Уиггинс А., Уинн Ч. The five biggest unsolved problems in science

Есть несколько мнений о путях достижения более точного, долгосрочного прогноза погоды.

• 
  Совершенствование наблюдений за погодой. Требуется больше данных и лучшего качества. Есть места на Земле, откуда поступает крайне мало данных, прежде всего это горные районы и океанические поверхности. Два больших сезонных течения поверхностных океанических вод, Эль-Ниньо и Ла-Нинья, вызывают обширные синоптические явления, существенно воздействующие на погоду в мире, особенно сказываясь на сельском хозяйстве. Точный долговременный прогноз помог бы крестьянам сохранить сотни миллионов долларов. В рамках проектов наподобие ARGO, составной части Системы наблюдения за климатом Земли, на океанических просторах размещаются 3 тыс. дрейфующих станций для слежения за погодными и водными условиями.
  
• 
  Повышение качества моделирования. Современное ма тематическое моделирование значительно совершен ней методов Эдуарда Лоренца, но многое еще пред стоит сделать. Некоторые физические процессы, управляющие погодой, весьма сложны. Нужно учитывать рельеф местности и свойства почвы, брать в расчет динамическое поведение океана и облачного покрова. Нынешние модели лишь аппроксимируют крайне сложные процессы в целях ускорения вычислений с учетом объемов памяти ЭВМ. К тому же различные службы придерживаются собственных моделей со своими аппроксимациями.
  
• 
  Уменьшение шага сетки у модели. Первые модели прогнозирования погоды использовали сетку с шагом в сотни километров. В нынешних моделях этот шаг уменьшен до десятков километров, а ближайшая цель — 5 км. Чем меньше область, тем точнее моделирование, однако для получения такой точности нужны суперЭВМ (вспомним потребность биологии в больших вычислительных мощностях, получившую название биоинформатики). В построении суперЭВМ наметилось два подхода: массовая параллельная обработка и векторные вычисления. Процессоры с массовым параллелизмом соединяют большое число универсальных процессоров, каждый из которых осуществляет часть сложного вычисления, а отдельные результаты суммируются. Векторная обработка использует специализированные микропроцессоры, предназначенные для решения сугубо определенной задачи. В свое время американский разработчик ЭВМ Сеймор Крей собирал необыкновенно быстрые суперЭВМ на основе векторного вычисления. Хотя его подход перестал пользоваться спросом на родине, к нему решила прибегнуть японская компания NEC. Вместо перехода на сетку с меньшим шагом для всего земного шара было решено, что качество прогноза у глобальных моделей можно улучшить при сетках с переменным шагом в особо важных областях.
  

Как пишет популяризатор науки Джеймс Глейк в книге ХАОС: создание новой науки (1987) [СПб., 2001]:

Предположим, что Земля покрыта датчиками на удалении одного фута друг от друга, а по высоте — идущими на расстоянии одного фута вплоть до верхних слоев атмосферы. Предположим, что каждый датчик снимает совершенно точные показания температуры, давления, влажности и любой иной величины по желанию метеоролога. Ровно в полдень обладающая неограниченной мощностью ЭВМ получает все эти данные и вычисляет, что произойдет в каждой точке в 12.01, потом в 12.02 и т. д. И тем не менее ЭВМ не в состоянии предсказать, будет ли в Принстоне, штат Нью-Джерси, солнечно или пасмурно через месяц.

Устоявшаяся сеть прогнозирования погоды не приемлет невозможности прогнозирования. Пока не удастся делать более точные прогнозы на срок более двух недель, приходится мириться с возможностью исходной непредсказуемости погоды. В некотором отношении здесь улавливается сходство с другой задачей науки о Земле: прогнозированием землетрясений (см.: Список идей, 13. Предсказание землетрясений).

При всех любопытных свойствах, проявляемых теорией хаоса и теорией катастроф, занятой изучением скачкообразных перестроек систем как чистой математики, для извлечения научных выгод требуется их более тесное соотнесение с физической реальностью. Свежий подход на основе простых правил программирования [так называемой системы компьютерной алгебры] предложил в 2002 году Стивен Вольфрам. Его идеи могут помочь в прогнозе погоды и иных областях науки, однако потребуется еще много усилий для соотнесения его отвлеченных математических методов моделирования с реальным миром.

