Ми не знаємо, з чого насправді складається більшість матерії у Всесвіті. Не знаємо, чому існують саме такі фундаментальні частинки, не розуміємо, як примирити квантову механіку із загальною теорією відносності, і навіть не можемо відповісти на, здавалося б, найпростіше питання: чому Всесвіт узагалі піддається людському розумінню? Саме про межі людського пізнання ми поговорили з фізиком елементарних частинок, професором Каліфорнійського університету в Ірвайні та співавтором книжки «Гадки не маємо» Деніелом Вайтсоном. Чи існують додаткові виміри й приховані сили природи? Чи могли інші цивілізації зрозуміти Всесвіт краще за нас? І чи може усвідомлення масштабів власного незнання не лякати, а, навпаки, надихати займатися наукою?
Це скорочена версія інтерв’ю, які ми створюємо в межах проєкту «Куншткамера» для спільноти Друзів Куншт. Щоб отримати доступ до повної версії цієї та інших розмов, а також мати змогу поставити запитання світовим зіркам науки, ставайте членами спільноти Друзів.
Що для вас є найдивнішою, найхимернішою ідеєю у Всесвіті? Концепт, теорія чи парадокс, який найбільше вас зачіпає — якщо є щось одне таке?
Для мене одна з найглибших речей, яка буквально не дає спати ночами, — це питання, чи взагалі можна зрозуміти Всесвіт. Уся фізика побудована на спробі пояснити те, що ми бачимо. І ми ніби автоматично припускаємо, що це можливо. Поки що це працювало напрочуд добре. Але ми не знаємо чому. Чому взагалі можливо пояснювати Всесвіт? Чому можна створювати маленькі математичні історії, які передбачають, як м’яч летить у повітрі чи як рідина стікає схилом? Ми не знаємо, чому це можливо. Але все одно намагаємося зрозуміти Всесвіт.
Та цілком можливо, що колись ми дійдемо до точки, де просто не знайдемо жодного пояснення. Або що Всесвіт узагалі не функціонує на основі якогось фундаментального закону. Можливо, це звучить трохи філософськи, але для мене вже сам факт того, що це працює, неймовірний.
Якщо уявити Всесвіт як набір частинок, які постійно взаємодіють і зіштовхуються між собою, нам хочеться вірити, що саме з цього сплітається реальність, у якій ми живемо. Апельсини, яблука, чорниці — усе це складається з частинок. Але ми насправді не розуміємо, чому з такої шаленої складності на найменших рівнях виникає щось настільки просте у великих масштабах. Вам не потрібно знати, як поводиться кожна частинка всередині чорниці, щоб скотити її з пагорба чи кинути в повітря.
Тож для мене певною загадкою залишається те, чому Всесвіт узагалі має сенс. Чому його можливо бодай частково зрозуміти. І я постійно думаю про те, наскільки далеко ми зможемо зайти в цьому розумінні — і чи не натрапимо колись на межу, за якою наука просто перестане працювати. Бо Всесвіт зовсім не зобов’язаний бути для нас зрозумілим.
Це одразу наштовхує мене на інше питання: чи було щось у вашому дитинстві, що теж буквально не давало вам заснути? Можливо, якісь питання, які ви тоді ще не могли нормально сформулювати — бо не вистачало слів чи розуміння базових концептів, — але вони вже були у вас у голові. Я знаю, що в дитинстві ви любили1 розбивати каміння одне об одне, щоб отримати більше каміння, і, можливо, саме тому стали фізиком елементарних частинок. Тож чи були у вас тоді якісь божевільні питання?
Пам’ятаю, що в дитинстві мене дуже мучила спроба зрозуміти, чому простір має саме три виміри. Один вимір — це лінія, по якій можна рухатися вперед і назад. Два виміри — це площина: ви берете лінію й додаєте ще одну, перпендикулярну до неї. Тоді вже можна рухатися по поверхні. З цим наш мозок ще нормально справляється. Третій вимір — це щось перпендикулярне до площини. Тоді з’являється об’єм — куб чи будь-яке інше тривимірне тіло — і ви можете рухатися в просторі.
