10 главных нерешенных вопросов современной науки
Чем больше мы узнаем, тем больше новых вопросов перед нами открывается. Несмотря на все достижения XX столетия, проникновение в ядро атома и расшифровку многих тайн черных дыр, некоторые вещи остаются неизведанными. Для части вопросов, кажется, мы уже вот-вот найдем решение. Другие с нами, наверное, еще надолго. Но в любом случае полезно понимать, чего мы пока не знаем.
Конечно, в каждом таком списке есть доля субъективизма. Но я рискну сказать, что эти вопросы входят в число сложнейших, стоящих перед наукой. Над их решением трудятся тысячи ученых по всему миру, но пока что решения от нас ускользают.
Вот вопросы, ответы на которые мы пока ждём:
1. Из чего состоит Вселенная?
В этом стыдно признаваться, но мы знаем только 5% состава Вселенной. Эти 5% — знакомые нам атомы таблицы Менделеева, их молекулярные агрегаты и компоненты (протоны, электроны, содержащиеся в них кварки). Есть также нейтрино — неуловимые частицы, которые могут свободно пересекать материю, даже всю Землю, как если бы там ничего не было. Но загадкой остаются другие 95%, состоящие из темной материи (27% по данным НАСА) и темной энергии (68%). Теорий у нас огромное множество, сотни, но подтверждения ни одна из них пока не получила.
Темная материя не светится и находится вокруг галактик и скоплений галактик, обволакивая их, словно невидимый плащ. Мы знаем, что она существует, потому что имеет массу и, следовательно, гравитацию: притягивает знакомые 5%, которые нам известны, и мы можем измерить этот эффект. Темная энергия гораздо более загадочна. Мы видим только одно её проявление: она обладает причудливым свойством «раздвигать» космос, заставляя галактики с ускорением удаляться друг от друга.
Не только звезды, галактики и туманности движутся так, как будто на них действует некая неизвестная дополнительная гравитационная сила. Некоторые ядерные процессы — скажем, явление радиоактивности — тоже намекают на существование неизвестных частиц. Одним из вероятных кандидатов, способных объяснить наличие темной материи, является темный фотон. В 2015 году один из экспериментов дал результаты, позволяющие судить о его существовании («аномалия Атомки»). Но последующие проверки (ПАДМЕ, LHCb и другие коллайдеры) не смогли воспроизвести результаты этого эксперимента. О темной энергии известно еще меньше, даже частиц-кандидатов у нас пока нет.
2. Как появилась жизнь?
Жизнь внезапно возникла на нашей планете около 4,1 миллиарда лет назад. А возможно, и раньше — почти сразу же после того, как это теоретически стало возможным после охлаждения первозданной Земли., а возможно, и раньше. При этом первые 2 миллиарда лет это были простые одноклеточные бактерии и археи. Первый многоклеточный организм, 12-сантиметровые червеобразные представители Франсвильской биоты, найденные в Габоне, появился только 2,1 млрд лет назад. Почитать о них на Хабре можно тут.
Почему первые организмы возникли так быстро, а для их эволюции потребовались миллиарды лет? Как агрегаты неживых атомов могут собраться в сложные молекулы, химические машины, способные к метаболизму и размножению? В каких условиях выросла первая жизнь, реальна ли теория панспермии, и может ли она так же быстро возникнуть в других мирах?
3. Одиноки ли мы во Вселенной?
Предыдущий вопрос сам по себе дает много идей. Даже имея только одну точку для сбора данных, мы понимаем, что должны быть не одни. Простые организмы возникли на Земле слишком быстро. Ученые подозревают, что многие из них даже сейчас могли сохраниться на Марсе. Титан, спутник Юпитера, тоже с высокой долей вероятности содержит жизнь — по крайней мере, по мнению НАСА. Но подтвердить мы это вряд ли сможем в течение ближайших двух десятков лет.
А вот вопрос по поводу разумной жизни пока что остается открытым. И если она есть, то где она? Что здесь работает, теория «тихих» и «громких» инопланетян (или «охотников в темном лесу», как это описывал автор уже культовой «Теории трех тел»)? Или мы не видим их по какой-то другой причине? У нас нет данных, поэтому остаются только вопросы.
4. Что делает нас людьми?
У нас в три раза больше нейронов, чем у гориллы, хотя наши ДНК практически идентичны. Разница составляет меньше 2%, немногим больше разницы от человека к человеку (0,6%). Многие животные имеют рудиментарный язык, могут пользоваться инструментами и узнавать себя в зеркалах. Это доступно птицам и осьминогам. Так что же конкретно отличает нас от них? Более толстая лобная кора? Наличие противопоставленного большого пальца? Открытие огня и умение готовить? Культура? Изготовление собственных орудий труда?
И на каком этапе гоминиды превращаются в людей? Большинство считают неандертальцев людьми. А что насчет хомо хабилис? Или австралопитеков? Науке пока сложно дать ответ. Хорошим введением в эту тему является книга Джереми ДеСильвы «Первые шаги». В ней он выдвигает гипотезу, что когда наши предки стали прямоходящими, их можно считать людьми — поскольку они решили делать руками что-то важнее, чем бегать. Но если прямохождение — определяющий фактор, то что делать с обезьянами, перемещающимися на двух ногах? Что уж там говорить, даже моя кошка умеет так делать, если ей очень хочется кушать.
