при нагріванні і переходять у рідкий і газоподібний стан? При додаванні теплороду «частинки матерії розсовуються», послаблюється їхній зв’язок – твердий лід перетворюється на воду, а додатковий теплород «розпихає» частинки води в пар [10]. Навіть нагрівання від тертя намагалися пояснити видавлюванням теплороду з тіл (при терті дерева виділяється «вогонь» – значить, витискується теплород).
Тепловий флюїд довго вважався реальною субстанцією, яка зберігається при всіх процесах. Це відповідало закону збереження (тогочасні вчені вірили, що кількість теплороду ізольованої системи стала). Теорія настільки прижилася, що дозволила Саді Карно навіть вивести закони теплових машин (1824) – він уявляв роботу пари як передачу теплороду від гарячого резервуара до холодного. Успіхи теплородної теорії тривали до середини XIX ст. [11]. Проте вже наприкінці XVIII ст. з’явилися перші сумніви. Американський винахідник Бенджамін Томпсон (граф Румфорд) у 1798 році проводив знамените свердління гарматного ствола і спостерігав, скільки тепла виділяється при цьому. Він помітив, що нагрівання при терті може тривати практично нескінченно, доки працюють коні, тоді як ніякого очевидного «пального» не витрачається. Румфорд зробив висновок: якщо тепло можна генерувати необмежено довго, воно не може бути матеріальною речовиною – скоріше, це результат руху частинок [10]. Свої досліди він проводив у закритих посудинах і показав, що маса системи не змінюється при виділенні тепла. Це був серйозний удар по теплородній теорії.
Протягом першої половини XIX ст. інші дослідники (Джеймс Джоуль, Юліус Маєр та ін.) накопичили дані про еквівалентність теплоти і роботи. До 1850-х стало зрозуміло, що тепло – це форма енергії, а не речовина. Експерименти Джоуля виміряли, скільки механічної роботи еквівалентно одиниці теплоти (т.зв. механічний еквівалент теплоти). Ці результати остаточно переконали спільноту: теплород як рідина не потрібен для пояснень. Вчені прийняли кінетичну теорію теплоти (що тепло відповідає хаотичному руху атомів/молекул). Приблизно до 1860-х рр. теорія теплороду була повністю витіснена новими уявленнями Вона зберігалася хіба що в популярній літературі до кінця XIX ст. [12]. Безпосередніми причинами краху стали, по-перше, неможливість пояснити нескінчене генерування тепла тертям (яке довів Румфорд), а по-друге, прямі кількісні досліди, що обґрунтували закон збереження енергії. Таким чином, ще одна «майже революція» – уявлення про тепловий флюїд – не відбулася. Навпаки, перемогла нова революційна ідея: енергія зберігається в усіх процесах, а тепло – це форма руху.
Світовий ефір і його крах: від гіпотези до нульового результату
На рубежі XIX–XX ст. фізика підійшла до відкриття теорії відносності, але передувала цьому невдала спроба революції, пов’язана з пошуком так званого світового ефіру. Після відкриття Дж. Максвеллом електромагнітних хвиль (1860-ті рр.) вчені вірили, що для поширення світла необхідне середовище – адже всі відомі хвилі (звук, вода) потребують матеріального носія. Таким носієм вважали ефір, невидиму пружну субстанцію, що заповнює увесь простір. Ідея ефіру не була новою – ще з античності філософи говорили про п’ятий елемент, ефір. У XIX ст. ця концепція набула суворого фізичного змісту: ефір наділяли властивостями пружного твердого тіла, яке пронизує навіть вакуум і служить для електромагнітних хвиль тим, чим повітря є для звуку. Майже всі фізики кінця XIX ст. приймали існування ефіру як очевидне. Шукали його властивості, оцінювали щільність тощо. Популярність цієї ідеї була настільки великою, що створювалися складні ефірні теорії для пояснення всіх явищ – наприклад, лорд Кельвін намагався змоделювати атоми як вихори в ефірі (див. наступний розділ).
