Включено в книгата
Оригинално заглавие
Physics of the Impossible, (Пълни авторски права)
Превод от английски
, (Пълни авторски права)
Форма
Научен текст
Жанр
Характеристика
  • Няма
Оценка
5,5 (× 22 гласа)
Сканиране
Диан Жон (2010 г.)
Разпознаване и корекция
dave (2010 г.)

Издание:

Мичио Каку. Физика на невъзможното

Американска, първо издание

Редактор: Саша Попова

Оформление на корица: „Megachrom“, 2010 г.

ИК „Бард“ ООД, 2010 г.

ISBN: 978-954-655-109-2


На моята любяща съпруга Шизу,

на Мишел и Алисън.

Предговор

Ако първоначално една идея не звучи абсурдно, няма надежда тя да се осъществи.

Алберт Айнщайн

Ще бъде ли възможно един ден да преминаваме през стени? Да конструираме междузвездни кораби, които да се придвижват със скорост, по-голяма от тази на светлината? Да четем мислите на другите хора? Да ставаме невидими? Да преместваме предмети със силата на мисълта? Да прехвърляме мигновено телата си от една точка в друга?

Откакто се помня тези въпроси винаги са омагьосвали ума ми. Подобно на много други физици, когато пораснах, бях запленен от мисълта за пътуване във времето, за съществуването на лъчеви оръжия, силови полета, паралелни светове и други подобни неща. Магията, фантазията, научната фантастика бяха едно гигантско игрище за моето въображение. Те положиха началото на любовната ми история с невъзможното, която продължава цял живот.

Спомням си как гледах повторенията на старите серии на „Флаш Гордън“[1] по телевизията. Всяка събота дежурех неотлъчно пред телевизора, дивейки се на приключенията на Флаш, доктор Зарков, Дейл Ардън и на техния смайващ набор от футуристични технологии: ракетни кораби, щитове за невидимост, лъчеви оръжия и градове в небето. Никога не изпусках съответната серия. Програмата разкри пред мен съвсем нов свят. Мисълта, че един ден хората ще летят с ракети до други планети и ще изследват техния причудлив ландшафт, ме изпълваше с трепет. След като бях притеглен в орбитата на тези фантастични изобретения, разбрах, че съдбата ми по някакъв начин е свързана с чудесата на науката, които обещаваше шоуто.

Както се оказа по-късно, не бях единствен. Мнозина изключително талантливи учени бяха започнали да се интересуват от науката, след като са били изложени на въздействието на научната фантастика. Великият астроном Едуин Хъбъл бил запленен от произведенията на Жул Верн. В резултат на четенето на творбите на Верн Хъбъл изоставил обещаващата си кариера в областта на правото и въпреки желанието на баща си, започнал кариера в областта на науката. В крайна сметка станал най-великият астроном на XX век. Бележитият астроном и автор на бестселъри Карл Сейгън установил, че прочитът на романите на Едгар Райс Бъроуз, посветени на приключенията на Джон Картър, на Марс, разпалва въображението му. Също като Джон Картър и той мечтаел един ден да изследва пясъците на Марс.

Бях малко дете в деня, в който почина Алберт Айнщайн, но си спомням, че хората говореха приглушено за неговия живот и за смъртта му. На следващия ден видях във вестниците рисунка на бюрото му, на което беше поставен недовършеният ръкопис на най-големия му труд. Зададох си въпроса: „Какво би могло да бъде толкова важно, че най-големият учен на нашето време да не може да го довърши?“ В статията се твърдеше, че Айнщайн е имал една невъзможна мечта, че е бил изправен пред проблем, който е бил толкова труден, че не е било възможно простосмъртен да го разреши. Потрябваха ми години, за да установя на какво е бил посветен ръкописът — на една грандиозна, обединяваща „теория на всичко“. Неговата мечта — която погълнала последните три десетилетия от живота му — ми помогна да съсредоточа въображението си. Исках по някакъв незначителен начин да стана част от усилието да бъде завършен трудът на Айнщайн, да бъдат обединени законите на физиката в една-единствена теория.

Докато растях, започнах да осъзнавам, че макар и Флаш Гордън да беше героят и винаги да получаваше момичето, учените са били тези, които в действителност са станали причина действието в телевизионния сериал да се развива по този начин. Без доктор Зарков нямаше да има ракетен кораб, нямаше да има пътешествия до Монго, нямаше Земята да бъде спасена. Ако оставим настрана театралниченето, без науката нямаше да има научна фантастика.

