Наука будущего

Москва
Лаборатория знаний
2020

Олег Фейгин

НАУКА  БУДУЩЕГО

3-е издание, электронное

УДК 501
ББК 22.66
Ф36

Фейгин О. О.
Ф36
Наука
будущего
/
О. О. Фейгин. — 3-е
изд.,
электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2020. — 271 с. — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-00101-735-6
Как родился наш мир и каково его будущее? Есть ли иные миры
и иные измерения? Что такое жизнь и разум и как они возникли на нашей
планете? Можно ли создать искусственный интеллект и к чему приведет
его создание? Какие тайны хранит в себе гидросфера Земли? Какая связь
между солнечными пятнами и ионосферными бурями? Как телепортировать
информацию и сделать квантовый дешифратор?
Автор
книги
О. О. Фейгин,
академик
Украинской
АН,
блестящий
популяризатор науки, рассматривает эти и подобные вопросы через призму
последних достижений в астрономии, физике, химии и биологии. При этом
обсуждаются новости с самого переднего края естествознания, в том числе
теория струн, темная материя и происхождение жизни.
Для всех, кто интересуется проблемами современной науки.
УДК 501
ББК 22.66

Деривативное издание на основе печатного аналога: Наука будущего /
О. О. Фейгин. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — 244 с. : ил.,
[24] с. цв. вкл. — ISBN 978-5-9963-1073-9.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-735-6
c○ Лаборатория знаний, 2015

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Хотя техника, определяющая современную культуру, развивается 
благодаря постижению наукой Вселенной, техника и наука руководствуются разными побуждениями. Рассмотрим основные различия между наукой и техникой. Если занятия наукой вызваны 
желанием человека познать и понять Вселенную, то технические 
новшества — стремлением людей изменить условия своего существования, чтобы добыть себе пропитание, помочь другим, а нередко и совершить насилие ради личной выгоды…
Прежде чем научные достижения станут достоянием техники, 
требуется принять во внимание дополнительные соображения: 
разработка какого устройства возможна, так что допустимо построить (вопрос, по сути, относящийся к области этики). Этика 
же принадлежит к совершенно иной области умственной деятельности человека — гуманитарным наукам.
Мы, люди, ютимся на обломке скалы под названием «планета», 
обращающейся вокруг ядерного реактора под названием «звезда», 
которая входит в огромное собрание звезд под названием «Галактика», а та в свою очередь — часть скоплений галактик, составляющих Вселенную. Наше состояние, именуемое нами жизнью, присуще множеству иных организмов на этой планете, но, похоже, мы 
одни обладаем орудием ума для постижения Вселенной и всего, 
чем она располагает. Свои усилия по выяснению природы Вселенной мы подводим под понятие науки. Такое понимание дается нелегко, и путь к нему долог. Однако успехи налицо.

А. Уиггинс, Ч. Уинн. Пять нерешенных проблем науки

Д 
ля того чтобы лучше понять, как же возникают самые фундаментальные из до сих пор не решенных проблем науки, лучше всего 
просто перелистать несколько страниц истории научных изысканий.
Минула эпоха античных мыслителей-метафизиков, ушел в прошлое период противоречивых темных лет средневековья, и на арену 
истории вышла новая наука Ренессанса — возрожденная физика. 
Среди имен великих предвестников современного научного подхода 
к окружающей природе — Николая Кузанского, Френсиса Бэкона, 