Сегодня проект под названием climateprediction.com позволяет запускать модели поведения атмосферы на домашних компьютерах в фоновом режиме в качестве экранных заставок. Эта программа по массивным параллельным вычислениям схожа с обсуждаемыми соответственно в 4-м и 8-м «Списке идей» проектами SETIathome и Folding@Home. Сложные модели поведения атмосферы запускают с использованием различных начальных условий для прогнозирования погоды и климата в далеком 2050 году. Прогнозы затем сравнят с действительными погодными условиями 2050 года, что, возможно, прольет свет на подходы к моделированию. Десятки тысяч людей уже согласились предоставить свои компьютеры за символическое вознаграждение.

Цель данного проекта запечатлена в следующем выражении, передающем дух прогнозирования погоды:

Помогает объяснить прошлое, которое затем

Помогает понять настоящее, а значит,

Предсказать будущее, что позволяет

Больше влиять на грядущие события и

Лучше обезопаситься от неожиданностей.

Чарльз Хэнди¹⁸

Глава шестая

Разведка — вот что вам предстоит! Не нанесение на карту звезд и изучение туманностей, а вычерчивание неведомых возможностей бытия.

Астрономия или, точнее, космология изучает возникновение, развитие и макроскопическое строение и поведение Вселенной. До недавнего времени крупнейшей нерешенной задачей астрономии (космологии) было выяснение вопроса, будет ли Вселенная расширяться всегда или же в конце концов она сожмется.

Обнаружение ускоряющегося расширения Вселенной, что указывает на его необратимость, возможно, закрыло данный вопрос, но породило следующий. Причина такого все ускоряющегося расширения, порой именуемая темной энергией, похоже, противоречит современным представлениям о силах, определяющих поведение Вселенной. Объяснение феномена темной энергии и ныне остается крупнейшей нерешенной проблемой астрономии.

Содержимое Вселенной

«Что там?» — привычный вопрос людей, вглядывающихся в небо.

Попытки астрономии ответить на него в отношении всей Вселенной то дразнят нас своими поразительными ответами, то обескураживают столь же поразительными вопросами.

Содержимое всей Вселенной можно выразить в понятиях ее массы/энергии (масса и энергия оказываются взаимозаменяемыми величинами согласно знаменитому уравнению Эйнштейна: энергия = масса х квадрат скорости света, или Е = тс²). В нижеследующей таблице представлены самые последние оценки содержимого Вселенной в величинах массы и энергии, сопровождаемые краткими пояснениями.

Поэтому вполне справедливо задаться вопросом: как астрономия пришла к такому пониманию Вселенной? Подобно хорошему детективному сюжету наше понимание приходило мучительно, шаг за шагом. Ныне это обычно происходит так: усовершенствованная или новая часть экспериментальной оснастки позволяет увидеть нечто новое. Затем теоретики стараются объяснить новые данные посредством существующих теорий или же выдвигают иные гипотезы. Потом делаются предсказания и проводятся новые опыты для уяснения того, как действительность согласуется с предсказанием (можно вообразить, с каким ликованием экспериментаторы доставляют теоретикам щекотливые факты).

В данной главе мы покажем, как приходило к астрономии ее нынешнее понимание Вселенной. Особое внимание будет обращено на скопления звезд, именуемые галактиками, и способы измерения расстояний до звезд и галактик и их скоростей. В заключение мы исследуем путь к возможному решению задач, связанных с преобладающими во Вселенной темной энергией и темной материей.

Измерение межзвездных расстояний

Вселенная полна невообразимого числа объектов (которых, выражаясь памятными многим словами астронома Карла Сагана, миллиарды и миллиарды). Начнем же, казалось бы, с простого вопроса об одном из этих объектов, звезде. Насколько отстоит от нас та или иная звезда? При взгляде на звезды у себя над головой привычное чувство расстояния нас подводит. Все звезды кажутся одинаково удаленными. Планеты и звезды столь далеки, что представляются расположенными на одном расстоянии. Вот почему небо выглядит как купол.