І я пам’ятаю, як думав: а куди тоді мав би «піти» наступний вимір? Бо якщо треба додати ще одну лінію, перпендикулярну вже до всіх трьох, то ніби просто не лишається місця для цього. І тоді я думав: гаразд, простір, у якому ми живемо, і спосіб роботи нашого мозку — тривимірні. Але що, як існують чотири виміри? Або п’ять? Або десять?
Пам’ятаю, як ще дитиною намагався буквально «втиснути» це собі в голову — навчитися мислити у чотирьох вимірах. І думав: можливо, десь існують чотиривимірні істоти, для яких це абсолютно очевидно? Або, може, якщо достатньо сильно концентруватися чи робити якісь ментальні вправи, я зможу змусити свій мозок працювати у чотирьох вимірах.
У вісім років я намагався «виростити» свій мозок до четвертого виміру. Мені так і не вдалося. Я досі не можу нормально візуалізувати чотири виміри. Для мене фізика — це дуже візуальна, геометрична річ. Я думаю радше формами, структурами, тим, як вони поєднуються між собою, ніж рівняннями чи математичними символами. Є люди, для яких усе працює навпаки — вони мислять через формули. Для мене ж усе — геометрія.
Тому я досі постійно думаю про це. І це відкрите питання у фізиці: чи існують додаткові виміри простору? Чотири? Шість? Одинадцять? Двадцять шість? І ми просто сприймаємо лише три з них. Для мене це нескінченно захопливо — і водночас страшенно фруструє. Бо йдеться про абсолютно базові питання природи Всесвіту, на які ми досі не маємо відповіді.
І знаєте, цілком можливо, що через кілька сотень років люди сміятимуться: «Уявляєте, колись вони навіть не знали, що живуть у чотиривимірному чи двадцятивимірному просторі». Але найболючіше — це відчуття, що відповідь, імовірно, вже прямо перед нами. Що всі підказки вже існують — просто ми ще не знаємо, як правильно скласти їх докупи.
Якщо подивитися на історію науки, таке траплялося постійно: людству потрібні були сотні років, щоб щось зрозуміти, хоча вся інформація вже була доступною. Потрібні були лише правильна людина, правильний мозок, правильний день — і, можливо, хороша кава, — щоб усе раптом стало на свої місця. І мене страшенно фруструє думка, що це може бути правдою просто зараз. Що, можливо, ми з вами в цю саму хвилину вже маємо всю необхідну інформацію, аби значно глибше зрозуміти Всесвіт — просто поки не здатні це побачити. Тож так. Я дуже багато думав про це в дитинстві. І про те, як узагалі можливий такий прорив у розумінні реальності.
У книжці ви згадували, як науковці спершу сприймали ідею того, що Всесвіт колись був надзвичайно маленькою точкою, як щось абсолютно абсурдне. Мовляв, Всесвіт завжди існував — він не міг бути крихітним. І навіть сама назва Big Bang спочатку була радше насмішкою. Якщо трохи поспекулювати: що сьогодні здається науковцям смішним або безглуздим, але в майбутньому може виявитися правильною теорією?
Ми обмежені навіть у тому, які ідеї про Всесвіт здатні серйозно розглядати, — просто через наше уявлення про те, що є «природним». Але це уявлення залежить від культури, історії та багатьох інших речей, які взагалі не мають стосунку до фундаментальної природи реальності.
Мені здається, ми розглядаємо лише ті ідеї, які здаються нам інтуїтивно зрозумілими. Але згодом може виявитися, що правильними були зовсім інші ідеї — ті, які спочатку здавалися божевільними. Тож, по суті, ви питаєте: до чого ми зараз сліпі? Які речі ми не беремо до уваги лише тому, що вони здаються нам абсурдними, хоча насправді вони можуть виявитися реальністю?