Предисловие

Николая Коперника, Джордано Бруно, Леонардо да Винчи, Иоганна 
Кеплера — выделяется имя величайшего ученого в истории естествознания — Галилео Галилея. Считается, и не без основания, что именно с 
его работ началось развитие опытной науки. Именно Галилей сумел замечательно соединить оригинальные мысленные эксперименты с движущимися телами и гениальные по своей простоте реальные опыты, 
которые ежегодно повторяют миллионы школьников во всем мире. 
Сама идея совмещения умозрительных моделей и подтверждающих их физических экспериментов была в то время чем-то совершенно новым и по-настоящему революционным. До этого столетиями, 
если не тысячелетиями, считалось, что исследовать Вселенную можно всего лишь с помощью правильных логических рассуждений. Подобные взгляды приводили ко множеству заблуждений, например к 
убежденности в том, что стрелу необходимо подталкивать в воздухе 
для продолжения ее полета или что все тела падают на землю со скоростью, пропорциональной их массе. 
Именно пионерские труды Галилея проложили дорогу последующим триумфальным открытиям великого английского физика Исаака Ньютона (1642–1727), создавшего ту самую классическую механику, которую мы изучаем в школе. С именем Ньютона также связано 
и открытие фундаментального физического Закона всемирного тяготения. Правда, здесь мы в очередной раз видим, что и великим 
свойственно заблуждаться: Ньютон считал, что в природе существует дальнодействие и, по закону открытого им всемирного тяготения, 
тела мгновенно воздействуют друг на друга через пустое пространство.
Прошли века, и дальнодействие было признано несостоятельным 
после создания концепции электромагнитного поля, распространяющегося с наивысшей в природе скоростью — скоростью света. Так 
появилась концепция близкодействия, согласно которой взаимодействие между материальными телами возможно лишь с помощью тех 
или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве.
Здесь надо заметить, что в науке XIX века большую роль играли 
ложные представления о некой всепроникающей среде — эфире. На 
представление об эфире как о переносчике электрических и магнитных взаимодействий опиралась вся физика того времени. Первоначально, на волне успехов классической физической механики, эфир 
воспринимался как чисто механическая среда некоего сверхупругого 
тела, в котором распространяются свет и электромагнитные волны 
подобно звуку в воздухе.
Гипотеза механического эфира соединяла в себе несоединимое 
и чем-то напоминала мифическое существо — Грифона с птичьей  

Предисловие

головой и туловищем льва. Так, закономерности распространения 
световых волн требовали, чтобы эфир имел абсолютную твердость и 
в то же время «сверхподатливость», дабы не оказывать ни малейшего 
сопротивления движению небесных тел, иначе это сразу же выявили бы астрономы. На протяжении многих столетий целые поколения 
естествоиспытателей пытались придумать правдоподобную модель 
загадочного эфира. Но, в конце концов, более столетия назад, было 
твердо установлено, что ложно само понятие этой таинственной субстанции. Сделала это самая знаменитая теория прошлого века — теория относительности, которая в свою очередь поставила и фундаментальнейшие задачи науки: как построить Теорию Всего, как родился 
наш Мир, что было до образования Вселенной, как возникли грандиозные звездные системы галактик?
Нерешенные фундаментальные задачи теоретической физики 
тесно связаны с развитием математического аппарата. Здесь также 
возникают очень интересные задачи, которые предстоит решить науке и в которых заключено много загадок эволюции нашего Мира и 
свойств пространства-времени. Кажется удивительным, но решение 
некоторых математических проблем столетней давности позволяет 
совершенно по-иному взглянуть на наш Мир в свете теории множественной Вселенной.
Чтобы понять, как же начался процесс головокружительного «инфляционного расширения» Вселенной, можно представить безбрежный океан легкозамерзающей «квантовой жидкости» протопространства-времени, над которым проносятся леденящие вихри вездесущего 
«скалярного поля». «Квантовая жидкость» все время топорщится рябью 
«квантовых флуктуаций». Это просто уникальные создания, о которых 
можно говорить очень много. Любознательным читателям автор посоветовал бы свои книги «Тайны квантового мира» и «Парадоксы квантового мира». В двух словах можно заметить, что всплески «квантовой 
жидкости» возникают по довольно простой причине — из-за вероятностного характера квантовых явлений. Представьте, что вы подбрасываете монетку и у вас выпадает подряд десяток «орлов» или «решек», —  
это и есть модель вероятностной флуктуации. Ну а теперь вернемся к 
нашему протоокеану «квантовой жидкости» и будем пристально наблюдать, как его всплески приводят к росту скалярного поля, а впадины, наоборот, уменьшают его значение. Вот в одном месте несколько 
положительных волн-флуктуаций сложились друг с другом, совсем как 
обычные волны в реке или пруде, и повысили значение скалярного 
поля настолько, что легко замерзающая жидкость стала стремительно 
замерзать, накладываясь на скалярное поле. Еще немного, и процесс 

