Книга «Неоконченная мечта Эйнштейна» известного физика-экспериментатора Дона Линкольна стала главным поводом для его масштабного интервью в подкасте Брайана Китина. Собеседники подробно разбирают эволюцию взглядов Альберта Эйнштейна, пытавшегося связать гравитацию с электромагнетизмом, и анализируют текущий кризис в поисках Теории всего. В центре дискуссии — противостояние теоретического и экспериментального подходов, перспективы строительства новых мегаускорителей и нерешенные загадки микромира.
🌌 В погоне за неоконченной мечтой Эйнштейна 1:30
На вопрос Брайана Китина о том, потратил ли Альберт Эйнштейн последние 30 лет своей жизни впустую, Дон Линкольн отвечает решительным отказом. По мнению гостя, великий физик пытался решить невероятно сложную и до сих пор непреклонную задачу, что никак нельзя назвать пустой тратой времени. В качестве исторической детали Брайан Китинг напоминает, что в 1952 году Эйнштейну даже предлагали стать президентом молодого государства Израиль, но тот отклонил предложение с грустью и стыдом из-за невозможности его принять. По мнению Дона Линкольна, практическая политика с ее жесткой борьбой вряд ли пошла бы на пользу Эйнштейну, известному своим мечтательным гением, поэтому для его исторического наследия отказ стал лучшим решением.
Говоря о названии своей книги «Неоконченная мечта Эйнштейна», Дон Линкольн объясняет, что главной целью ученого было нахождение единого объединяющего принципа, из которого выводились бы все законы Вселенной. Промежуточным шагом Эйнштейна была попытка связать электромагнетизм и гравитацию, в чем он в итоге потерпел неудачу. Физик подчеркивает, что его книга привносит во многом экспериментальный взгляд на проблему. Дон Линкольн утверждает, что в популярной прессе существует опасное заблуждение, будто для окончательного триумфа науке нужен еще один «одинокий гений» вроде Эйнштейна, чья яркая идея мгновенно все расставит по местам. На самом деле, по прогнозам гостя, процесс глубокого понимания законов природы займет не недели или месяцы, а века или даже тысячелетия. Любопытным фактом делится автор книги: он сам разрабатывал дизайн обложки и планировал поместить туда знаменитую фотографию Эйнштейна со скрещенными руками, но издательство сочло покупку прав на этот снимок слишком дорогой.
🧬 От Великого объединения к Теории всего 6:42
Брайан Китинг поднимает вопрос о том, почему в медиа так много внимания уделяется Теории всего (TOE), хотя физики до сих пор не построили даже Теорию Великого объединения (GUT). Дон Линкольн предлагает обратиться к истории науки, которая уже знала примеры успешных слияний.
Исторические вехи объединения в физике:
- В 1650-х годах Исаак Ньютон осознал, что движение комет и планет по космосу подчиняется той же силе, которая заставляет упасть оброненную ребенком еду. Так появилась единая теория гравитации Ньютона.
- В 1800-х годах усилиями ряда ученых, и в особенности Джеймса Клерка Максвелла, было доказано, что притяжение скрепки маленьким магнитом и вспышка молнии в небе — это проявления одной силы, электромагнетизма.
В современном представлении ученые выделяют четыре фундаментальные силы:
- Гравитация, отвечающая за крупномасштабные структуры.
- Сильное ядерное взаимодействие, удерживающее вместе атомные ядра.
- Электромагнетизм, ответственный за свет и удержание атомов.
- Слабое ядерное взаимодействие, вызывающее некоторые виды радиации.
В 1960-х годах физики объединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в электрослабое. По определению Дона Линкольна, Теория Великого объединения (GUT) призвана слить электрослабую и сильную ядерную силы на микромасштабе. Теория всего (TOE) должна сделать следующий шаг и объединить GUT с гравитацией, которая пока отчаянно сопротивляется квантовому описанию. Конечной целью редукционизма гость называет гипотетическое состояние, в котором на базовом уровне реальности останется всего одна фундаментальная частица и одна сила, а все остальное окажется лишь иллюзией. При этом Дон Линкольн призывает к скептицизму, допуская, что природа может не иметь перед человечеством никаких обязательств по предоставлению такой простой и красивой теории.