І якби я знав відповідь на це питання, я б уже знав, які саме ідеї потрібно вивчати. Було б прекрасно знати відповідь. Але дещо ми все ж можемо робити — досліджувати. Один шлях до наукового прориву — це геніальні ідеї, які потім перевіряють експериментами. Інший — бути достатньо відкритими, щоб дозволити Всесвіту самому нас здивувати.
Наприклад, відкриття того, що Всесвіт розширюється — і що це розширення ще й прискорюється. Ще 20 років тому ми знали, що Всесвіт розширюється. Але потім з’ясувалося: існує щось, що дедалі сильніше «розштовхує» простір, і тому відстані між об’єктами збільшуються дедалі швидше.
Цю ідею ніхто серйозно не розглядав. Але коли це відкрили, науковці змогли сказати: «Всесвіт буквально каже нам, що жодна з наших попередніх ідей не працює. Відбувається щось набагато дивніше». Тому, як на мене, ми маємо залишати дуже багато простору для експериментального відкриття. Саме тому важливо робити експерименти не лише для підтвердження чи спростування теорій, а й просто для дослідження невідомого.
Тому ми висаджуємо марсохід на Марс і дозволяємо йому просто блукати поверхнею — бо ми не знаємо, що саме він знайде. Нам потрібні експерименти, які будуть відкритими до несподіванок. Щоб сам Всесвіт міг зіткнути нас із цією дивною реальністю. Дивною — але прекрасною і захопливою.
Чи можливо, що ми просто ще не відкрили якийсь інший спосіб взаємодії з матерією? У нас є електромагнетизм, сильна взаємодія, слабка взаємодія… І, можливо, саме тому ми не знаємо, що таке темна матерія, — бо бачимо лише її гравітаційний вплив? Тобто чи може існувати якась прихована сила?
Так, ви питаєте, чи можливо, що темна матерія взаємодіє не лише через гравітацію — а через якусь іншу силу, яку ми просто ще не відкрили. І так, це цілком можливо. Можливо, існує ще одна сила, просто дуже-дуже слабка. Бо якби ця сила була настільки ж сильною, як електромагнетизм чи сильна взаємодія, ми, ймовірно, вже давно б її помітили. Темна матерія всюди. І якби вона активно взаємодіяла зі звичайною матерією, ми б це бачили — навіть якщо ця взаємодія не була б електромагнітною.
Люди постійно шукають темну матерію — і поки не знайшли. А це означає, що якщо вона й взаємодіє з нами, то дуже, дуже, дуже слабко. Але так — можливо, існує нова «темна сила». І фізики шукають частинки, які могли б переносити цю взаємодію.
Ми часто описуємо сили через частинки-носії. Наприклад, електромагнітна взаємодія має фотон. Коли два електрони відштовхуються, це можна описати як обмін фотонами. Тож існує ідея, що може бути якась «темна» версія цього — умовний «темний фотон», який переносить взаємодію всередині темного сектора. І цілком можливо, що ми колись відкриємо темну матерію напряму саме через такі взаємодії — помітивши якийсь «поштовх», який передають ці «темні фотони».
Деякі науковці навіть шукають не саму темну матерію, а саме темні фотони. Бо якщо вдасться їх знайти, це означатиме, що у Всесвіті існує ще одна фундаментальна сила. Це буквально відкрило б портал у цілий темний сектор реальності й дало б нам спосіб із ним взаємодіяти.
Але також можливо, що темна матерія взагалі не взаємодіє ні через що, окрім гравітації. Що вона абсолютно нейтральна: просто має масу, «сидить» у Всесвіті — і більше нічого не робить. І це був би дуже складний сценарій, бо тоді нам було б надзвичайно важко зрозуміти, що таке темна матерія і з чого вона складається. Тому ми дуже сподіваємося, що існує ще якась сила.
А як щодо самих частинок? Чому з ними все настільки складно? Чому їх так багато? І чи думаєте ви, що одного дня ми відкриємо ще один рівень реальності — де з’ясується, що те, що ми зараз називаємо фундаментальними частинками, насправді теж складається з чогось іще дрібнішого?