Предисловие

становится необратимым — рождается новый мир. Но и это не все: через несколько мгновений вечности мы с изумлением видим, что в растущем инфляционно (т. е. по экспоненте — вспоминаем школьные 
графики!) мире стремительно ветвятся отростки дочерних вселенных! 
Еще одно мгновение, и перед нами самое настоящее «древо миров», которое так часто можно встретить в фантастических романах. Впрочем, 
все это больше напоминает мыльные пузыри, когда из материнского 
шара изначальной квантовой флуктуации везде пузырятся дочерние 
миры, и каждый из них неуклонно следует сценарию Большого Взрыва. 
Если в каком-то месте началось инфляционное расширение, оно 
растягивает квантовые флуктуации, и, в конечном счете, они как бы 
замерзают, накладываясь на существующее повсюду скалярное поле. 
Кое-где они приводят к росту этого поля, а в других местах — уменьшают. Где-то несколько положительных флуктуаций могут наложиться друг на друга и повысить значение скалярного поля настолько, что 
в этом месте начнется новый всплеск инфляции. Из теории следует, 
что если где-то однажды началось инфляционное расширение, оно 
будет само себя воспроизводить все в новых и новых местах, при этом 
Вселенная приобретет вид не раздувающегося шара, а дерева из раздувающихся пузырей. Каждый из пузырей можно рассматривать как 
отдельный Большой Взрыв. 
Описать все эти фантастические метаморфозы рождающихся вселенных помогают особые математические образы взаимных преобразований многомерных математических пространств. Подобные 
абстрактные геометрические построения постепенно переходят в область математической физики и уже там формируют картину бесконечного множества различных вселенных, каждая из которых развивается по своим законам, и весь процесс бесконечен в пространстве 
и во времени. В чем-то шары отдельных больших взрывов наводят на 
мысль о том, что и человек так же рождается среди подобных себе, 
развивается и уходит, а человечество может жить гораздо дольше, чем 
жизнь одного его участника. 
Главное, что тут необходимо понять, — это совершенно непостижимая эффективность прикладной математики. Именно она, в конечном итоге, полностью меняет наши представления о Космосе в 
целом. Раньше мы считали, что Вселенная расширяется, оставаясь 
в то же в время чем-то единственным и уникальным. Современные 
абстрактные геометрические рассуждения приводят нас к выводу, что 
Космос в своей непостижимой эволюции не только растет, но и непрерывно воспроизводит себя в новых и новых формах, с разными 
физическими законами и принципами! 