Поскольку оба наших глаза смотрят на предмет с различных положений, у каждого глаза своя собственная видимость. Данное явление именуется параллаксом, и землемеры (геодезисты) пользуются им для точного определения расстояния. Из-за малой удаленности глаз друг от друга с их помощью нельзя точно оценить большие расстояния.

Тогда тем более удивительно, что самый простой астрономический способ определения расстояния основан на параллаксе. Вот как он действует. Если одну и ту же звезду наблюдать в начале и в конце шестимесячного промежутка времени, она видна по двум различным зрительным осям (подобно тому как наши глаза видят удаленный предмет с двух точек) (рис. 6.1).

Измеряя угол между этими зрительными осями (угол параллакса) и зная, что основание треугольника равно поперечнику орбиты обращения Земли вокруг Солнца, можно вычислить расстояние до звезды в соответствии с тригонометрическими соотношениями. Этот расчет впервые сделал немецкий астроном Фридрих Бессель в 1838 году при измерении расстояния до звезды 61 Лебедя.

Данный способ измерения расстояния служит основой при определении чаще всего используемой в астрономии единицы — парсека (пк). Звезда, угол параллакса которой после шестимесячного промежутка времени составляет 1 с (60 с в 1 мин, 60 мин в Г, 360° во всей окружности), считается удаленной на один парсек. Наша ближайшая звезда Альфа Центавра (в действительности система из трех звезд) находится на расстоянии чуть больше одного парсека. Если отправиться к Альфе Центавра со скоростью звука, путешествие займет свыше миллиона лет. Даже свету с его сумасшедшей скоростью потребуется на это более четырех лет.

В пределах 10 пк от Земли находится немногим более 300 звезд, так что мы можем определить расстояние до этих ближайших соседей посредством параллакса. Поскольку с удалением звезд уменьшается и угол параллакса, предел для измерений наступает примерно при 100 пк, когда возможно получение приемлемых результатов. Таким образом, звезды и галактики на расстоянии тысячи парсек (килопарсек, кпк) или миллионов парсек (мегапарсек, Мпк) оказываются слишком далекими, чтобы измерить расстояние до них посредством параллакса. Для решения данной задачи разработаны другие способы, которые мы изучим позднее.

Теперь посмотрим, как астрономия пришла к пониманию галактик. Слово галактика греческое и означает «млечный путь». Шведский философ Эмануэль Сведенборг пришел к заключению, что все звезды образуют большое сообщество, где Солнечная система — лишь его часть. В книге Principia Rerum Naturalium (1734) он предположил, что Солнечная система, состоящая из светила и планет, образовалась из быстро вращающейся туманности. При этом Сведенборг не руководствовался никакими научными наблюдениями, хотя и изучал точные науки. Данные сведения он почерпнул в ходе спиритического сеанса, где якобы присутствовали небесные посланники. Дальнейшие видения побудили Сведенборга предать огласке полученные им сведения богословского свойства, и в итоге из его учения вышла религия [сведенборгиан] «Новая церковь» [именуемая еще «Новым Иерусалимом»].

Историю галактик продолжил англичанин Томас Райт из Дарема, занимавшийся изготовлением научных орудий и игрушечных солнечных систем, которые продавал вельможам. В книге «Оригинальная теория, или Новая гипотеза о Вселенной, основанная на законах природы и объясняющая с помощью математических принципов наиболее важные явления видимого мироздания, в частности Млечного Пути» (1750) Райт высказывает мысль, что звезды в Млечном Пути распределены в виде жернова. Он говорил: «Глядя всякий раз на небо, никак не могу взять в толк, почему все не идут в астрономы». Как изготовитель научных орудий, он наверняка имел доступ к телескопам. Однако никаких астрономических наблюдений он не издавал. Книга Райта тоже затрагивает религиозные вопросы, например о физическом местонахождении божественного престола.

Заметка о книге Райта в гамбургском журнале попала на глаза блестящему философу Иммануилу Канту. И хотя Кант неверно истолковал сообщение о работе Райта, ему удалось направить ее в созидательное русло. В 1755 году Кант предполагает, что Млечный Путь представляет собой линзовидный диск из звезд, вращающийся вокруг своей оси. Затем он утверждает, что размытые световые пятна, именуемые туманностями, на самом деле представляют собой системы звезд, подобные Млечному Пути, но находящиеся на большом удалении. Кант именует их островными вселенными²⁰.

