864557858

7

Jul, 2015

Fizika po 100 metų: kaip keisis mokslas ir visas pasaulis (Video)

By: | Tags: , | Comments: 0

Prieš šimtą metų Albertas Einsteinas buvo dar visai neseniai publikavęs savo naują revoliucinę teoriją apie gravitaciją, atomų branduoliai buvo kažkas labai paslaptingo, o kvantų „teorija“ buvo spėlionių kratinys. Mokslininkai dar neturėjo patikimų žinių nei apie superlaidumą, nei apie cheminio ryšio prigimtį, nei apie žvaigždžių energijos šaltinį.

Ir niekas ničnieko nenutuokė apie tokius dalykus, kaip Didžiojo sprogimo kosmologija, juodosios bedugnės, kvarkai, gluonai, radijas, televizija, mazeriai, lazeriai, tranzistoriai, atomo magnetinis rezonansas, mikroelektronika ir telekomunikacijos… ir, žinoma, atominės bombos. Per šimtmetį mokslas neįtikėtinai patobulėjo. Prieš šimtmetį niekas net savo drąsiausiose svajonėse nebūtų galėjęs atspėti, kaip atrodys šiuolaikinė fizika ir kaip ji bus pakeitusi pasaulį, rašo pbs.org.

Šiandien mūsų žinios apie supantį fizikinį pasaulį yra nepalyginamai turtingesnės nei prieš šimtmetį, ir, anot Nobelio fizikos premijos laureato Franko Wilczeko, dabartinės žinios sukuria kur kas stabilesnę platformą spėjimui apie tai, kaip fizika atrodys ateityje. Ir, pasinaudodamas šia platforma, mokslininkas, kuriam garbingiausias mokslo pasaulio apdovanojimas skirtas už darbą, kurį jis atliko būdamas vos 21 metų, sukūrė prezentaciją „Physics in 100 Years“, kurią nemokamai galima atsisiųsti  internete.

Mokslininkas ateities neketina prognozuoti tiksliai, tarsi rašant verslo planą. Tačiau jis išskiria dabartinės fizikos silpnąsias vietas, kurių stiprinimas moksliniu požiūriu gali būti labai naudingas, įvertina, kuriose srityse sparčiausiai auga įrangos galimybės ir kas nutiktų smarkiai patobulintai technikai susidūrus su labiausiai rūpimais fizikiniais klausimais. F. Wilczekas savo prognozes suskaidė į dvi pagrindines kryptis.

Pirmojoje mokslininkai sieks patobulinti žmonijos suvokimą apie fundamentalius fizikos klausimus, bandydami susieti tokius pasaulio aspektus, kurie dabar atrodo nesusiję: jėgą ir substanciją, medžiagą ir erdvėlaikį, istoriją ir dėsnius, informaciją ir veiksmą, protą ir materiją. Tai – kryptis gilyn į žinių pasaulį, link giliausių mokslo šaknų. Kita kryptis – aukštyn: žmonija smarkiai išplės savo jusles, sukursime savaime apsitaisančius, savaime susimontuojančius, savaime besidauginančius robotus, kurie suteiks galimybę vystyti šiandien neįsivaizduojamo dydžio inžinerinius ir kompiuterinius projektus.

Skaitmeninių modeliavimų pažanga neatpažįstamai pakeis chemiją, mediciną ir medžiagų mokslą, o mokslininkai ir menininkai bendromis pajėgomis kurs naujas grožio formas. Gilyn link fundamentaliojo mokslo šaknų Daugiausiai dėmesio F. Wilczekas skyrė sunkiai suderinamų dalykų suderinimui, savo mintis grįsdamas tuo, jog Reen Descartesas kadaise susiejo algebrą ir geometriją, Galileo su Isaacu Newtonu susiejo dangaus kūnų judėjimą su Žemės judėjimu, Jamesas Maxwellas susiejo elektromagnetines jėgas su optika, Albertas Einsteinas ir Hermannas Minkowskis susiejo erdvę ir laiką.

Ir visais atvejais suvienyta teorija buvo reikšmingesnė už abiejų atskirų teorijų sumą: teorijų vienijimas istoriškai pasirodė esąs labai sėkmingas ir produktyvus procesas. Todėl Nobelio premijos laureatas tikisi, kad ateityje vienijant teorijas tendencija nepasikeis.

Mokslininkas prognozuoja, kad ateityje dabartinė teorija (Standartinis modelis), aprašanti 4 gamtos jėgas (na, tiksliau, 3 – stipriąją, silpnąją ir elektromagnetinę sąveikas – apie iš prigimties kitokią gravitacinę sąveiką F. Wilczekas pasakoja atskirai), bus performuluota taip, kad visoms jėgoms aprašyti pakaks vieno matematinių taisyklių rinkinio. Kitaip tariant, liks tik 1 jėga.