Проте знайти експериментальні підтвердження реальності ефіру не вдавалося. Найвідомішою спробою стала інтерференційна експериментальна робота американських фізиків Альберта Майкельсона і Едварда Морлі у 1887 році. Вони намагалися зафіксувати рух Землі відносно ефірного середовища, вимірявши різницю швидкості світла у різних напрямках (так званий «ефірний вітер»). Результат виявився нульовим: жодної різниці в швидкості світла не виявлено. «Нам не вдалося виявити ефір», – констатували Майкельсон і Морлі у своєму звіті [13]. Ця невдача сколихнула науковий світ. Дехто намагався «врятувати» ефір гіпотезами (наприклад, Дж. Фіцджеральд і Г. Лоренц припустили, що рухоме тіло скорочується в напрямку руху, компенсуючи ефект – так виникла ідея лоренцевого скорочення). Але дедалі більше фізиків схилялися до думки, що жодного ефіру немає.
Остаточну крапку поставив Альберт Айнштайн. У 1905 році, створюючи спеціальну теорію відносності, він просто відкинув поняття ефіру. Айнштайн показав, що світло не потребує середовища: його закони справедливі у будь-яких інерційних системах, і нульовий результат експерименту Майкельсона-Морлі природно пояснюється фундаментальними постулатами відносності [14]. Теорія відносності здобула швидке визнання, і стара ефірна парадигма зникла. «Абсолютно жодних експериментальних доказів існування ефіру не залишилося», – писали вчені на початку XX ст. [14]. Так завершилася ця “майже революція”: замість підтвердження ефіру сталося народження нової фізики простору-часу. Концепція всепроникного ефіру, що панувала понад 200 років, виявилася зайвою і була відкинута наукою.
Вихрові атоми Кельвіна: красива ідея, що не втілилась
У 1867 році британський фізик Вільям Томсон, більше відомий як лорд Кельвін (1824–1907), запропонував оригінальну модель будови атомів. Він поставив запитання: а що, як атоми – це просто вихори в ефірі? [6] На той час вже припускали існування всесвітнього ефіру, і математик Гельмгольц довів, що у ідеальній рідині вихрові кільця можуть бути стабільними і навіть «зав’язуватися» у вузли. Кельвін поєднав ці ідеї з хімією: якщо кожен хімічний елемент – це особливий вузол-вихор у ефірному середовищі, то зрозуміло, чому атоми одного виду ідентичні (однакова топологія вузла) і чому їх скінченна кількість (типів вузлів обмежено математично) [6].
Вихорова теорія атома виглядала надзвичайно привабливою. Вона обіцяла об’єднати науку про речовину (хімію) з гідродинамікою і теорією ефіру. Молекули, за Кельвіном, мали утворюватися як сполучені між собою вихрові кільця. Його колега Пітер Тейт так захопився цією ідеєю, що уклав каталог можливих вузлів (до 10 перетинів) і намагався співставити їх з відомими елементами [6]. Здавалося, ось-ось відкриється шлях до розуміння періодичної системи елементів через вузли, а фізика і хімія об’єднаються в єдину теорію.
На жаль, попри всю математичну красу, вихрові атоми так і не виправдали сподівань. Чому ж «теорія вузлів» не змінила фізику? По-перше, її практично неможливо було перевірити: реальний ефір залишався гіпотетичним, невловимим. По-друге, наприкінці XIX ст. було відкрито електрон (1897) і встановлено, що атом має складну будову (модель Резерфорда, 1911). Ці експериментальні знахідки спростували вихрову гіпотезу – атом виявився не суцільним вихором, а складався з ядра та електронів. По-третє, сама теорія Кельвіна не давала конкретних кількісних передбачень, її було важко застосувати до реальних даних. Фактично вона виявилася безплідною: за кілька десятиліть розвитку жодного хімічного чи фізичного явища не було точно передбачено за допомогою вузлів. Як влучно зазначив Френк Вільчек, ця «красива і математично плідна» концепція стала «прекрасним невдахою» – її погубила не внутрішня суперечність, а стерильність і поява успішніших конкурентів [6].
