Восемнадцать главных вопросов современной науки

02-09-2013 в 20:49 0 | 1058
Фото: Восемнадцать главных вопросов современной науки
Есть много такого, о чём человек узнал за последние тысячелетия. Но кое-что нам всё же неизвестно, и этого «кое-чего» подозрительного много. Давайте окинем беглым взглядом самые острые углы нашего незнания.


1. Из чего сделана Вселенная?

Жалкие девяносто лет назад проблемы с этим не было: она состоит из атомов, состоящих из (далее просто подставьте ваше любимое слово). Но многие знания — многие печали, поэтому, по современным воззрениям, Вселенная на 96% состоит из бог знает чего: никому неведомой тёмной материи (словосочетание впервые употреблено в 1933 году), отвечающей за 22% массы Вселенной, и ещё менее понятной тёмной энергии (~1998 год), на которую приходится 74%. И если остальные 4% можно пощупать, то 96% — хотя мы и не знаем, что это такое, — пощупать не удастся никогда, ибо «тёмные частицы», какими бы они ни были, должны очень слабо взаимодействовать с обычной материей. Пока достоверно обнаружить частицы хотя бы тёмной материи (с энергией будет ещё сложнее!) не удалось, но кандидатов оказалось чересчур много: и лёгкие, и особо тяжёлые, и даже какие-то ультратяжёлые. До ясности, касающейся свойств тёмной материи, тем не менее, ещё очень, очень, очень далеко.

Полвека попыток представить себе внутренности чёрных дыр и того, есть ли между ними туннели, так и не привели к решительным результатам. (Иллюстрация R.Foster.)

2. Зачем же нужны эти жалкие четыре процента обычной материи, все эти атомы, из которых состоят звёзды, всяческий песок и прочие люди?

И правда: их не должно быть. Стандартная модель не позволяет предположить, что вещества и антивещества в момент рождения Вселенной было разное количество. Но тогда после их возникновения антиводород должен был аннигилировать, столкнувшись с водородом, и так далее. Финальная картина должна быть трагичной: все атомы аннигилированы, а по Вселенной взад-вперёд носятся фотоны разных энергий — свет, и ничего, кроме света. В таком сценарии даже этот свет увидеть было бы некому.

И тем не менее мы всё ещё здесь. Значит, есть что-то, что мы упускаем в этой картине: налицо загадка асимметрии вещества и антивещества. Предпринималось множество попыток объяснить её так: мол, по каким-то причинам антивещество распадалось быстрее вещества, и так далее. Но пока даже перспективные механизмы вроде превращения одних нейтрино в другие не могут дать корректного общепринятого ответа на этот вопрос...

3. И ещё немного об универсуме. Есть ли другие Вселенные, кроме нашей?

Очень неудобный вопрос, ибо от ответа на него зависит вся наша картина мира. Если Вселенных больше одной, то их с огромной долей вероятности много — причём неограниченно. Иные физики любят ссылаться на их численную бесконечность: мол, глупо спрашивать, почему наблюдаемые физические законы и значения фундаментальных физических постоянных именно такие. Какая, говорят они, тонкая настройка Вселенной? Никакой настройки не было, и все мы — продукт решения сложнейших задач методом брутфорса титанических масштабов, перебора абсолютно бесконечного количества вариантов всех мыслимых физических законов.

В одном из раскладов (миров) природе повезло, и в результате возникла жизнь, и она отрастила себе глаза. И даже мозги, отчего теперь задаёт всякие неприличные вопросы. А никакой тонкой настройки (точно вам говорим!) нет, есть лишь слепая, но закономерная удача. Возьмите число букв, из которых состоит «Гамлет», — и при бесконечном количестве перетасовок вы непременно получите «Гамлета» шекспировского уровня, а может, и лучше.

Словом, в абсолютном большинстве параллельных вселенных жизни нет. Да и вообще всё очень плохо.

Но есть и иные мнения. Отдельные физики утверждают, что все так называемые случайные процессы на деле являются совершенно квантовыми по своей природе, а потому не реализуются вплоть до момента, когда на них взглянет наблюдатель. Да и после этого существовать будет только один вариант — в котором наблюдатель всё-таки есть, а «кот» либо мёртв, либо жив, то есть реально существует только один — наш мир.