Започнах да осъзнавам, че тези приказки бяха просто невъзможни от гледна точка на замесените научни данни. Те бяха само полет на въображението. Израстването водеше до изоставянето на подобни фантазии. Казваха ми, че в истинския живот човек трябва да се откаже от невъзможното и да се захване с практичното.

Но аз стигнах до заключението, че ако реша да остана обсебен от невъзможното, то ключът към решаването на проблема се крие в царството на физиката. Ако не разполагам със здрава основа във висшата физика, винаги само ще изказвам хипотези за футуристичните технологии, без да разбирам дали те са възможни или не. Осъзнах, че трябва да се потопя във висшата математика и да изуча теоретичната физика. Именно това и направих.

Докато учех в гимназията, сглобих атомен ускорител в гаража на мама, за да направя проект, който да бъде представен на научно изложение. Отидох в компанията „Уестингхаус“ и събрах 400 фунта (ок. 200 кг) стомана за скрап. На Коледа навих медна жица с дължина 22 мили (ок. 33 км) на футболното поле на гимназията. Накрая конструирах 2,3-милионен електронно-волтов бетатронов акселератор на частици, който изразходваше 6 киловата енергия (цялата мощност на къщата ни) и генерираше магнитно поле, което беше 20 000 пъти по-силно от магнитното поле на Земята. Целта ми беше да генерирам сноп гама-лъчи, който да бъде достатъчно мощен, за да създаде антиматерия.

Моят проект за научното изложение ме отведе на Националното научно изложение и накрая сбъдна мечтата ми, като ми спечели стипендия за Харвард, където можех най-сетне да преследвам целта си да стана специалист по теоретична физика и да вървя по стъпките на моя ролеви модел Алберт Айнщайн.

Днес получавам имейли от научни фантасти и филмови сценаристи, които ме молят да им помогна да направят по-интересни своите приказки, като изследвам границите на законите на физиката.

„Невъзможното“ е относително

Като физик научих, че „невъзможното“ често е относително понятие. Спомням си, че докато растях, един ден моята учителка отиде при картата на Земята, която беше окачена на стената, и посочи бреговата линия на Южна Америка и на Африка. „Не е ли странно съвпадение — каза тя, — че двете брегови линии прилепват една към друга почти така, както парченца от пъзел?“

Тя каза още, че някои учени са изказвали хипотезата, че може би те някога са били част от един и същ, огромен континент. Но това е глупаво! Никоя сила не би могла да раздели двата гигантски континента. Така тя стигна до заключението, че подобна мисъл е невъзможна.

Малко по-късно през същата година учихме за динозаврите. „Не е ли странно — каза ни нашият учител, — че динозаврите са господствали на Земята в течение на милиони години, а след това един ден поголовно са изчезнали? Никой не знаеше защо са загинали. Някои палеонтолози смятали, че може би някакъв метеор от Космоса ги е погубил, но това е невъзможно. Подобно твърдение е възможно само в царството на научната фантастика.“

Днес знаем, че континентите наистина се движат посредством тектониката на плочите и че преди 65 милиона години най-вероятно гигантски метеор с диаметър от шест мили (ок. 11 км) действително е унищожил динозаврите и голяма част от живота на Земята. През моя кратък живот наблюдавах неколкократно как привидно невъзможното се превръща в установен научен факт. Затова нима е невъзможно да си представим, че един ден бихме могли да бъдем в състояние да се телепортираме от едно място на друго или да конструираме междузвезден кораб, който някога ще ни откара при звезди, отстоящи на светлинни години разстояние от нас?

Обикновено днешните физици биха сметнали подобни изключителни постижения за невъзможни. Биха ли могли те да станат възможни в рамките на няколко века? Или след десет хиляди години, когато технологиите ще бъдат по-напреднали? Или след един милион години? Казано другояче, ако се наложи някак си да влезем в контакт с цивилизация, която е един милион години по-развита от нашата, то дали нейната ежедневна технология няма да ни прилича на „магия“? По същество това е един от основните въпроси, който разглеждам в тази книга: „Нима само защото нещо е «невъзможно» днес, то ще остане невъзможно и след стотици или милиони години?“