Fizikas prognozuoja, kad tobulėjant tyrimų įrangai per ateinantį šimtmetį atrasime supersimetrines daleles (sunkesnius dabar žinomų elementariųjų dalelių atitikmenis), o supersimetrijos postulatai teigia, kad egzistuoja labai tamprus ryšys tarp tartum nesuderinamų elementariųjų dalelių grupių – fermionų (medžiagos) ir bozonų (jėgos).

Jėgų ir dalelių suvienijimas, F. Wilczeko teigimu, atvertų duris į dar vieną Fizikos aukso amžių. Mokslininkas tikisi, kad vystant stygų teoriją prie trijų jau minėtų sąveikų – stipriosios, silpnosios ir elektromagnetinės – kaip lygią būtų galima prijungti ir gravitaciją. Tiesa, iki šiol stygų teorija buvo vystoma labai ilgai ir aktyviai, tačiau kol kas jos rezultatai yra sunkiai suderinami su stebima realybe, todėl F. Wilczekas šios teorijos ateitį vertina šiek tiek atsargiai.

„Labiau užtikrintai galima tikėtis „veiksmingo“ medžiagos ir erdvėlaikio sujungimo. Gravitacinių bangų astronomijos fizika jau visai čia pat. Tikiuosi, kad gravitacinės bangos taps galingu, universaliu astrofizikinių ir kosmologinių tyrimų įrankiu. Bus atrasta daug naujų jų šaltinių, o mūsų žinios apie neutronines žvaigždes ir juodąsias bedugnes pasieks naują detalumo lygį“, – rašo fizikas.

Mokslininkas tikisi, kad per šimtmetį fizikai sugebės įžvelgti ir objektyvią realybę, o ne tą, kuri matoma žmogaus akimis ir aprašoma dabartiniais (dinaminiais) fizikos dėsniais taikant subjektyvias pradines sąlygas, priklausomas nuo stebėtojo. „Kas vyksta“ ir „Kas iš tikrųjų yra“ bus suprantami kaip nedalomi vienos, nuo laiko nepriklausomos realybės aspektai“, – aiškino fizikas.

Patį mokslininką labai dominantis klausimas – kaip veikia jo (o ir bet kurio kito žmogaus) protas – taip pat veikiausiai bus atsakytas per ateinantį šimtmetį. F. Wilczekas tikisi, kad taip, kaip šiuo metu daugiau ar mažiau fizikiniais terminais jau gebama aprašyti esminius gyvybės požymius – metabolizmą ir reprodukciją – ateityje bus galima aprašyti ir kognityvinius procesus, atmintį, motyvacijas bei emocijas.

Galėtų pasirodyti, kad tai yra žmogaus proto „redukavimas“ į paprasčiausią materiją, tačiau, anot mokslininko, vien fizikinis proto suvokimas paties proto nepakeis, jo vertės nesumažins. Aukštyn raškyti mokslo vaisių Naujos mokslo teorijos suteiks žinių, leisiančių geriau pažinti medžiagų prigimtį ir žmonės galės kur kas didesniu tikslumu gaminti tai, kas mums reikalinga, o svarbiausia – prognozuoti, ką pagaminti apskritai įmanoma.  Aregzistuoja medžiagų, iš kurių būtų galima pasigaminti liftą į kosmosą?

Ar egzistuoja superlaidininkų, veikiančių ir kambario temperatūroje? Ar Moore’o dėsniui galima suteikti antrą gyvenimą? Atsakymus į šiuos klausimus padės surasti kompiuteriai, kurie jau dabar pamažu chemikams pradeda tarnauti taip, kaip kažkada tarnavo lėktuvų dizaineriams, realių eksperimentų duomenis papildydami skaičiuojamaisiais modeliavimais. Modeliavimai kuo toliau, tuo labiau išstūminės realius eksperimentus bandant sukurti tokius dalykus, kaip naujos medžiagos, katalizatoriai, vaistai. Taip didės mokslininkų produktyvumas ir plėsis jų kūrybinės galimybės.

 Kompiuteriniams modeliavimams įsiveržus į chemijos tyrimus, mūsų turimos kontroliuojamos miniatiūrizacijos galimybės padidės ne kartais, o eilėmis. Taip, kaip dabar chemikai sugeba manipuliuoti atomais, ateityje fizikai lygiai taip pat lengvai galės manipuliuoti atomų branduoliais. O tai savo ruožtu suteiks galimybę gaminti neįtikėtino tankio informacijos talpyklas, iki šiol neregėtos galios lazerius ir panašiai.