Вот только как точно узнать, какой из двух подходов верен?..

4. Ой. Всё-таки придётся ещё раз произнести слово «Вселенная». Одиноки ли мы в ней?

Миллион вариантов этой проблемы давно занимают пытливые умы. Не будем перечислять всё, но отсутствие инопланетян на улицах означает, что мы либо погибнем до того, как сможем улететь к другим звездам (иначе почему ещё не прилетели к нам?), либо что-то ещё.

Этому есть пара оригинальных объяснений. Первое, авторства Станислава Лема, замечает, что наши представления о деятельности высокоразвитых инопланетян хромают. Мы изначально разделили все вещи в космосе на естественные и искусственные, в то время как многие естественные объекты и явления могут быть побочным продуктом или конечной целью технологической деятельности сверхцивилизаций.

По этой концепции, какие-нибудь чёрные дыры могут быть генераторами энергии и одновременно средствами утилизации космического мусора, звёзды — методом рассеивания облаков газа, почему-то мешающих сверхцивилизации, и так далее. В таком случае наши попытки углядеть инопланетян обречены. «Способность отличить искусственное явление от естественного есть функция знаний того, кто устанавливает это различие... О том, как выглядит энергетика "звёздной" концентрации мощности, на каком расстоянии её можно обнаружить, каковы её разновидности, — об этом мы узнаем, когда будем обладать подобной энергетикой...»

Второй вариант, не очень-то серьёзно рассматривавшийся в НФ ещё 60 лет тому назад, ещё страннее. Путешествий инопланетян нет, потому что на определённом этапе они или учатся локально менять физические законы быстро и просто, что позволяет бесконечно расширять жизненное пространство без нужды в далёких путешествиях, либо же находят лазейки в другие миры, позволяющие вести «колонизацию» без путешествий при помощи полётов на космических кораблях.

5. Что находится внутри чёрной дыры?

Беда не в том, что мы этого не знаем, а в том, что у нас нет даже представлений о теории или эксперименте, которые позволили бы это узнать. Общая теория относительности отказывается работать в условиях сингулярности, гипотетически наличествующей в ЧД. Может быть, здесь-то квантовая физика и должна сказать своё веское слово, но десятилетия попыток использовать для этого как её саму, так и в связке с теорией относительности пока не привели к успеху. Нужна теория квантовой гравитации — но её, увы, пока не удаётся построить. Ну а теория струн и петлевая квантовая гравитация, которые яростно хулят друг друга, однозначных решений не принесли.

А теперь позвольте (согласно, видите ли, заголовку) задать несколько вопросов «о жизни». И правда, хватит рассуждать о том, чего мы не можем потрогать, обратимся к практике.

6. Куда девать углекислый газ?

Мы производим двадцать триллионов киловатт-часов в год, в основном сжигая разные соединения углерода или даже чистый углерод. В итоге Земля, похоже, становится всё более жарким местом. Не в первый раз, конечно. Но надо понимать, что устоявшиеся экосистемы в результате потепления нарушатся повсеместно, и недавнее проникновение кабанов на Кольский полуостров (вкупе с другими миграциями паразитов и вредителей с юга на север) доказывает это вполне убедительно.

Кто-то предлагает закачивать углекислый газ, образующийся при горении топлива, под землю, кто-то считает, что его лучше связывать химически, но все эти решения делают тепловую энергетику такой дорогой, что её электричество станет попросту никому не нужным.

Увы, перспектив на этом направлении пока не просматривается в принципе.

7. И отсюда другой вопрос: можем ли мы получать нужную нам энергию в основном от Солнца?

Строго говоря, вопрос покрывает не только гелиоэнергтику, но и ветряки, ветер для которых тоже в конечном счёте возникает благодаря солнечному свету. К сожалению, даже если мы покроем небольшую часть пустынь солнечными батареями (а пока политическая зрелость африканских режимов такова, что в здравом уме на большие инвестпроекты там никто не пойдёт), то топлива для транспорта мы так и не получим.