Като се има предвид забележителният напредък в науката през последното столетие, особено създаването на квантовата теория и общата теория на относителността, сега е възможно да се направят груби оценки на това кога някои от тези фантастични технологии могат да бъдат реализирани, ако това изобщо някога стане. С появата на още по-модерни теории като струнната теория, дори идеи на границата на научната фантастика като пътуването във времето и паралелните светове днес биват преоценявани от физиците. Върнете се мислено преди 150 години при тези технологични разработки, които са били обявени за „невъзможни“ от учените по онова време и които днес са станали част от нашия ежедневен живот. През 1865 г. Жул Верн написал роман, озаглавен „Париж през XX век“, който бил заключен в чекмедже и забравен за повече от век, докато не бил открит случайно от неговия праправнук и не бил публикуван за първи път през 1994 година. В него Верн предсказал как би могъл да изглежда Париж през 1961 година. Неговият роман бил пълен с технологии, които очевидно били смятани за невъзможни през XIX век. Това били световната комуникационна мрежа, стъклените небостъргачи, автомобилите с газова уредба и високоскоростните влакове, пътуващи по релсов път, издигнат над улиците.

Не е учудващо, че Верн е успял да направи толкова поразително точни предсказания, тъй като той се бил потопил в света на науката, използвайки идеите на учените около него. Дълбокото вникване в основите на науката му позволило да направи толкова изумителни предсказания.

За съжаление някои от най-големите учени на XIX в. застанали на противоположното мнение и обявили някои технологии за напълно невъзможни. Лорд Келвин, може би най-видният физик от Викторианската епоха (той е погребан до Исак Нютон в Уестминстърското абатство), обявил, че „по-тежките от въздуха“ апарати като аероплана например са невъзможни. Той смятал, че рентгеновите лъчи са измама и че радиото няма бъдеще. Лорд Ръдърфорд, който открил ядрото на атома, отхвърлил възможността за конструиране на атомна бомба, като я нарекъл „фантасмагория“. Химиците на XIX в. обявили търсенето на философския камък — вълшебно вещество, което може да превръща оловото в злато, за задънена улица в науката. Химията през XIX в. се основавала на фундаменталната неизменяемост на елементи като оловото. Но с помощта на днешните атомни ускорители по принцип можем да превръщаме оловните атоми в златни. Помислете си как биха изглеждали на хората в началото на XIX в. днешните телевизори, компютри и интернет!

Ако става дума за събития, протекли по-наскоро, черните дупки някога са били смятани за научна фантастика. През 1939 г. самият Айнщайн написал статия, в която „доказвал“, че черните дупки никога не биха могли да се образуват. Днес обаче космическият телескоп „Хъбъл“ и рентгеновият телескоп „Чандра“ са открили хиляди черни дупки в Космоса.

Причината, поради която тези технологии са били смятани за „невъзможни“, е, че основните закони на физиката и науката не са били известни през XIX и в началото на XX век. Като се вземат предвид огромните празнини в разбирането на науката по онова време, особено на атомно равнище, не е чудно, че подобни разработки са били смятани за невъзможни.

Изследване на невъзможното

По ирония на съдбата сериозното изследване на невъзможното често е разкривало съществуването на богати на находки и напълно неочаквани области на науката. Например в течение на векове обезсърчителното и безплодно търсене на „машина с вечен двигател“ накарало физиците да стигнат до заключението, че такава машина е невъзможна, което ги принудило да постулират запазването на енергията и трите закона на термодинамиката. Така безплодният стремеж за конструиране на машини с вечен двигател спомогнал за откриването на съвсем новото поле на термодинамиката, което до известна степен положило основата на парната машина, на епохата на машините изобщо и на модерното индустриално общество.

В края на XIX в. учените решили, че е „невъзможно“ възрастта на Земята да достига милиарди години. Лорд Келвин заявил категорично, че разтопената Земя би се охлаждала между 20 и 40 милиона години, противоречейки на геолозите и дарвинистите сред биолозите, които твърдели, че възрастта на Земята би могла да бъде милиарди години. Накрая за невъзможното било доказано, че е възможно след откриването на ядрената сила от мадам Кюри и други учени, което показало как центърът на Земята, след като бъдел нагорещен от радиоактивния разпад, би могъл наистина да бъде поддържан в разтопено състояние в продължение на милиарди години.