До початку XX ст. механічний ефір взагалі дискредитував себе (див. попередній розділ), тож ґрунт, на якому стояла вихрова теорія, щез. Натомість тріумфувала нова квантова теорія атома, зовсім іншого ґатунку. Таким чином, задум Кельвіна обернувся історичним курйозом. Його приклад показав, що навіть дуже елегантна гіпотеза може виявитися хибним шляхом розвитку науки.
Стаціонарний Всесвіт: космологія без початку і кінця
Після Другої світової війни в космології виникла серйозна дискусія: чи був у Всесвіту початок (великий вибух), чи ж він існує вічно у незмінному вигляді? У 1948 році група британських науковців – Герман Бонді, Томас Голд та Фред Гойл – запропонували теорію стаціонарного стану Всесвіту [15]. Вони припустили, що Всесвіт розширюється, як і передбачає теорія Великого вибуху, але при цьому постійно народжується нова матерія, яка підтримує середню густину сталою. Таким чином, Всесвіт не має ні початку, ні кінця у часі – на великих масштабах він завжди виглядає однаково. Ця модель відповідала так званому «перфектному космологічному принципу» (не тільки в просторі, але й у часі властивості Всесвіту однорідні).
Нову теорію зустріли з інтересом, адже вона усувала філософську проблему виникнення Всесвіту з «нічого». Чому вона здавалася перспективною? По-перше, модель стаціонарного стану пояснювала розбігання галактик, не вводячи єдиного моменту творення – натомість матерія постійно з’являється у порожнині, що утворюється між розлітаючимися галактиками. Розрахунки показували, що для цього потрібна дуже мала швидкість народження – приблизно 1 атом водню на кубічний кілометр за мільярд років, що не суперечило б спостереженням. По-друге, теорія робила деякі передбачення – наприклад, існування певної кількості молодих галактик на кожен об’єм простору (адже галактики постійно народжуються). Деякі астрономічні спостереження 1950-х начебто навіть підтримували цю ідею. Фред Гойл активно пропагував стаціонарну модель у наукових колах і ЗМІ (саме він, скептично ставлячись до альтернативи, придумав термін «великий вибух» як жарт). Протягом 1950-х років серед космологів існувало два табори – прихильники великого вибуху та прихильники стаціонарного всесвіту – і здавалося, що нова теорія має шанси здійснити революцію в астрономії.
Вирішальне слово, втім, залишилося за спостереженнями. У 1963–65 роках одразу декілька відкриттів похитнули стаціонарну модель. По-перше, астрономи почали відкривати квазари та радіогалактики на великих відстанях і помітили, що у далекому (молодому) Всесвіті їх більше, ніж у ближньому. Це суперечило принципу стаціонарності (який вимагав однакового розподілу в часі). По-друге, в 1965 р. випадково була виявлена космічна мікрохвильова фонова радіація – слабке випромінювання, що йде з усіх напрямків. Вона саме й була передбачена теорією Великого вибуху як «відлуння» раннього гарячого стану Всесвіту. Натомість у стаціонарній космології пояснити існування такого фону виявилося неможливо. Ці факти стали смертельними для теорії Гойла, Бонді та Голда. Спостереження 1950–60-х років дали все більше суперечливих доказів проти стаціонарного Всесвіту [15]. На початку 1970-х практично всі космологи визнали модель Великого вибуху правильною, а стаціонарну теорію – хибною. «Спостережні дані… призвели до майже одностайної підтримки моделі великого вибуху», зазначає Britannica [15]. Так завершилася ця невдала революція: «вічний» Всесвіт поступився місцем Всесвіту, що має початок. Цікаво, що Фред Гойл до кінця життя не погоджувався з поразкою і висував модифікації (квазістаціонарні моделі), але основна наука їх не прийняла. Наочним підтвердженням тріумфу теорії Великого вибуху стало присудження Нобелівської премії (1978) за відкриття мікрохвильового фону, який став «цвяхом у труну» стаціонарної моделі.