Конечно, в последние годы появились приемлемые по параметрам электромобили... Но лишь от $63 тыс. Электромобилизация, как вы понимаете, в таких условиях всем кажется хорошим шагом, вот только пусть сначала «электромобилизуются» Петровы, Джексоны и прочие соседи, а у нас лишних денег нет.

Есть перспективы и в этом случае: несколько новых исследований уверяют нас, что солнечный свет способен недорого напрямую разбивать молекулу воды на водород и кислород, отправляя первый на нужды транспорта и хранения энергии. Используя его в топливных в твердооксидных элементах, можно будет генерировать электричество без генерации углекислого газа, вот только пока на доводку таких технологий нужно время, которого у климата Земли, наверное, почти не осталось...

8. Как нам дальше бороться с бактериями?

Только в Европе от устойчивых к антибиотикам бактерий гибнет 25 тыс. человек в год. Дорвавшись до антибиотиков, их стали употреблять против всего, включая профилактику (!) болезней скота, на что в Штатах уходит 80% всех выпускаемых антибиотиков. Дарвин беспощаден: любой фактор отбора порождает тех, кто умеет его преодолевать. Новые антибиотики, которые основаны на глубоком анализе генов супербактерий, устойчивых к обычным лекарствам, дают результаты. Но их разработка стоит всё больше, а занимаются ею всё меньше. Долго ли мы сможем поддерживать паритет в этой гонке? И не закончится ли дело появлением таких бактерий, против которых антбиотики будут бессильны принципиально?

9. Можем ли мы победить рак?

Нет. Впрочем, краткость этого ответа обманчива. Да, в последние годы появилось устойчивое мнение, что рак был ещё у динозавров и неандертальцев (как минимум), что он в принципе неотделим от жизни многоклеточного организма — как и смерть. Более того, чем лучше медицина, тем серьёзнее будет угрожать рак: в долгоживущие организмы «зашита» вероятность возникновения такой ошибки генов, которая ведёт к образованию злокачественных опухолей, и чем больше времени организму дадут на такие ошибки, тем больше он их совершит. То есть даже в обществе идеальной медицины рак не только не ослабнет, но, напротив, может стать чуть ли не самой массовой причиной смерти.

И всё же это «нет» вводит в заблуждение. Голые землекопы полностью свободны от рака благодаря совершенным генетическим механизмам, которые не позволяют их клетками делиться даже вне тела, как только они вошли в соприкосновение с другими клетками землекопа. А ещё есть слепыши, не болеющие раком, причём, похоже, в мире животных много таких механизмов, которые эволюционировали независимо друг от друга.

В принципе, изучение их генов может выявить нужные нам механизмы, и теоретически нет ничего невозможного в их использовании для предупреждения рака у людей. Вот только до этого в лучшем случае долгие годы интенсивной работы.

10. А можем ли мы победить смерть?

То есть способны ли мы жить неограниченно долго, верно? Ситуация сходна с раковым вопросом. Короткий ответ: нет, если вы многоклеточное. Но ответ этот очень короток...

Дело в том, что некоторые многоклеточные организмы в принципе бессмертны — если, конечно, не бить их по голове топором. Быть может, их старение просто столь медленно, что учёные не могут дождаться их смерти от естественных причин («пренебрежимое старение»). Медуза Turrilopsis nutricula, актинии и гидры совершенно точно не умирают с возрастом — для этого им нужны внешние факторы.

Сосна остистая межгорная, по всей видимости, весьма похожа на эти организмы — старейшему известному экземпляру 5 тыс. лет; учитывая, что дерево беззащитно перед топором, пожаром и молнией, можно предположить, что этот вид только от них и погибает. Несколько лет назад выяснилось, что моллюск Arctica islandica запросто живёт более 500 лет без видимых возрастных изменений; сходные черты показывают черепаха Terrapene carolina, морской ёж Strongylocentrotus franciscanus, морской окунь Sebastes aleutianus и др. Все самые старые выловленные особи не демонстрируют признаков этого самого старения, снижения плодовитости пр. — ничего, что отличало бы их от особей на сотню лет моложе. Наконец, губка Scolymastra joubini заявляется как живущая до 23 тыс. лет (оценка)!