Пренебрегваме невъзможното на наш риск. През 20-те и 30-те години на XX в. Робърт Годард — бащата на модерната ракетна техника, бил подложен на силна критика от тези, които смятали, че ракетите никога не биха могли да се придвижват в открития космос. Те нарекли саркастично неговото занимание „Глупостта на Годард“. През 1921 г. издателите на „Ню Йорк Таймс“ се надсмели над труда на доктор Годард: „Професор Годард не е чувал за връзката между стимула и реакцията, и за необходимостта от съществуване на нещо по-добро от вакуума, с което да се влезе в реакция. На него, изглежда, му липсват основните познания, получавани ежедневно в гимназиите.“ Издателите му заявили подигравателно, че ракетите са невъзможни, защото в открития космос няма въздух, с който те да влизат в съприкосновение. За съжаление един държавен глава осъзнал последствията от „невъзможните“ ракети на Годард — и това бил Хитлер. През Втората световна война германският преграден огън от „невъзможните“ за конструиране ракети „Фау-2“ излял дъжд от смърт и разруха над Лондон, като едва не го поставил на колене.

Изследването на невъзможното безспорно е променило хода на световната история. През 30-те години на XX в. било широко разпространено убеждението, споделяно дори от Айнщайн, че атомната бомба е „невъзможна“. Физиците знаели, че дълбоко във вътрешността на атомното ядро е заключено огромно количество енергия, според уравнението на Айнщайн E=mc2, но енергията, отделена от едно-единствено ядро, била прекалено незначителна, за да бъде взета под внимание. Но атомният физик Лео Сцилард си спомнил, че е чел романа на Хърбърт Уелс от 1914 г. — „Освободеният свят“, в който Уелс предсказвал разработването на атомната бомба. Писателят твърдял в книгата, че тайната на атомната бомба ще бъде разкрита от един физик през 1933 година. По някаква случайност Сцилард попаднал на тази книга през 1932 година. След като получил импулс от романа през 1933 г., точно по времето, което било предсказано от Уелс преди около две десетилетия, на него му хрумнала идеята да усили мощта на един-единствен атом чрез верижна реакция, така че енергията от разцепването на едно-единствено ураново ядро да може да бъде увеличена трилиони пъти. След това Сцилард предприел поредица от ключови експерименти и стартирал тайни преговори между Айнщайн и президента Франклин Рузвелт, които щели да доведат до създаването на „Проекта Манхатън“, в резултат на който била конструирана атомната бомба.

Отново и отново се убеждаваме, че изучаването на невъзможното е разкрило съвсем нови перспективи, които изтласкват границите на физиката и химията и принуждават учените да дефинират наново това, което те имат предвид под „невъзможно“. Както е казал някога сър Уилям Ослър: „Философиите на една епоха са се превърнали в абсурдите на следващата, а вчерашната глупост се е превърнала в утрешната мъдрост.“

Много физици са готови да се подпишат под известния афоризъм на Т. Х. Уайт, който писал в „Някогашният и бъдещият крал“: „Всичко, което не е забранено, е задължително!“ Във физиката през цялото време откриваме доказателства за това. Ако няма закон на физиката, който да предотвратява категорично протичането на ново явление, накрая установяваме, че той съществува. (Това се е случвало няколко пъти при търсенето на нови субатомни частици.[2] Чрез проучването на границите на това, което е забранено, физиците често са откривали неочаквано нови закони на физиката.) Естествен извод от твърдението на Т. Х. Уайт може да бъде: „Всичко, което не е невъзможно, е задължително!“

Например космологът Стивън Хокинг се опита да докаже, че пътуването във времето е невъзможно, като открие нови закони на физиката, които биха забранявали това, което той нарече „хипотеза за защита на хронологията“. За съжаление след дългогодишна усилена дейност той не успя да докаже правотата на този принцип. На практика се случи точно обратното — днес физиците демонстрираха, че законът, който предотвратява пътуването във времето, се намира отвъд обхвата на днешната математика. И така, тъй като няма закон на физиката, който да предотвратява съществуването на машини на времето, физиците трябва да гледат много сериозно на възможността за тяхното съществуване.

Целта на тази книга е да обсъди кои от технологиите, които са смятани за „невъзможни“ днес, след десетилетия или столетия могат да станат част от всекидневието.

Днес се оказа, че вече е възможна една „невъзможна“ технология: понятието телепортация (поне на атомно равнище). Само преди няколко години физиците щяха да кажат, че изпращането или прехвърлянето на даден обект от една точка в друга нарушава законите на квантовата физика. Всъщност създателите на най-ранния телевизионен сериал „Стар Трек“ били толкова засегнати от критиката на физиците, че добавили „Хайзенбергови компенсатори“, за да обяснят съществуването на своите телепортатори с цел да отстранят всякакви недостатъци. Днес, благодарение на един скорошен пробив, физиците могат да телепортират атоми от единия край на стаята в другия или пък фотони под река Дунав!