«Холодний термоядерний синтез»: сенсація, якої не сталося
Весною 1989 року світові ЗМІ вибухнули новиною: нарешті вирішено енергетичну проблему людства! Двоє хімів-електрохіміків – Мартін Флейшман і Стенлі Понс з університету Юти (США) – оголосили, що їм вдалося здійснити термоядерний синтез у лабораторних умовах, за кімнатної температури. Зазвичай реакції злиття ядер (як на Сонці) потребують мільйонних температур, але Флейшман і Понс стверджували, що домоглися «холодного синтезу» у електролізній комірці з важкою водою і паладієвим електродом. Вони повідомили про аномальне виділення тепла і продукти ядерних реакцій (нейтрони). Це відкриття означало б майже безмежне джерело енергії без радіаційних відходів – справжню науково-технічну революцію. Науковці провели прес-конференцію 23 березня 1989 р. до публікації результатів, що нетипово для наукової етики [16]. Університет Юти одразу подав заявку на патент. Почалася справжня «холодно-синтезна лихоманка»: десятки лабораторій по всьому світу кинулися відтворювати експеримент.
Проте ейфорія тривала недовго. Іншим дослідникам не вдалося підтвердити феномен Флейшмана і Понса. Перші перевірки показали, що надлишкове тепло то з’являється, то ні, а наведені ознаки ядерних реакцій (нейтронне випромінювання) вкрай слабкі і непереконливі. Вже через кілька місяців більшість учених охолола до сенсації: результати виявилися невідтворюваними. Навіть ті небагато груп, які спочатку заявили про успіх, зізналися, що їм важко повторити ефект стабільно [16]. Головне – не спостерігалося очікуваних продуктів реакцій. Якби йшов термоядерний синтез дейтерію, мало б утворюватися багато нейтронів та тритію, але їх кількість була у мільйони разів меншою, ніж відповідало б виділеному теплу [16]. Це свідчило, що джерелом невеликого «надлишку» тепла є не ядерна реакція, а щось інше (помилка вимірювання або якийсь хімічний процес). У грудні 1989 року комісія Міністерства енергетики США офіційно дійшла висновку, що доказів на користь холодного синтезу немає.
Таким чином, гучна «революція» обернулася науковим фіаско. Флейшман і Понс зазнали критики; їх репутація була зіпсована. На 1990 рік переважна більшість наукової спільноти вже не вважала холодний синтез реальним явищем [16]. Звичайно, залишилася невелика група ентузіастів, які продовжували досліди під новою назвою (LENR – «реакції за низької енергії»), але ці роботи перебувають на маргінесі науки. В підручниках цей епізод наводять як приклад патологічної науки – коли бажане видали за дійсне. Втім, історія з холодним термоядерним синтезом навчила дослідників обережності. Вона продемонструвала, що навіть опубліковані академіками результати можуть виявитися хибними, якщо не підкріплені незалежним відтворенням. На сьогодні загальновизнано: контрольований термоядерний синтез можливий лише за екстремальних умов (високотемпературна плазма або імплозія лазерами), а «настільний синтез» 1989 року був помилкою.
