Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей

Следующим значительным шагом стало получение физически обоснованной модели атомов. Это произошло в 1911–1913 годах. Процесс включал в себя как экспериментальные, так и теоретические компоненты. В 1911 году Ханс Гейгер и Эрнест Марсден по предложению Эрнеста Резерфорда изучали отклонение быстро движущихся альфа‑частиц золотой фольгой. Резерфорд изучал неожиданную способность золота вызывать значительные изменения траекторий частиц. Все указывало на то, что весь положительный электрический заряд и почти вся масса атома золота сосредоточены в крошечном ядре, занимающем примерно миллионную долю от миллиардной части объема атома. Резерфорд предположил, что электрические силы связывают электроны с ядром, образуя атом. Но эту правдоподобную картину нельзя было примирить с известными тогда законами физики. Не было известно ничего, что могло бы предотвратить падение электрона на ядро по спирали. В 1913 году Нильс Бор предположил возможность существования лишь очень ограниченного класса орбит, что вопиюще противоречило ньютоновской картине мира. Критерий Бора, определяющий эти орбиты, включал в описание электронов константу Планка, до тех пор применявшуюся только к фотонам.

Модель Бора была невероятно смелой и простой, а в применении к водороду настолько поразительно успешной, что Эйнштейн даже назвал ее «высшей формой музыкальности в сфере мысли». Тем не менее она не была сформулирована в виде уравнений, что позволило бы применить ее к другим задачам. Поскольку его гипотезы противоречили принципам макроскопической (ньютоновской) механики, было совершенно непонятно, как облечь теорию Бора в математически непротиворечивые и широко применимые уравнения.

Упорные усилия нескольких физиков позволили внести важный вклад в решение этой проблемы. Предельно упрощая картину для нужд настоящего обзора, я хотел бы ограничиться сообщением, что в 1925 году Вернер Гейзенберг получил логичные и непротиворечивые уравнения для электронов, описывающие их как частицы. В 1926 году Эрвин Шредингер получил логичные и непротиворечивые уравнения для электронов, описывающие их в виде волн. Поначалу связь между этими работами была неочевидной, но Поль Дирак — также в 1926 году — показал, что она имеет место, что их следствия математически эквивалентны и оба уравнения могли бы быть получены из общей отправной точки. Математика Дирака может включать и электроны, и фотоны. Его теория взаимодействия электронов и света — квантовая электродинамика (КЭД) — успешно охватывала столь широкий спектр явлений, что уже в 1929 году ученый утверждал:

— Таким образом, полностью известны основные физические законы, необходимые для создания математической теории большей части физики и всей химии. Трудность только в том, что точное применение этих законов приводит к уравнениям, которые слишком сложны, чтобы быть решаемыми.

Из этого утверждения вытекает и наше заявление.

В 1940‑х годах эксперименты в атомной физике стали настолько точными, что для тщательной проверки теории потребовались новые, более строгие методы решения основных уравнений КЭД. И таковые, разработанные Джулианом Швингером, Ричардом Фейнманом, Синъитиро Томонагой и Фрименом Дайсоном, показали: КЭД описывает поведение электронов в широком диапазоне состояний (включая все те, которые имеют отношение к химии и инженерному делу) — и с точностью, большей, чем несколько частиц на миллиард.

С внешними частями атомов все стало понятно, но их ядра остались загадкой. В 1970‑х годах возникла теория субъядерных сил так называемых сильного и слабого взаимодействия. Будучи тщательно проверенной в 1990‑х, она завершила создание «эффективной теории» материи, которую мы используем сегодня. Теперь давайте перейдем от рассказа к описанию.

Система мира

Не‑физики часто с ошеломлением реагируют на то, как физики говорят о «простоте» своих фундаментальных теорий. Ведь на практике их понимает лишь очень небольшая часть человечества, и для этого требуются годы обучения и усердных размышлений. Тем не менее есть точное и принципиальное определение такой простоты.

Уравнения фундаментальной физики можно описать с помощью короткой программы. Следуя ее указаниям, компьютер будет в состоянии (при наличии достаточного времени) однозначно определить все последующие состояния описываемой ими системы.

Насколько я знаю, никто пока не написал такую программу, хотя это было бы интересным упражнением. Полагаю, на таком высокоуровневом компьютерном языке, как Mathematica, для этого потребуется не более нескольких сотен строк кода. (Пожалуйста, обратите внимание на то, что эффективное программирование, позволяющее быстро решать уравнения в интересных приложениях, является совсем другой и, вероятно, пока еще не решенной проблемой.)

Основные принципы