Так, але ви кажете, що частинок «так багато». Існують десь 12 фундаментальних частинок матерії. Але чи це справді багато? Подумайте про всю складність Всесвіту. Є зорі, морозиво, коти, каміння — неймовірна кількість різних речей. І все це складається лише з кількох базових частинок. Це ж насправді дивовижно. Неймовірно, що така колосальна складність може виникати з настільки невеликого набору «цеглинок». І мені здається, це вже саме по собі прекрасно.
Але чи може все бути ще простішим? Ми абсолютно не розуміємо, чому існують саме ті частинки, які ми маємо зараз. Чому саме ці 12? Можна провести аналогію з періодичною таблицею. Уявіть, що ви нічого не знаєте про елементарні частинки й просто дивитеся на сотню хімічних елементів. Ви могли б спитати: «Навіщо так багато різних речей? Чому Всесвіту потрібна така кількість елементів? Звідки вони взялися? Чи не складаються вони з чогось простішого?»
І відповідь, яку ми вже знаємо, — так, абсолютно. Вони складаються з меншої кількості ще дрібніших компонентів. І це надихає нас ставити наступне питання: а що, як — , електрон та інші частинки — теж складаються з іще дрібніших структур? Це цілком можливо. І дуже ймовірно, що таких «глибших» частинок було б менше, бо що нижче ми занурюємося в структуру реальності, то простішою вона зазвичай стає.
Уся складність існує на верхніх рівнях. Чорниці та морозиво складаються з невеликої кількості хімічних елементів. Елементи — з іще меншої кількості частинок. А ті, можливо, — зі ще меншої кількості ще фундаментальніших речей. І ми сподіваємося, що ця тенденція триватиме — аж поки ми не дійдемо до чогось на кшталт однієї чи двох фундаментальних сутностей. Можливо, саме це і є найглибшим рівнем реальності. Але може бути й інакше.
Може виявитися, що жодного «фундаментального» рівня не існує взагалі. Що структура матерії продовжується без кінця — все менше, менше, менше й менше буквально до нескінченності. І якщо витрачати нескінченний час, нескінченну енергію та нескінченні гроші на зіткнення частинок, ви просто знову й знову знаходитимете ще дрібніші компоненти. Ми не знаємо. Ми можемо лише шукати далі.
А що щодо цього… не знаю, чи слово «конфлікт» тут доречне, але нехай буде — конфлікту між ? Що нам узагалі з цим робити? Бо, наскільки я розумію, обидві теорії не можуть бути повністю правильними одночасно. Хоча вони обидві працюють.
Ми дуже хотіли б зрозуміти, як поєднати ці дві теорії. Поки що обидві працюють. Але проблема в тому, що ми майже не маємо ситуацій, де одночасно потрібні обидві. Або ви маєте справу з дуже великими об’єктами — настільки великими, що гравітацію можна виміряти, але тоді квантові ефекти вже практично не мають значення, бо квантова механіка переважно описує дуже малі масштаби. Або ж вони настільки малі, що вам потрібна квантова механіка, але тоді гравітація вже не має значення, бо для елементарних частинок вона надзвичайно слабка.
Тому нам потрібна ситуація, де обидві теорії стають важливими одночасно. Нам потрібно, щоб сам Всесвіт показав нам, як це працює. Ми витрачаємо багато часу на спроби поєднати ці дві теорії: можливо, через теорію струн, можливо, через квантово-петльову гравітацію, можливо, через щось іще. Усе це — хороші ідеї. Але зрештою нам потрібно побачити, що насправді відбувається. Бо фізика — це передусім опис реальності. І нам потрібна ситуація, де і гравітація, і квантова механіка діють одночасно.
Проблема в тому, що для цього потрібні величезні маси й водночас дуже малі масштаби. Тобто нам потрібно або потрапити всередину чорної діри — бо там речі й надзвичайно масивні, й надзвичайно малі, — або побудувати гігантський прискорювач частинок, який зміг би створити настільки величезні енергії в зіткненнях настільки малих об’єктів, щоб гравітація стала помітною. Але це мав би бути колайдер просто колосальних масштабів.