 Dabartiniai kompiuteriai yra iš esmės dvimačiai, jų procesoriai turi būti gaminami labai griežtai kontroliuojamomis ypatingos švaros sąlygomis, o bet koks trūkumas struktūroje reiškia nepataisomą broką. Tuo tarpu žmogaus smegenys yra visiškai kitokios – jos trimatės, pagamintos ir veikiančios menkai kontroliuojamoje aplinkoje ir yra labai atsparios trūkumams bei pažeidimams.

 Šis skirtumas – labai stipri motyvacija žmogaus smegenų charakteristikas perkelti į kompiuterius, išlaikant puslaidininkių technologijų tankį, spartą ir masto didinimo galimybes. Todėl F. Wilczekas tikisi, kad per ateinantį šimtmetį tikrai turėsime žmogaus smegenų struktūrą primenančių trimačių, klaidoms ir trūkumams atsparių, savaime pasitaisančių kompiuterių. Ir juos kurdami pakeliui mokysimės to, kas svarbu neurobiologijoje.

 Kita labai panaši mašinų tobulėjimo kryptis būtų robotai, tam tikromis savybėmis primenantys žmones: sukursime savaime susimontuojančius, savaime besidauginančius, be žmogaus įsikišimo kuriančius robotus. O kai robotai galės patys save kurti ir daugintis bei bus išradingi, jie kurs kitus, vis sudėtingesnius robotus.

 Tokia strategija suteiks galimybę vykdyti eksponentiškai sudėtingėjančius, ambicingus projektus – pavyzdžiui, milžiniškas dykumas paversti titaniškais kompiuteriais ar gigantiškomis elektrinėmis. Beje, Dysono sferos, supančios mūsų planetą ir surenkančios didžiąją iš Saulės atskriejančios energijos dalį, idėja, anot F. Wilczeko, net ir su tokiais robotais būtų kiek per daug drąsi svarstant apie artimiausią šimtmetį. Ir nors neabejotina, kad žmonėms teks atprasti naudotis iškastiniu kuri energijai gauti, o energijos poreikis augs ir augs labai smarkiai, F. Wilczekas prognozuoja, kad po šimtmečio mokėsime pažaboti kur kas didesnę dalį energijos, kurią gauname iš Saulės.

 Tikėtina, kad per šimtmetį žmonės „pataisys“ ir kai kuriuos savo juslinius trūkumus. Na, kad ir šviesos jutimą. Šviesos spektras yra milžiniškas, be to, egzistuoja ir šviesos poliarizacijos sąvoka. Tuo tarpu mūsų akys kaip spalvas suvokia tik labai nedidelę šviesos spektro dalį, o poliarizaciją apskritai ignoruoja. Lyginant su mūsų klausos suvokimu – platesniu suvokiamų dažnių spektru, gebėjimu išskirti atskirus tonus akorde ir panašiai – žmogaus rega yra labai jau skurdi juslė. Netgi kai kurie gyvūnai mato geriau – jie sugeba įžiūrėti infraraudonojo, ultravioletinio spektro spindulius. Išplėtus žmogaus spalvinį suvokimą galėtume gauti nepalyginamai daugiau informacijos apie savo natūralią aplinką. O šiuolaikinė mikroelektronika jau pamažu pradeda nagrinėti tokias galimybes. Atlikus tinkamas transformacijas, papildomą informaciją smegenims galima būtų pasiųsti jau esamais kanalais.

 F. Wilczekas viliasi, kad ateityje žmonija fizikos lygtyse ir idėjose įžvelgs tokį patį grožį, kaip ir patys fizikai – jis tikisi, kad menininkai, pasinaudoję moderniomis signalų apdorojimo ir kompiuterių grafikos galimybėmis šių minčių ir lygčių grožį sugebės perteiktų naujų meno formų pavidalu.

 Neįtikėtinus gerovės klodus mūsų vaikams ir vaikaičiams atskleis kvantinė mechanika. Bus sukurti kvantiniai kompiuteriai su tūkstančiais kubitų (kvantinių bitų), kurie bus naudojami realiais ir praktiškai naudingais tikslais – ir jie, F. Wilczeko manymu, gali būti tinkami kvantinės mechanikos tyrimams. Kitaip tariant, kompiuteriai tirs savo veikimo mechanizmus ir atskleis savęs tobulinimo galimybes.

 Plačiau ir tiksliau išdėstytą Nobelio premijos laureato F. Wilczeko prognozę „Physics in 100 Years“ galima nemokamai atsisiųsti iš „arXiv“ svetainės. Ateityje šios prognozės pagrindu ketinama išleisti knygą „A Beautiful Question“, kurioje šie klausimai nagrinėjami dar giliau.

delfi