Возможно, видов с неуловимым старением намного больше, чем известно биологам. В частности, максимальный возраст тех же лангустов установить вообще не удаётся, однако возрастных изменений у них после взросления нет. Очевидно, изучение механизмов такого долголетия могло бы продвинуть человеческую борьбу со старением, хотя пока и не ясно — насколько именно.

11. Куда же тогда девать миллиарды всё новых людей?

Ну хорошо, вот мы добились долгой жизни без рака и бактерий, устойчивых к лекарствам, — а дальше что? Нас семь миллиардов, к 2050 году будет больше девяти, а к 2100-му... Чем кормить эту прорву при условии ограниченной площади? Даже если около 20 млрд население стабилизируется, откуда брать еду?
В случае же гипотетического удлинения человеческой жизни прирост вообще трудно остановить: вряд ли мы представим себе общество, где люди добровольно и полностью откажутся от детей. Тогда нам и бифштексы из пробирки не помогут.

Выслать бы всех на Марс, но для этого нужны технологии, а как их отработать, когда население самых быстроразмножающихся стран занято то обработкой сородичей зарином, то миротворческими бомбардировками, а на космос денег не остаётся?..

А теперь давайте обсудим «всё такое», коль скоро все остальные вопросы получили исчерпывающий ответ.

12. Куда нас заведёт закон Мура?

Иначе говоря: компьютеры продолжат совершенствоваться или наблюдаемое в последнее десятилетие замедление их развития закончится полной стагнацией? Как перейти на наноуровень элементной базы, когда даже графен не имеет запрещённой зоны, а попытки его допирования проваливаются? Очень коротко: одним из ответов на этот вопрос, возможно, являются транзисторы на графене, работающие без использования запрещённой зоны.

Но ведь вам этого мало? Вам точно надо знать, будут ли у нас приличные квантовые компьютеры, без которых многие шаги в той же генетике могут оказаться неосуществимыми?..

13. Когда у меня будет робот-дворецкий?

Нам с 1950-х все уши прожужжали роботами-помощниками, но об универсальных механических гуманоидах до сих пор можно только мечтать. Хотя японцы намерены к 2025 году добраться до робосиделки человекообразного облика, нынешние роботы либо узкоспециализированы, либо недостаточно функциональны: не хватает универсальности манипуляторам, а главное — нет искусственного интеллекта, без которого никакой «дворецкий» невозможен.

Увы, пока реально только это: устройства типа самобеглых пылесосов (iRobot), которые чистят пол, но если вы после этого не будете чистить их самих, то... Чтобы пойти дальше, нужен достойный искусственный интеллект, а отдельные товарищи заявляют, что без квантовых компьютеров его не будет никогда, потому что неквантового интеллекта, вероятно, просто не бывает, и даже наш мозг — разновидность квантового компьютера...

14. А что насчёт машины времени?

В принципе, путешественники во времени среди нас есть, и речь даже не о Рипах ван Андроповых, успешно захвативших Кремль, почту и телеграф, а о простых космонавтах.

Благодаря действию специальной теории относительности время для людей на борту МКС течёт медленнее, чем для землян, хотя сей эффект очень скромен. В принципе, на базе того же лазерного паруса можно добиться и куда более решительных путешествий в будущее, а вот прошлое многие, особенно физики и философы, хотели бы оставить под замком — во избежание гибельных парадоксов. И всё же при наличии экзотической материи такое путешествие возможно — скажем, посредством кротовых нор между чёрными дырами. Правда, если это так, то жизнь, бесспорно, потеряет свой уют: возможность менять прошлое способна привести к чудовищным сбоям в историческом процессе, и, честно говоря, даже масштаб таких катаклизмов сейчас нельзя оценить.

15. Как возникла жизнь?