Некоторые мыслители говорят, что человека определяет «наличие сознания». Но тогда назревает другой, возможно, еще более сложный вопрос, стоящий перед наукой.
5. Что такое сознание?
Как получается, что мозг генерирует «самость», уникальный опыт нашей личности, способность к саморефлексии? Многие словари говорят, что «сознание присуще только развитому человеку». Но что это такое и как его найти? Можно ли провести реверс-инжиниринг мозга для моделирования сознания машинами или это будет уже не оно? Какова эволюционная цель сознания? И если оно существует, то где его найти? В связях между нейронами или где-то еще? Некоторые физики даже предполагают, что ответы находятся в квантовой механике, которая и формирует ту самую «неопределенность», странность и случайность, приписываемую любому самобытному, а не запрограммированному существу.
Есть знаменитый «эксперимент 21 грамма» 1907 года, проведенный Дунканом МакДугалом. Он показал, что человек в среднем теряет 21 грамма после своей смерти. Тогда это было воспринято как доказательство существования души. Может, в этой эфемерной материи и кроется наше сознание? К сожалению, с тех пор этот эксперимент был многократно опровергнут. Мы уже больше века знаем, откуда берутся эти «лишние» граммы. В момент смерти происходит внезапное повышение температуры тела — поскольку легкие больше не могут охлаждать кровь. Что вызывает резкое усиление потоотделения. И несколько граммов действительно испаряются в виде пота. Впоследствии это было доказано при помощи собак, которые не имеют потовых желез, и, соответственно, после смерти не теряют вес.
Сегодня эксперимент »21 грамма» сильно раскритикован научным сообществом и считается не только ошибочным (данные там сильно приукрасили), но и вредным. Начиная с того, что МакДугалл потом убил пятнадцать здоровых собак, пытаясь опровергнуть своих критиков, и заканчивая тем, что его аргументы до сих пор используют креационисты и религиозные лидеры по всему миру.
Вопрос о сознании до сих пор остается открытым. Но есть и ещё один, более очевидный, но не менее сложный.
6. Почему мы видим сны?
Несмотря на то, что мы проводим во сне около трети всей нашей жизни, мы до сих пор не знаем, почему видим сны. Имеют ли они какую-то важную функцию? Физиологическую, психологическую? Или это просто случайные изображения, проносящиеся через отключившийся мозг? Был ли прав Фрейд в своей теории о том, что сновидения являются выражением подавленных желаний?
У нас пока нет ответов. Хотя мы знаем о снах очень многое. Например, мы знаем, что их видят все млекопитающие. Собаки, кошки, слоны, даже коалы с их маленькими мозгами. Птицы тоже видят сны: в одном случае ученым удалось заснять мозговые волны пересмешника, соответствовавшие его волнам во время пения. То есть птицы умеют петь в своих снах (а еще, вероятно, летать за насекомыми, и вообще заниматься всей птичьей активностью).
Рыбы тоже спят — хотя еще двадцать лет назад ученые были уверены в том, что это не так. Просто рыбий сон мало похож на наш, и стандартные маркеры на него не работают. Рыбы даже не двигают хаотично глазами во сне, как остальные животные. И вообще не закрывают глаза — из-за отсутствия век. Более того, рыбы продолжают плавать и спят «на ходу» (впрочем, альбатросы тоже научились спать во время полёта). Заметить, что рыба спит, можно только по факту того, что у неё понизился мышечный тонус, появилась аритмия сердца и в целом упала мозговая активность.
Одни из последних находок показывают, что сны есть даже у червей и у мух (эти спят в основном по ночам, а что они видят и представляют во сне — даже не хочется думать). То есть сейчас мы понимаем, что сон появился до разделения между всеми этими видами. Более 550 млн лет назад. Видимо, сон необходим даже самому примитивному мозгу (у взрослого червя во всей нервной системе всего 300 клеток). Тем более стыдно признавать, что мы до сих пор не понимаем, зачем. И почему наша нервная система не может существовать без этой «перезарядки», во время которой она к тому же активно переживает те же впечатления, что и во время бодрствования.
7. Почему существует материя?
Согласно законам физики, материя не может существовать сама по себе. Каждая частица материи — каждый электрон, протон, нейтрон — должна иметь спутника из антиматерии, своего злого близнеца. Даже атомы могут иметь антиатомы. Проблема в том, что когда материя и антиматерия встречаются, они распадаются в потоке высокоэнергетического излучения. Если бы вы пожали руку своему близнецу из антиматерии, взрыв от этого был бы в тысячу раз хуже, чем от атомной бомбы.
Поэтому нам очень повезло, что в нашей Вселенной, насколько мы видим, почти нет антипротонов и антинейтронов. Только позитроны иногда появляются — в космических лучах и при распаде радиоактивных ядер.