Предисловие

Случайно или закономерно происходят открытия в окружающем 
Мире? 
Как непросто дать ответ на этот вопрос! Мы давно привыкли к 
тому, что все новое получается на грани возможностей, с применением уникальных установок, сверхсильных полей, сверхнизких температур, сверхвысоких энергий. Но иногда действительность прос- 
то поражает воображение. Вот, к примеру, в середине 80-х годов  
прошлого века два швейцарских исследователея К. Мюллер и Ж. Беднорц интуитивно обратили внимание на особый класс металлокерамик с целью исследования их сверхпроводящих качеств. И вдруг соединение бария, лантана, меди и кислорода (которое химики называют 
купратами, имея в виду общую формулу сверхпроводящей керамики  
LaX(BaX)CuO4), проявило признаки сверхпроводимости при 35 градусах Кельвина (35 К = - 238 °С).
Тут надо заметить, что у исследователей, занимающихся низкими температурами, — криофизиков свои понятия о тепле и холоде. 
Эти несколько десятков градусов для сверхпроводящего состоя- 
ния — даже не тепло, а просто горячо, поэтому такие соединения тут 
же были причислены к высокотемпературным сверхпроводникам. 
После открытия первого высокотемпературного сверхпроводника 
исследователи нашли множество сверхпроводящих сложных оксидов меди. А вот со старыми «металлическими» сверхпроводниками 
ничего не получалось. Какие бы самые разные сплавы ни пытались 
испытывать металлофизики, в среднем температура самых удачных 
вариантов колебалась вблизи 10–15 К, а это «холодно». Поэтому за 
традиционными металлическими сверхпроводниками закрепился 
термин «низкотемпературные». На этом фоне обнаружение высокотемпературной сверхпроводимости сложных оксидов меди напоминало открытие нового неисследованного континента.
Перспективы применения высокотемпературных сверхпроводников настолько впечатляющи, что ставят на повестку дня многие из 
ранее нереальных глобальных проектов. Известно, что, несмотря на 
все инженерные ухищрения, значительная часть генерируемого электричества безвозвратно теряется, не производя никакой полезной работы. Сегодня в линиях электропередач теряется до трети всей вырабатываемой электроэнергии. Применение высокотемпературных 
сверхпроводников в силовых кабелях может существенно улучшить 
ситуацию, а в далекой перспективе почти полностью свести на нет 
эти потери.
Уже многие десятилетия в разнообразных научных приборах —  
в современных гигантских ускорителях элементарных частиц (коллай

Предисловие

дерах) и экспериментальных термоядерных реакторах — применяются сверхпроводящие электромагниты, работающие при температуре 
жидкого гелия. Сверхпроводящие элементы и конструкции находят 
все более широкое применение при создании высокоскоростных 
монорельсовых экспрессов на магнитной подушке и в медицинских 
магниторезонансных томографах со сверхпроводящими магнитами. 
Остался еще один очень интересный вопрос, касающийся сверхпроводимости в целом и высокотемпературных керамик в частности. 
Существуют ли естественные состояния сверхпроводящих материалов в природе и как они могут проявляться? На первый взгляд вопрос 
простой: если есть в космосе металлические минералы, то многие 
из них должны находиться при средней температуре вакуума (4 К) в 
сверхпроводящем состоянии. 
Однако в действительности все не так просто: массивные образцы 
чистых металлов в пробах лунного грунта (риголита) и метеоритах не 
обнаружены, исключение составляют редко встречаемые железоникелевые образцы.
Тем не менее будущим исследователям спутников газовых гигантов вполне может встретиться фантастическая картина магнитных 
скал (на основе перовскитов — минералов, состоящих в основном из 
титаната кальция — CaTiO3), парящих над островами металлических 
руд, омываемыми морем какого-либо жидкого газа.
Кибернетики давно проектируют использование разнообразных 
сверхпроводящих электронных элементов для создания «думающих» 
роботов и электронно-вычислительных систем. Здесь вспоминается 
очень любопытный, но несколько мрачноватый рассказ известного 
американского фантаста Поля Андерсона. Действие его происходит 
в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Космический 
корабль терпит крушение после столкновения с ледяной горой своеобразного космического «айсберга». После разгерметизации корпуса 
вырвавшийся поток воздуха выбрасывает экипаж космонавтов в облако летящих обломков скал (существует гипотеза, что пояс астероидов — это остатки планеты Фаэтон, разорванной притяжением Юпитера). Один из несчастных ударяется о поверхность подвернувшегося 
астероида и оказывается навечно его пленником. Однако волею фантазии автора через некоторое время подобие жизни начинает периодически возвращаться к космонавту. Дело в том, что астероид принадлежал к внутреннему поясу и, вращаясь, периодически попадал 
под слабые лучи бледного на таком расстоянии Солнца. Этого было 
достаточно для появления электрических импульсов в сверхпроводящих сосудах головного мозга и возникновения сознания. 