📏 Истинный смысл длины Планка и миф об «одиноком гении» 15:11
Ведущий упоминает твит Илона Маска полугодичной давности, где тот утверждал, что длина Планка задает предел для количества необходимых знаков числа пи, поскольку на этом уровне окружность сужается до предела. Комментируя это, Дон Линкольн отмечает, что в популярной литературе теоретики часто называют длину Планка минимальным неделимым квантом пространства. Однако, по мнению экспериментатора, реальное значение длины Планка иное: это масштаб, на котором наши текущие теории и математический аппарат начинают выдавать фундаментально абсурдные ответы и полностью ломаются. Это лишь вуаль, барьер, за который современная наука физически не способна заглянуть.
Оба ученых с иронией отзываются о бесконечном потоке писем от «непризнанных гениев», присылающих свои теории со словами «я не силен в математике, но Эйнштейн тоже заваливал математику» (что Линкольн называет ложным мифом). Физики скептически оценивают громкие заявления популяризаторов вроде Митио Каку, цитирующих Стивена Хокинга о возможности «познать разум Бога» через Теорию всего. Как объясняет Дон Линкольн, настоящего ученого отличает глубокая интроспекция: первая реакция на любую собственную крутую идею — это попытка ее уничтожить и опровергнуть самостоятельно, прежде чем это сделают коллеги. Культ одиночки, по мнению гостя, навязан западной культурой, идеализирующей первопроходцев вроде Колумба, хотя в реальности за каждым достижением стоят сотни людей и десятилетия работы предшественников.
⚔️ Противостояние каст: теоретики против экспериментаторов 24:33
В общественном сознании именами первой величины остаются теоретики — Альберт Эйнштейн, Ричард Фейнман, Стивен Хокинг, Брайан Грин или Митио Каку. Дон Линкольн связывает это с тем, что идеи теоретиков, если отбросить сложную математику, близки к философии или теологии — они оперируют захватывающими дух концепциями. Работа экспериментатора гораздо прозаичнее: нужно проводить реальные измерения и годами скрупулезно рассчитывать погрешности. Гость шутит, что в воображении публики экспериментаторы кажутся низшей кастой, хотя сами они, безусловно, считают себя высшей.
Экспериментальная физика во многом напоминает инженерное дело, где приходится рассчитывать допуски для каждого поршня. Идеи вроде «пространство изгибается» звучат красиво, но именно экспериментаторы создают сложнейшие аппараты вроде Gravity Probe B для измерения увлечения инерциальных систем отсчета или лазерные интерферометры LIGO, фиксирующие тончайшие сдвиги от столкновения черных дыр в миллиарде световых лет от Земли. Книга Брайана Грина «Элегантная Вселенная», по оценке Дона Линкольна, была прекрасной, но создавала у неискушенного читателя обманчивое впечатление, будто теория струн — это уже готовый и доказанный ответ. Гость приводит известную в академической среде присказку: теоретику достаточно оказаться правым один раз за карьеру, чтобы обеспечить себе вечную славу, а экспериментатору достаточно ошибиться лишь единожды, чтобы навсегда разрушить репутацию. При этом Линкольн утверждает, что за последние 45–50 лет практически все значимые прорывы в фундаментальной физике совершались именно руками экспериментаторов.
🎭 Нарушенная симметрия и космическая асимметрия материи 30:36
Брайан Китинг напоминает об условиях Сахарова и о том, что вся современная физика завязана на поиске симметрий, хотя сама наша жизнь возможна исключительно благодаря нарушению этой симметрии. В качестве забавной аналогии ведущий приводит исследование привлекательности лиц Брэда Питта и Анджелины Джоли: если разрезать их фотографии пополам и сделать идеально симметричное отражение левой и правой половин, они начинают выглядеть пугающе и неестественно.