Предсказване на бъдещето

Винаги е било малко опасно да се правят предсказания, особено пък за събития, предстоящи да се случат след стотици или хиляди години. Физикът Нилс Бор обичал да казва: „Много трудно е да се правят предсказания. Особено за бъдещето.“ Но има една фундаментална разлика между времето на Жул Верн и настоящето. Днес фундаменталните закони на физиката биват разбирани в основата си. Днес физиците разбират основните закони, които обхващат зашеметяващите четиридесет и три вида величини, като се започне от вътрешността на протона и се стигне до разширяващата се вселена. В резултат на това физиците могат да посочат с основателна увереност какви биха могли да бъдат основните очертания на бъдещите технологии и да прокарат по-добре разликата между тези технологии, които просто звучат невероятно, и тези, които са действително невъзможни.

Затова в тази книга деля на три категории нещата, които са „невъзможни“.

Първата от тях е това, което наричам „Клас I на невъзможните неща“. Това са технологии, които днес са невъзможни, но не нарушават известните закони на физиката. Затова биха могли да станат възможни в модифицирана форма през този век или може би през следващия. Те включват телепортацията, антиматерийните двигатели, някои форми на телепатия, психокинеза и невидимост.

Втората категория е това, което наричам „Клас II на невъзможните неща“. Това са технологии, които се намират на самата граница на нашето разбиране на материалния свят. Ако изобщо са възможни, биха могли да бъдат реализирани след хиляди или милиони години. Те включват машините на времето, възможността за хиперпространствено пътуване и пътуването през червеите-дупки.

Последната категория е това, което наричам „Клас III на невъзможните неща“. Това са технологии, които нарушават известните закони на физиката. За учудване е, но има много малко такива невъзможни технологии. Ако наистина се окажат възможни, те биха довели до фундаментална промяна в разбирането ни за физиката.

Чувствам, че тази класификация е важна, защото твърде много технологии, описани в научната фантастика, биват отхвърляни от учените като напълно невъзможни, докато в действителност това, което учените искат да кажат, е, че те са невъзможни за примитивни цивилизации като нашата. Посещенията от извънземни например обикновено биват смятани за невъзможни, тъй като разстоянията между звездите са прекалено големи. Въпреки че междузвездното пътуване е очевидно невъзможно за нашата цивилизация, то може да се окаже възможно за цивилизация, която е изпреварила в развитието си нашата с векове, хиляди или милиони години. Затова е толкова важно да бъдат класифицирани такива „невъзможни неща“. Технологиите, които са невъзможни за нашата сегашна цивилизация, не са непременно невъзможни за други типове цивилизации. Учените, чиито твърдения за това кое е възможно и кое невъзможно, трябва да вземат предвид технологиите, които ни изпреварват с хилядолетия или милиони години.

Преди време Карл Сейгън писа: „Какво означава твърдението, че дадена цивилизация е на един милион години? От няколко десетилетия разполагаме с радиотелескопи и космически кораби. Нашата техническа цивилизация е на няколкостотин години… Една високоразвита цивилизация, чиято възраст достига милиони години, е толкова далеч от нас, колкото и ние сме отдалечени от някое дребно маймуноподобно същество или дори от някой макак.“

В моето изследване аз съсредоточавам професионално вниманието си върху опита да завърша мечтата на Айнщайн за една „теория на всичко“. Що се отнася до мен, смятам за твърде въодушевяваща работата върху една „окончателна теория“, която може в крайна сметка да даде отговор на няколко от най-трудните „невъзможни“ въпроси в днешната наука от рода на този дали е възможно пътуването във времето, какво има в центъра на една черна дупка или какво се е случило преди Големия взрив. Все още си мечтая за моята любовна история с невъзможното, която продължава вече цял живот, и се питам кога и дали някои от тези невъзможни неща биха могли да влязат в категорията на вещите за всекидневна употреба.

Бележки

[1] Американски фантастичен сериал с елементи на екшън и приключения от 30-те и 80-те години на миналия век. — Б.р.

[2] Причината, поради която това е вярно, се крие в квантовата теория. Когато прибавим всички възможни квантови корекции към една теория (скучен процес, наречен „ренормализация“), откриваме, че явления, които са били забранени преди това на класическо равнище, се появяват отново при изчислението. Това означава, че ако нещо не бъде забранено изрично (от един закон за запазването например), в такъв случай то отново се появява в теорията, когато бъдат добавени квантови корекции.