Уже 80 лет (спасибо тов. Опарину) нам говорят, что первые самовоспроизводящиеся молекулы возникли в первичном супе, в мелких водоёмах Земли, и случилось это 4 млрд лет назад. «Суп» состоял из аминокислот, полипептидов, азотистых оснований и нуклеотидов, образовавшихся под действием электрических разрядов, высокой температуры и космического излучения.

Однако эксперименты по повторению подобных процессов дали смешанный результат: из базисных мономеров стали образовываться вещества, препятствующие росту сложности получаемых в таком «супе» полимеров.

Затем задачу вроде бы упростили гипотезой «мира РНК», но и вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей каталитическими свойствами, очень низка: по расчётам, и четырёх миллиардов лет могло не хватить. Трудно предположить, что мы неправильно себе представляем условия на Земле той поры (спасибо тов. геологам). В общем, как именно возникла РНК и всё, что от неё произошло, пока загадка. Дело доходит до того, что отдельные авторы перемещают нашу прародину на Марс, где условия для формирования РНК были лучше!

16. Что делает нас людьми?

У некоторых из нас есть большой мозг, но у слона и кита он ещё больше. Кое-кто из нас умеет делать орудия, но, как оказалось, на это способны также попугаи, тюлени и пр. достойные животные. Разумеется, это систематически делают, к примеру, обезьяны, но при этом они почему-то не становятся разумными. Быть может, огонь? Шимпанзе, однако, вполне быстро учатся разводить огонь хоть зажигалкой, хоть спичкой, однако пока не подали заявку на вступление в ООН. Язык? Как мы уже писали, если не язык, то пиктограммы оказались вполне доступны обезьянам разных видов, причём они даже способны взаимодействовать по локальной сети с невидимым «собеседником», включая как людей, так и своих сородичей. Культура групп? Не-а. Орангутанги при миграции вроде бы заимствуют у других групп и приёмы охоты, и пищевые пристрастия, и другие элементы поведения, включая региональные вариации звуковых сигналов...

Так в чём же дело, что отделяет нас от них?!

17. Что такое сознание?

Может быть, сознание? Но ответ ничего не добавит: мы всё равно не знаем, что это. Предположительно, оно образуется физиологически в силу взаимодействия (возможно, сетевого) разных зон мозга. Загвоздка в том, что у нас нет монополии на мозг, и непонятно, почему рефлексии и самосознание должны быть ограниченны нами...

Turrilopsis nutricula в конце каждого жизненного цикла возвращается в стадию полипа, после чего всё повторяется. В отличие от нас, эта нестареющая (!) медуза рискует лишь смертью в пасти хищника. Чем именно мы хуже медузы? (Иллюстрация Wikimedia Commons.)

18. Зачем мы спим?

И если спим, то мозг всё равно всё время работает, да? Что это за отдых такой, при котором вроде бы и отдыха нет? И почему часть позвоночных спит «одним полушарием»? Зачем тратить треть жизни на процесс, смысл которого неясен?..

Есть, конечно, теория, что сон помогает обучению, в то же время «перезагружая мозг», позволяя синапсам «сбросить» воспоминания в долговременную память, иначе со временем количество накопленных воспоминаний стало бы слишком большим и новые просто не смогли бы образовываться, что нанесло бы существенный урон нашему сознанию. Но, честно говоря, пока это всё же гипотеза, хотя и набирающая силу.

Конечно, этим списком самые интересные проблемы науки не исчерпываются: вопросов, если честно, должно было быть 42, а то и больше. Что ж, постараемся и впредь держать вас в курсе.

Александр Березин
Подготовлено по материалам The Guardian.
Источник

Похожие статьи:

Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси, Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П.О.Сухого» и Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси планируют участвовать в проведении теоретических исследований по спиновой физике и изучению барионной материи в рамках мега-сайенс проекта «Комплекс сверхпроводящих колец на встречных пучках тяжелых ионов» — «NICA Complex»....
Ученые из Стэнфордского университета создали самый тонкий и самый эффективный поглотитель видимого света. Особые наноразмерные структуры, в тысячи раз тоньше листа обычной бумаги, возможно позволят создать новые высокоэффективные солнечные панели.  ...


Комментарии (0)
Добавить комментарий