Дон Линкольн разворачивает историю открытия антиматерии, которая началась в 1920-х годах, когда физики пытались объединить квантовую механику и теорию относительности. Математические уравнения требовали извлечения квадратного корня, что давало два решения: плюс и минус. Уже в 1931 году была экспериментально открыта античастица электрона — позитрон. Из уравнения Эйнштейна следует, что энергия превращается в материю только при одновременном рождении эквивалентного количества антиматерии.
Во время Большого взрыва 14 миллиардов лет назад Вселенная была заполнена чистой энергией, которая должна была породить равные доли вещества и антивещества. Однако наблюдения показывают, что нас окружает только материя. По словам Дона Линкольна, в ранние моменты законы физики дали сбой и минимально благоволили материи: примерно на каждый миллиард античастиц рождался один миллиард и одна частица материи. В результате миллиарды взаимно аннигилировали, породив космическое реликтовое излучение, а та самая единственная выжившая частица из миллиарда сформировала нас и всю видимую Вселенную.
Возле здания Фермилаба установлена знаменитая скульптура «Нарушенная симметрия»: три массивные стальные арки разной высоты, выкрашенные с одной стороны в оранжевый, а с другой в черный цвет, кажутся громоздкими и скособоченными. Но если встать точно под ними и посмотреть строго вверх, открывается вид на идеальную геометрию, разделенную на 120 градусов. По мнению Линкольна, это лучшая метафора физики: за внешне хаотичными и несимметричными законами природы всегда скрывается глубинная, изящная симметрия, которую нужно суметь разглядеть.
🌀 Петлевая гравитация, теория струн и «гибкие» теории 43:08
В своей книге Линкольн подробно разбирает альтернативы теории струн, включая петлевую квантовую гравитацию (LQG) Карло Ровелли. Брайан Китинг отмечает, что 14 лет назад наблюдения за далекими гамма-всплесками должны были зафиксировать фазовую задержку между длинными и короткими волнами, предсказываемую петлевой гравитацией, однако никакой задержки обнаружено не было. По словам ведущего, сам Ровелли уклоняется от признания неудачи эксперимента. Дон Линкольн делится личной историей: после одного из видео он получил вежливое, но весьма колкое письмо от Ровелли, который утверждал, что физики уже разработали новую версию петлевой квантовой гравитации, где фазовая задержка отсутствует, а значит, старый эксперимент больше ее не опровергает.
Гость указывает на поразительную гибкость теоретиков: как только эксперимент закрывает одну лазейку, они тут же «подкручивают» параметры математической модели. Наглядным примером такой живучести выступает суперсимметрия. Линкольн признается, что ему безумно нравится изящная идея суперструн, он хотел бы, чтобы она оказалась правдой, но как ученый он в нее не верит. Физики вспоминают курьезные случаи защиты своих теорий лидерами мнений. Так, Камран Вафа в ответ на критику отсутствия предсказаний у теории струн гордо заявил в подкасте Китинга, что струны предсказали массу электрона в диапазоне от $10^{-5}$ до $10^{-40}$ масс Планка. А Митио Каку на аналогичные претензии возразил, что выбор конкретного вакуумного состояния из миллиардов возможных — это задача экспериментаторов, а не теоретиков. По оценке Дона Линкольна, Митио Каку перед телевизионными камерами слишком сильно ослабляет жесткие правила эмпирической науки в угоду зрелищности.
🚀 Зачем человечеству гигантские коллайдеры? 52:58
Ведущий озвучивает критику в адрес Большого адронного коллайдера (БАК): прибор выдал более 3000 научных публикаций, но, за исключением монументального открытия бозона Хиггса в 2012 году, оставил физиков с еще большим числом вопросов и без явных новых ориентиров. Дон Линкольн встает на защиту мегапроектов, объясняя, что до постройки БАК существовала четкая граница между известным и неизвестным. Ученые надеялись, что увеличение энергии в 7 раз по сравнению с ускорителем Теватрон в Фермилабе вскроет новые пласты реальности, но природа распорядилась иначе. Проектируемый сейчас в CERN Будущий циклический коллайдер (FCC) также предполагает семикратный рост энергии, и гарантий открытий снова нет.
Оправдывая колоссальные финансовые затраты, Дон Линкольн приводит два весомых аргумента:
- Стоимость постройки БАК сопоставима со стоимостью всего одного новейшего американского авианосца, при этом расходы на коллайдер распределены между десятками стран мира.