В ту пору не было средств, чтобы прикинуть расстояние до этих туманностей. Даже с помощью Бесселева метода параллакса, разработанного почти столетие спустя, не справиться с такой задачей.

Итак, начало изучению астрономией галактик положили богословски настроенный мастеровой и философ. Следующий важный вклад в понимание галактик суждено было внести ученому-наблюдателю. Любопытно, что его не занимали сами галактики; он составил перечень объектов, которых следовало избегать при поиске комет. Шарль Мессье (1730—1817) был столь заядлым охотником за кометами, что король Людовик XV прозвал его «кометной ищейкой». За всю жизнь Мессье открыл один или одновременно с кем-то 20 комет и наблюдал еще 24. Он часто находил неподвижные объекты, которые не могли быть кометами. Небольшими телескопами, которыми пользовался Мессье — в поперечнике они не превышали трех с половиной дюймов, — невозможно было различить в туманностях отдельные звезды. Наблюдаемые им «туманности» представлялись световыми пятнышками неведомого происхождения. Он составил перечень координат свыше 100 туманностей, снабдив их числами. Например, М31 ныне известна как туманность Андромеды, а М100 (рис. 6.2) — как Спиральная галактика.

Мессье писал: «К составлению каталога меня подтолкнула туманность I [ныне это Крабовидная туманность], открытая мной повыше верхнего рога Тельца 12 сентября 1758 года в ходе наблюдения за кометой того года. Данная туманность так походила на комету своим видом и светимостью, что я решил отыскать и иные туманности, с тем чтобы астрономы более не путали их с кометами». Мессье вызвал недовольство многих астрономов, посвятив комету 1769 года французскому императору Наполеону Бонапарту и истолковав ее как астрологическое знамение рождения Наполеона.

В начале 1900-х годов наблюдательная астрономия переживала расцвет. Удалось наблюдать сотни тысяч небесных тел.

Благодаря щедрости богатых покровителей и неустаным усилиям ряда женщин-астрономов (см. главку «Чем крупнее телескопы, тем больше расстояния до звезд», с. 189— 193) были составлены каталоги небесных тел с указанием их местонахождения, светимости и некоторых спектральных характеристик. Но расстояния были известны лишь для нескольких сотен ближайших звезд, а подробное строение туманностей и их удаленность от нас оставались неведомыми. Наблюдатели ушли далеко вперед, теоретикам лишь предстояло совершить прорыв.

Вклад, значительно способствовавший теоретическому осмыслению природы туманностей, поступил в астрономию из Швейцарии. Марсель Гроссман был одним из выпускников швейцарской Высшей технической школы (Политехникума) в Цюрихе. В его группе готовили учителей математики и физики.

Один из приятелей Гроссмана не любил занятий и особенно царивших тогда в учебных заведениях строгих порядков, но ему удалось закончить учебу благодаря тому, что Гроссман перед экзаменами снабжал его своими записями лекций. Гроссмана и двух других однокашников оставили при Политехникуме, а их приятелю, не любившему занятий, пришлось довольствоваться временным местом учителя. В 1901 году он писал Гроссману: «Я оставил всякую мысль о поступлении в университет». Наконец, отец Гроссмана рекомендовал его приятеля начальнику патентного бюро в Берне, и в 1902 году тот получил работу технического эксперта третьего класса в Бернском патентном бюро²¹. Следующие семь лет, трудясь на должности патентного эксперта, приятель Гроссмана проявил незаурядную творческую жилку, опубликовал несколько научных статей и получил докторскую степень в Цюрихском университете. Свою диссертацию, озаглавленную «Новое определение размеров молекул», он посвятил Марселю Гроссману. На рис. 6.3 представлен сделанный примерно в 1900 году снимок (слева направо) Марселя Гроссмана, его приятеля, Густава Гайсслера и брата Марселя Геральда.

Приятелем и однокашником Марселя Гроссмана в Политехникуме был не кто иной, как Альберт Эйнштейн. Хотя Гроссман стал известным математиком, он не мог тягаться славой со своим приятелем. И все же вскоре Эйнштейну вновь понадобилась помощь Гроссмана.