Тому зараз люди працюють над іншими ідеями — експериментами з квантовою гравітацією, які могли б змусити Всесвіт «розкрити карти» без необхідності летіти в чорну діру чи будувати колайдер за десять трильйонів доларів. І мені здається, це дуже перспективний напрям.
Є кілька справді елегантних ідей того, що називають tabletop quantum gravity experiments — «настільними» експериментами з квантової гравітації. Вони використовують дуже хитрі підходи, щоб буквально змусити Всесвіт показати нам, як усе працює. Поки що ці експерименти ще не реалізовані, але їх планують у найближчі роки. І я дуже сподіваюся, що саме це стане шляхом уперед: розумні, витончені експерименти, які дозволять нам побачити, що відбувається. А вже потім ми зможемо зрозуміти, як описати це математично і що це означає для самої природи реальності.
Ми дуже багато говоримо про речі, яких не знаємо — або, можливо, ще не знаємо. Але ми усвідомлюємо це незнання саме завдяки всьому тому, що вже знаємо. І наша картина світу сьогодні набагато повніша, ніж будь-коли раніше. Чи не може це бути причиною певного… відчаю? Бо ж раніше світ був значно загадковішим, але, можливо, і простішим водночас. Навіть якщо порівняти із добою Просвітництва — тим інтелектуальним і філософським вибухом, коли людина з освітою, мабуть, могла відчувати, що вона наближається до істини. Тоді, можливо, люди могли вірити: якщо старанно вчитися, то можна майже зрозуміти світ. А сьогодні можна бути PhD, професором чи видатним ученим — і водночас прекрасно усвідомлювати, наскільки мізерним є твоє знання порівняно з усім, чого ти не знаєш. Який період в історії науки надихає найбільше — і чому?
Мені здається, усвідомлення того, як мало ми знаємо про Всесвіт, — це захопливо. Тому я точно волів би жити зараз. Бо, з одного боку, ми розуміємо світ набагато краще, ніж люди 500 років тому. А з іншого — ми знаємо, що попереду ще залишаються відкриття.
І мені не здається, що це веде до відчаю. Навпаки — це веде до захоплення. Бо це означає, що десь у майбутньому на нас чекають моменти, коли ми дізнаємося про Всесвіт щось настільки радикальне, що це буквально «підірве» наш мозок. Щось, що змусить нас зрозуміти: реальність абсолютно не така, якою ми її уявляли. І саме тому я займаюся наукою.
Я відчайдушно хочу пережити один із таких моментів. Хочу зробити таке відкриття. Хочу відчути цей досвід — ніби з очей раптом спадає завіса, і ти вперше бачиш реальність такою, якою вона є насправді, а не такою, якою ми її собі нав’язали через власні припущення. Тому я дуже радий знати, що попереду ще існують великі відкриття. Що є речі, яких ми не розуміємо. Поки в нас залишається надія, що ми все-таки зможемо їх зрозуміти. Що людство далі рухатиметься вперед. Але було б дуже страшно думати, що існують речі, яких ми не просто не знаємо, а які ми ніколи не зможемо зрозуміти.
Саме тому на початку нашої розмови я сказав: мене лякає сама можливість того, що деякі речі у Всесвіті можуть ніколи не стати для нас осмисленими. Уявіть, наприклад, що до нас прилітають надзвичайно розвинені інопланетяни. Вони вже повністю зрозуміли Всесвіт і намагаються це нам пояснити. А ми просто дивимося на них і кажемо: «Що?» І це ніколи не починає мати для нас сенс.
Тобто відповідь буквально перед нами. Вони її знайшли. Але їхній спосіб мислення настільки відрізняється від нашого — можливо, вони не використовують математику, або використовують якусь іншу математику, або взагалі інший спосіб опису реальності — що наш мозок просто не здатен це осягнути. І це цілком можливо.
Можливо, наш мозок просто не «сконструйований» для того, щоб повністю зрозуміти Всесвіт. І от це для мене по-справжньому моторошно. Знати, що відповіді існують. Мати до них доступ. І все одно не бути здатним їх зрозуміти.