- Фундаментальные исследования обогащают мировую экономику через технологические побочные продукты (spin-offs).
В качестве примеров приводится Теватрон, который не изобрел сверхпроводимость, но помог ее индустриализировать, что позволило наладить массовое производство мощных магнитов для аппаратов МРТ, спасающих сегодня миллионы жизней. Наконец, сама Всемирная паутина (WWW) была создана в CERN исключительно для того, чтобы физики со всего мира могли оперативно обмениваться массивами данных. Экономический эффект от появления интернета многократно окупил затраты на БАК и покроет постройку следующих десяти коллайдеров.
Отдельно Линкольн останавливается на перспективах создания мюонного коллайдера для детального изучения сектора Хиггса. Протоны на БАК гость называет «грязными, монструозными объектами», похожими на мешки с фасолью или мусорные баки, при столкновении которых разлетается огромное количество лишнего «мусора». Электроны идеальны и чисты, но они слишком легкие. Поскольку бозон Хиггса порождает массу через взаимодействие, он практически «не общается» с легкими электронами, что делает электрон-позитронные машины неэффективными.
Мюон в 200 раз тяжелее электрона, что делает мюонный коллайдер идеальным решением, но его постройка сопряжена с колоссальными техническими трудностями. Мюоны живут всего 2,2 миллионных доли секунды. Физикам необходимо запустить протоны, выбить из мишени пионы (живущие $10^{-8}$ секунды), дождаться их распада в мюоны, собрать их, сфокусировать, охладить, направить в кольцо ускорителя и столкнуть между собой — и все это за микросекунды до их исчезновения.
🛰️ Космология как лаборатория: нейтрино и темная материя 1:06:11
Брайан Китинг задает социологический вопрос: готовы ли физики элементарных частиц поверить космологическим проектам (таким как DESI или Simons Observatory), которые вплотную подошли к измерению точной суммы масс трех типов нейтрино астрономическими методами?. Дон Линкольн подтверждает, что ученые с радостью примут любые подтвержденные данные отовсюду. В истории физики уже были подобные прецеденты: нейтринные осцилляции (способность нейтрино трансформироваться из одного типа в другой) изначально были обнаружены астрономами при фиксации дефицита солнечных нейтрино, а затем подтверждены детектором Super-Kamiokande по анализу атмосферных нейтрино, прошедших сквозь толщу Земли.
Говоря о главных загадках Вселенной, Линкольн признается, что за свою карьеру сильно скорректировал взгляды на природу темной материи, которой в космосе в 5 раз больше, чем обычной. Если 20–30 лет назад он склонялся к теории модифицированной ньютоновской динамики (MOND) и неполному пониманию законов гравитации, то после открытия космического столкновения скопления Пуля (Bullet Cluster), обнаружения галактик Dragonfly DF2 и DF4, а также анализа пиков реликтового излучения он окончательно перешел в лагерь сторонников материальных частиц. При этом 20 лет поисков слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMPs) и рост чувствительности детекторов в миллион раз не дали никаких результатов.
По гипотезе Дона Линкольна, темная материя может состоять из так называемых «ВИМПзилл» (WIMPzillas) — сверхтяжелых частиц, которые взаимодействуют с нашим миром исключительно посредством гравитации. Другая неразрешимая тайна, которая буквально сводит физика с ума — это существование трех идентичных поколений («углеродных копий») кварков и лептонов. Линкольн надеялся, что БАК поможет заглянуть внутрь кварков и обнаружить их внутреннюю структуру, объясняющую эту повторяемость, но этого не произошло.
🗣️ Моральный долг популяризации и личный путь Дона Линкольна 1:21:16
Брайан Китинг отстаивает тезис о том, что все ученые имеют моральное обязательство объяснять налогоплательщикам сложные вещи простыми словами. Он вспоминает свой спор с Сабиной Хоссенфельдер, призывавшей ученых «сидеть в лабораториях и заниматься тем, что умеют». Дон Линкольн предлагает компромиссный подход, основанный на разделении труда: в крупных коллаборациях кто-то гениально собирает детекторы, кто-то пишет код машинного обучения, а кто-то умеет ярко говорить. Сам гость занимается популяризацией по глубоко личным причинам.