Итак, загадка состоит в том, что случилось со всей антиматерией, откуда дисбаланс? Куда она вся пропала? Или, точнее, почему она не появилась?
Эта проблема называется Барионной ассиметрией Вселенной. По какой-то причине во время Большого взрыва генерировалось на долю процента больше вещества, чем антивещества. Этот факт не может быть объяснён ни в рамках Стандартной модели, ни в рамках общей теории относительности — двух основ современной космологии.
Естественно, когда возникает неопределенность, к ней тут же приплетают все остальные неопределенности. В 2010 году физиками была выдвинута гипотеза, что этот парадокс связан с наличием темной материи. И что на самом деле асимметрии не существует — просто античастицы каким-то образом связались с темной материей и теперь не могут влиять на остальную Вселенную, кроме как посредством гравитации. Но всё это пока настолько за пределами нашего понимания, что никто даже не предположил, как это можно проверить.
8. Есть ли другие вселенные?
Или наша вселенная единственная? Хотите — верьте, хотите — нет, но многие последние теории космологии и физики элементарных частиц предсказывают существование других вселенных. Вероятно, обладающих физическими законами, отличными от наших. Но существуют ли они? Как нам о них узнать? И если мы не можем подтвердить эту гипотезу, то есть ли смысл о ней думать?
На самом деле, парадоксально, но на этот вопрос может быть проще ответить, чем на предыдущий. Стивен Хокинг в своей последней теории уже предложил метод для нахождения соседних с нами Вселенных. Для этого нужно искать следы в космическом микроволновом излучении. Его теория называется A Smooth Exit from Eternal Inflation («Плавный выход из вечной инфляции») и дает математические формулы, необходимые для поиска следов других Больших взрывов. Если таковые обнаружатся, будет очевидно, что вселенная у нас как минимум не одна.
Более того: по теории Хокинга, количество вселенных не может быть бесконечным. А это значит, что их физические свойства поддаются измерению и вычислению. Мы вряд ли сможем в них переместиться, но хотя бы будем знать, что они из себя представляют (если, конечно, всё-таки будет найдено, что они существуют, что пока что не факт).
Будет забавно, если ответ на этот вопрос найдется одним из первых.
9. Куда деть весь углерод?
Темпы индустриализации продолжают ускоряться — сейчас в основном за счет таких стран, как Индия и Нигерия, различных государств третьего мира. Даже с учетом замедления Китая мы продолжаем выбрасывать в атмосферу всё больше углерода (и метана), ускоряя глобальное потепление. Можно ли сделать что-то, чтобы сохранить окружающую среду? И что в точности произойдет, если мы этого не сделаем?
Есть целый ряд моделей глобального потепления, от мрачных до оптимистичных. Какая из них справедлива? Будет ли каскадный эффект? Что может стать его причиной?
Буквально в этом году ученые наконец приступили от теории к практике. Разными странами было выделено очень много денег на начало борьбы с изменением климата. Часть из этих денег досталась многочисленным стартапам со своими идеями. Один из них уже распыляет серу в атмосфере, чтобы она лучше отражала лучи Солнца. Другой — выращивает деревья и закапывает их под землю, чтобы таким образом отправить хотя бы часть углерода обратно, откуда он пришел. Перспективных идей много, на какую из них cделать ставку? На кону сотни миллиардов долларов и судьба нашей планеты, так что хотелось бы иметь какое-то понимание.
10. Как мы можем получить больше энергии от Солнца?
Еще один вопрос на сотни миллиардов. Взрывной рост нашей цивилизации основывался главным образом на ископаемом топливе. Легко проследить эти этапы технологического развития: сначала мы жгли дерево, потом уголь, нефть, газ. Но запасы этих видов топлива постепенно истощаются, и для следующего качественного рывка — выхода в космос, покорения звезд — нам понадобится очень много энергии.
И такой источник энергии у нас есть — Солнце. Оно производит по 3,8×1023 кВт энергии каждую секунду (pdf). Это в 70 000 раз больше, чем человечество потребляет за целый год. Если научиться собирать хотя бы долю процента этой энергии, это обеспечило бы все наши потребности на многие века вперед.
Масштабы тут невероятные. Одному человеку для полноценной жизни сегодня требуется 3 кВт энергии в день. Легкая математика показывает, что если бы мы смогли уловить только 0,00000001% энергии Солнца, этого хватило бы для обеспечения потребностей десяти миллиардов миллиардов людей (~1,094×1018). То есть мы могли бы расселиться на миллиард таких планет, как Земля.
Остается вопрос — как это сделать? И здесь тоже есть несколько решений. Например, Microsoft вкладывает миллиарды в постройку похожего термоядерного реактора здесь, на Земле. Тестовую версию хотят подключить к сети в 2028 году, а потом, если все сложится удачно, её масштабировать. Но это вариант с дейтерием, а есть также не менее перспективные идеи с водородом и бором. И, конечно, многочисленные компании, разрабатывающие солнечные панели и солнечные паруса. Если среди сотен проектов хотя бы парочка выстрелит — это может стать следующим рывком вперед. Но пока что прогресс идет медленнее, чем хотелось бы.