Часть 1

ТАЙНЫ АБСТРАКТНОГО ЗНАНИЯ 

Глава 1. Проблема Теории Всего

Мечту Эйнштейна о создании Единой теории Вселенной осуществить пока не удалось, но успехи последних лет показывают, что 
мы на верном пути. Конечно, вряд ли кто-то из ученых станет загадывать, когда придет удача, но большинство из них уверено, что 
когда-нибудь это случится.
Наша же цель отличается от той, которую поставил перед собой Эйнштейн. Всем ясно, что он опередил свое время, тогда еще 
многое оставалось непонятным. Ученые не знали многих типов 
элементарных частиц, не знали о симметрии в природе, о калибровочных теориях и очень мало о Большом Взрыве, с которого 
все началось.
Альберт Эйнштейн умер…, так и не осуществив свою меч- 
ту — построить единую теорию, описывающую Вселенную в целом. Последние десятилетия жизни он посвятил поискам такой 
теории, которая объясняла бы все — от элементарных частиц и 
их взаимодействий до глобальной структуры Вселенной. Несмотря на огромные усилия, Эйнштейна постигла неудача, потому 
что для решения этой задачи еще не пришло время. Тогда еще 
практически ничего не было известно о черных и белых дырах,  
о сингулярностях, Большом Взрыве и ранней Вселенной, а также  
о кварках, калибровочной инвариантности, слабых и сильных  
взаимодействиях. Теперь ясно, что все эти явления имеют отношение к единой теории, что такая теория должна объять и объяснить их. В каком-то отношении сегодня наша задача гораздо 
сложнее, чем та, которую поставил перед собой Эйнштейн. Но 
ученые — упорные люди, и сейчас им удалось подойти почти 
вплотную к желанной и манящей цели, сделать важные открытия…
Б. Паркер. Мечта Эйнштейна: 
 В поисках единой теории строения Вселенной

Часть1. Тайны абстрактного знания
С 
реди первоочередных нерешенных задач фундаментальной науки 
выделяется грандиозная проблема создания Теории Всего. Великий физик Альберт Эйнштейн первым парадоксально соединил пространственно-временные свойства нашего континуума, открыв свою 
Общую теорию относительности и наметив путь объединения всех 
известных взаимодействий с силами всемирного тяготения (рис. 1). 
Прежде всего, это касается объединения квантовой механики и теории относительности, например так, как это происходит в астрономической науке квантовой космологии. В идеале будущая объединенная теория должна связать между собой все силы Мироздания с 
помощью единой системы уравнений или даже просто одного уравнения. Вся трудность в том, что теория относительности описывает 
общую структуру пространства-времени, а квантовая механика — поведение субатомных микрочастиц1. 
В этом суть противоречий этих теорий друг другу. Первый шаг в 
объединении всех частиц и сил надо сделать именно в квантовой теории поля, включающей квантовую механику и теорию относительности, а затем необходимо как-то связать гравитацию и квантовую 
механику. Каждый специалист видит здесь свои пути развития, а нобелевский лауреат Стивен Вайнберг вообще считает, что только для 
разработки математического аппарата подобной теории понадобится 
не менее столетия.
В конце прошлого столетия независимо был заложен фундамент 
двух наиболее популярных конкурирующих направлений в объединительной теории квантовой гравитации — петлевой квантовой гравитации (ПКГ) и теории струн. В построении теории ПКГ важную 
роль сыграли новые оригинальные формы математического языка 
для описания пространства-времени. В теории ПКГ на субэлементарном уровне пространство предстает состоящим из мельчайших 
единиц в виде дискретных петлеобразных элементов. Вообще говоря, на микроскопическом уровне элементарным частицам, таким 
как электрон, протон или нейтрон, нельзя одновременно приписать 
определенные координаты и скорости, энергию и время ее измене
1 Здесь надо отметить, что обитатели микромира очень разнообразны по своим 
размерам и свойствам. Сегодня их открыто несколько сотен, и даже специалисты 
немного путаются в общих названиях, называя их и квантовыми частицами, и 
микрочастицами, и микрообъектами. Без малого столетие назад все было гораздо 
проще — первые открытые микрочастицы считались фундаментальными и неделимыми, поэтому их назвали «элементарными». Сейчас все они давно уже признаны составными, но термин остался.