Физик вспоминает свое детство, прошедшее в академически бедной семье: его отец даже не окончил среднюю школу, мать родила его слишком рано, а главными темами в доме были гонки NASCAR, реслинг и ремонт старых автомобилей. Окном в большую науку для маленького Дона в 1970-х годах стали телепередачи Карла Сагана и книги Айзека Азимова. Сегодня Линкольн «возвращает долг» обществу. Его работа на YouTube-канале Фермилаба демонстрирует колоссальную эффективность: треть из 300 студентов-стажеров, ежегодно приезжающих в лабораторию, указывают видеоролики Дона как главную причину подачи заявки. На данный момент число подписчиков канала Фермилаба превышает аудиторию всех остальных лабораторий Министерства энергетики США и европейского CERN вместе взятых.
🛡️ Ответы на острые вопросы: черные дыры и аномалия Muon g-2 1:28:46
Отвечая на популярный в 2010 году вопрос подписчицы о том, может ли БАК случайно создать микроскопическую черную дыру, которая поглотит Землю, Дон Линкольн уверяет в полной безопасности экспериментов. С одной стороны, согласно стандартным теориям, это невозможно. С другой стороны, если существуют малые дополнительные пространственные измерения, микро-черная дыра действительно может родиться, что стало бы невероятным подарком для проверки квантовой гравитации. Но планету она не уничтожит: Земля на протяжении 4,5 миллиардов лет непрерывно бомбардируется высокоэнергетическими космическими лучами, сталкивающимися с атмосферой на скоростях, значительно превышающих мощности БАК, и планета до сих пор цела.
Куда более серьезная научная дискуссия разворачивается вокруг эксперимента Muon g-2 (аномальный магнитный момент мюона). Измерения прецессии мюона в магнитном поле, проведенные сначала в Брукхейвене, а затем на обновленном оборудовании в Фермилабе, идеально совпали между собой и выявили отклонение от предсказаний Стандартной модели на уровне более 4 сигма. Однако Линкольн призывает не спешить трубить об открытии «новой физики».
Ранее теоретики не могли просчитать сложнейшие квантовые вклады аналитически, поэтому «вырезали» эту часть уравнений и подставляли туда похожие экспериментальные данные. Недавние вычисления методом грубой силы на суперкомпьютерах с использованием решеточной квантовой хромодинамики без привлечения сторонних данных выдали новый теоретический результат, который оказался гораздо ближе к эксперименту. По мнению Линкольна, пока теоретическое предсказание колеблется, научному сообществу следует дождаться финала этих расчетов, прежде чем заявлять о революции.
🔄 Когда ученые признают ошибки: эволюция взглядов 1:42:33
В финале встречи Дон Линкольн комментирует знаменитый афоризм Артура Кларка о том, что пожилые заслуженные ученые почти всегда правы, когда говорят, что что-то возможно, и почти всегда ошибаются, когда называют что-то невозможным. Гость охотно вспоминает примеры собственного изменения позиций. Будучи 16-летним подростком, он, впервые услышав о квантовой механике и теории относительности, посчитал их полной чушью и пошел в физику только ради того, чтобы доказать правоту классического детерминизма. Жизнь быстро показала, что прежние ученые были правы, а мир устроен гораздо более странно.
Помимо перехода на сторону материальной природы темной материи, Линкольн признается, что долгое время не верил в феномен осцилляций солнечных нейтрино. Расчеты основывались на математических моделях ядра Солнца, где малейшая ошибка возводилась в пятую степень температуры, что делало результат крайне надежным. Однако эксперименты доказали, что первоначальные выводы конца 1960-х годов были абсолютно верными. Завершая беседу, Брайан Китинг напоминает, что Дон Линкольн — один из сооткрывателей топ-кварка в 1995 году и активный участник группы, открывшей бозон Хиггса 12 лет назад, что навсегда вписало его имя в историю мировой науки.