Теорія струн: елегантна математична ідея без доказів
Остання з наших історій – ще не завершена. Вона стосується сучасної теоретичної фізики. Протягом останніх ~40 років фізики працюють над теорією струн – амбітною концепцією, яка прагне об’єднати квантову механіку і гравітацію, створивши єдину «теорію всього». Згідно з цією теорією, всі елементарні частинки – це не точки, а крихітні одновимірні струни, що вібрують різними способами. Різні типи коливань струни відповідають різним частинкам (електрон, фотон, кварки тощо), а одне з коливань відповідає гравітонові – квантові гравітаційного поля. Теорія струн потребує додаткових вимірів простору (зазвичай 10 або 11 вимірів), які компактно згорнуті на надмалих масштабах. В 1980-х роках з’ясувалося, що теорія струн є математично несуперечливою і потенційно може пояснити всі відомі частинки та взаємодії. Через це за нею закріпилася слава «провідної кандидатури на роль теорії всього» [17]. Багато хто з фізиків-теоретиків сподівався, що струнна теорія здійснить нову наукову революцію, об’єднавши всі розділи фізики.
Чому теорія струн вважається перспективною? Перш за все, вона дає можливість описати квантову гравітацію – проблему, над якою ламали списи багато десятиліть. В рамках струн можна, принаймні в принципі, об’єднати загальну теорію відносності (гравітацію) з квантовою теорією полів. Це саме те, що колись шукав Айнштайн (і не знайшов). Крім того, теорія струн зближує фізику частинок і космологію: на основі струн будуються моделі великого вибуху, інфляції, природи темної матерії тощо. Сама математична краса цієї побудови вражає – не дарма за її розробку провідні теоретики (як-от Едвард Віттен) отримали найпрестижніші відзнаки, включно з медаллю Філдса з математики. Теорія струн – надзвичайно багата ідеями: з неї виросли цілі напрямки (дуальності, M-теорія, голографічний принцип). За кілька десятиліть вона стала чи не найбільш вивченою темою в теорфізиці.
Але попри всі ці зусилля, революції досі не сталося. І головна причина – відсутність експериментальних доказів. Теорія струн оперує дуже малими масштабами (близькими до планківських, 10⁻³⁵ м) і дуже високими енергіями (близько 10¹⁹ ГеВ). Досягти таких умов у експериментах неможливо. Більшість похідних передбачень (наприклад, існування суперсиметричних частинок) теж поки не підтверджені – наприклад, на Великому адронному колайдері не виявлено суперсиметрії, яку багато струнників очікували побачити. В результаті, на сьогодні немає жодного прямих експериментального свідчення на користь теорії струн [13, 17]. Це породжує все більше критики в науковій спільноті. Дехто з фізиків відверто називає теорію струн нефальсифікованою «філософією» або математичною грою, що відірвалася від реальності. Як зазначає один оглядач, «теорія струн вважається провідною теорією всього, але досі не має емпіричного підтвердження» [17]. Через це в останні роки інтерес до неї дещо знизився, а частина науковців переключилася на альтернативні підходи (наприклад, петльову гравітацію або інші моделі).
Чи означає це, що теорія струн хибна? Наразі ніхто цього не знає напевне. Можливо, підтвердження знайдуться непрямим шляхом – скажімо, через космологічні спостереження або математичні доведення унікальності. А можливо, колись придумають експеримент, який зможе перевірити ефекти додаткових вимірів або пошукати резонанси струн. Але поки що «революція струн» існує лише на папері. Вона суттєво вплинула на розвиток математичної фізики, дала багато корисних методів, однак фізичну картину світу не змінила – Стандартна модель і загальна відносність все ще панують, а струнна теорія лишається гіпотезою. Характерно, що один з провідних струнників, Леонард Сасскінд, визнав:
«Струнна теорія – не теорія реального світу», маючи на увазі брак експериментальних успіхів [18].
Отже, чи стане вона колись тріумфом чи назавжди залишиться «красивою химерою» – покаже час. Нині ж теорія струн – приклад того, як навіть найпопулярніша сучасна ідея потребує доказів, щоб здійснити справжню революцію.
Список використаних джерел:
10. The Phlogiston Theory – Wonderfully wrong but fantastically fruitful | The Renaissance Mathematicus
11. What is Heat
Comentarios