Еще сто лет назад Альберт Эйнштейн только-только опубликовал свою революционную и новую теорию гравитацию, атомные ядра были полнейшей загадкой, а квантовая «теория» представляла собой вереницу домыслов. Сверхпроводимость, природа химической связи и источник энергии звезд сбивали с толку самых лучших физиков.

Постепенно тайное становилось явным: появилась космология Большого Взрыва, черные дыры, кварки, глюоны, триумф симметрии и ее нарушения, радио, телевидение, мазеры, лазеры, транзисторы, ядерный магнитный резонанс, взрыв микроэлектроники и телекоммуникаций и, конечно, ядерные бомбы. Мы прошли долгий путь. Можно с уверенностью сказать, что 100 лет назад никто даже близко не мог предвидеть, какой будет современная физика.

Сегодня у нас есть гораздо более глубокое понимание физического мира, которое (по мнению многих) обеспечивает более стабильную платформу для футурологических спекуляций. Если забросить физика из прошлого на 50 лет вперед, в наше время, многое он поймет очень скоро, а если на 25 лет, то еще быстрее. Возможно, думать сегодня о том, что будет через 100 лет, не так уж и глупо.

В любом случае думать о физике в долгосрочной перспективе — совсем не значит строить точные прогнозы, как в бизнес-плане. Это не реальная цель. Это скорее полезное упражнение для тренировки воображения. Оно приводит нас к вопросам, которые могут дать ценные плоды. Каковы слабые места в нашем текущем понимании и практиках? Каковы пределы роста технологий и возможностей? В каких местах два этих вопроса могут пересекаться?
Эти изыскания ведут нас в двух основных направлениях.

Одно из них, в котором мы стремимся совершенствовать наше понимание основ, — это направление вглубь. Мы ищем скрытые связи между разными аспектами мира, которые кажутся разделенными: поверхностно разные силы — сила и вещество, материя и пространство-время, история и закон, информация и действия, разум и материя. Другое, в котором мы применяем наши знания, — это направление роста. Мы значительно расширим сенсориум человека.

Мы разработаем саморемонтирующиеся, самособирающиеся и самовоспроизводящиеся машины, они продолжат развитие титанических компьютеров и инженерных проектов. Продвинутые числовые и квантовые симуляции, дополняющие понимание материи, произведут революции в химии, медицине и материаловедении — подтолкнув тем самым эпоху квантового интеллекта. Художники и ученые будут работать вместе, облекая красоту в новые богатые формы.

Унификация III: пространство и материя

Приблизительное равенство силы гравитации с силой других взаимодействий является мощным аргументом в пользу того, что должна быть единая теория, объединяющая все четыре силы.

Теория струн может предложить фреймворк, в рамках которого может быть достигнута унификация четырех сил. В этом направлении было проделано ошеломляющее количество работы, но результаты до сих пор неубедительные. Будет разочарованием, если теория струн в ближайшие годы не найдет тесный контакт с реальностью, которую мы наблюдаем в своих экспериментах.

Есть много возможностей, в том числе и намеки на дополнительные пространственные измерения, открытие каких-нибудь фундаментальных струн (оставшихся после Большого Взрыва или произведенных на ускорителях) или расчета известной, но загадочной величины в рамках Центральной Теории.
С большой долей уверенности мы можем ожидать «операционное» переплетение материи и пространства-времени. Астрономия гравитационных волн прячется буквально за углом.

Поскольку материи довольно трудно существенно искривить пространство-время, гравитационные волны, в общем, открывают окно к самым экстремальным и жестоким событиям во Вселенной. Детектор LIGO II очень скоро приступит к работе; он должен обладать достаточной чувствительностью, чтобы улавливать сигналы от нейтронных звезд и слияния черных дыр. Известные технологии будут поддерживать будущее поколение улучшенных детекторов гравитационных волн.

Я ожидаю, что гравитационные волны станут мощным и гибким инструментом для астрофизиков и космологов. Множество источников будет идентифицировано, а наше знание нейтронных звезд и черных дыр выйдет на новый уровень детализации.

Унификация IV: эволюция и происхождение

В настоящее время наши основные законы — это динамические законы. Они описывают, как с течением времени текущее состояние мира эволюционирует в другое. Их можно также, в принципе, экстраполировать назад во времени.

Такие процедуры прогнозирования и реконструкции могут стать нецелесообразными или невозможными по нескольким причинам. С одной стороны, мы не можем наблюдать все, что существует. Некоторые части Вселенной так далеки, что даже свет от них еще не добрался до нас, что ограничивает нашу точку зрения таким вот «горизонтом».

Другой причиной являются ограничения квантовой механики: в своей основе волновую функцию нельзя исследовать, не нарушив ее. Наконец, небольшие неопределенности в начальных условиях растут со временем, усугубляя эти трудности. Поэтому, к примеру, сложно прогнозировать погоду.

Большая часть искусства физики (включая термодинамику и статистическую механику, не говоря уже о физических отраслях машиностроения) состоит в поиске путей обхода этих ограничений. Помимо недоступного и громоздкого описания полного состояния, процессу мешают развивающиеся понятия и объекты, которые развиваются порой непредсказуемым образом. С помощью компьютеров это искусство, несомненно, достигнет существенных успехов в следующие 100 лет. Но горизонты, квантовую неопределенность и чувствительность к небольшим изменениям в изначальных условиях нельзя будет ни уточнить, ни устранить.

Если отринуть практический аспект, напряженность между «божественным взглядом» на реальность, который воспринимает ее как целое, и «муравьиным взглядом» человеческого сознания, которое воспринимает реальность как последовательность событий во времени, остаются постоянной темой в натурфилософии.

Со времен Ньютона точка зрения муравья доминирует в фундаментальной физике. Мы делим описание мира на динамические законы, которые, как это ни парадоксально, живут вне времени, и изначальные условия, при которых эти законы действуют. Динамические законы не определяют, какие начальные условия описывают реальность.

Это разделение было чрезвычайно полезным и прагматично успешным. Но, с другой стороны, оно оставило нас далеко от полного научного понимания мира, каким мы его знаем. Высказывание «вещи являются такими, потому что они являются тем, чем и являются» порождает вопрос: а почему эти вещи являются такими, а не какими-то другими?

В свете теории относительности точка зрения с божественной позиции кажется более естественной. Мы исследуем пространство-время как единое целое, разные аспекты которого связаны с симметриями, которые неудобно выражать на фоне временных срезов. Герман Вейль очень точно отметил этот момент:
«Объективный мир просто существует, он не происходит. Только взгляд моего сознания, цепляющегося за спасательный круг моего тела, оживляет часть этого мира как плывущее в пространстве изображение, постоянно меняющееся со временем».

Я предсказываю, что через 100 лет видение Вейля — которое, по сути, восходит еще к древнегреческим философам Пармениду и Платону — будет полностью оправдано, так как фундаментальные законы больше не будут признавать произвольные начальные условия. «Что есть» и «что происходит» станут неразделимыми аспектами единой транстемпоральной реальности.

Источник