Работа в патентном бюро нравилась Эйнштейну, но его интересы были гораздо шире. Со своими друзьями, философом Морисом Соловиным и математиком Конрадом Габихтом Эйнштейн создал кружок, шутливо прозванный ими «Академия Олимпия». Проходившие там беседы имели огромное значение для Эйнштейна.



Рис. 6.3. Марсель Гроссман, Альберт Эйнштейн, Густав Гисслер и Геральд Гроссман

Но еще большее влияние на него оказал Микеланджело Бессо. Эйнштейн пристроил его в 1904 году в патентное бюро, так что в течение нескольких лет они ежедневно вместе ходили на работу. Эйнштейн называл Бессо лучшим в Европе резонатором научных идей, а их у Эйнштейна было предостаточно. 5 год один из историков назвал эйнштейновским годом чудес. В тот год авторитетный журнал Annalen der Physik und Chemie опубликовал пять его статей, затрагивающих такие вопросы, как фотоэлектрический эффект, новый способ определения размера молекул, броуновское движение, специальная относительность и эквивалентность массы и энергии (более подробно см.: Список идей, 15. Труды Эйнштейна: помимо теории относительности). В статье об относительности Эйнштейн объединил ньютонову механику с максвелловым электромагнетизмом и рассмотрел последствия замены представления об абсолютном характере времени и пространстве законом постоянства скорости света.

Два года спустя Эйнштейн рассмотрел, как надо изменить ньютоново тяготение для согласования со своими представлениями об относительности. То, что он назовет «счастливейшей мыслью в моей жизни» ²², состояло в полном отождествлении (эквивалентности) поля тяготения с соответствующим ускорением системы отсчета. Одним словом, согласно этому принципу находящийся в космическом корабле наблюдатель не в состоянии различить ускорение корабля и воздействие тяготения на основании измерений внутри корабля. Такой сплав, названный принципом эквивалентности, стал отправной точкой для общей относительности.

Дальнейшие годы знаменовались некоторыми изменениями в жизни Эйнштейна. В 1912 году его зачислили в преподавательский состав Политехникума. В научном плане в своей теории относительности он столкнулся с огромной трудностью. Ведь если все ускоренные системы отсчета тождественны, тогда для них перестает быть верной евклидова геометрия. Эйнштейн помнил, как изучал дифференциальную геометрию (геометрические соотношения между бесконечно малыми величинами) во время учебы, но детали забылись.

К счастью, одним из сотрудников Эйнштейна в Политехникуме был не кто иной, как Марсель Гроссман, ставший известным профессором математики. Гроссман помог Эйнштейну с дифференциальной геометрией и тензорным исчислением, математической дисциплиной с использованием многомерных переменных.

Эйнштейн писал [29 октября 1912 года физику Арнольду Зоммерфельду]: «За всю свою жизнь я не работал так усердно, проникшись глубоким уважением к математике, самую изысканную часть которой по своему недомыслию считал излишеством». Эйнштейн и Гроссман совместно написали в 1913 году статью, где дали почти полное описание общей теории относительности. Статья «Проект обобщенной теории относительности и теории тяготения» содержала ряд уравнений поля тяготения, но они еще не приобрели своего окончательного вида.

В последующие два года Эйнштейн печатает статьи, советуется с коллегами, пишет очередные статьи, вновь советуется, печатается, и 25 ноября 1915 года выходит статья «Уравнения гравитационного поля» о его общей теории относительности уже в окончательном виде. В декабре 1915 года [письмо физику Паулю Эренфесту] он говорит о себе: «Этот негодник Эйнштейн постоянно старается себе угодить. Каждый год он отказывается от того, о чем писал годом ранее». Уравнения Эйнштейна предсказывали небольшое смещение точки максимального сближения с орбиты планеты Меркурий с Солнцем (перигелий), которое не в состоянии была объяснить ньютонова теория тяготения. А раз орбита Меркурия вела себя подобным образом, значит, теория Эйнштейна блестяще согласовывалась с действительностью, в итоге привлекла к себе внимание его собратьев-ученых.

Когда принципы общей теории относительности были перенесены на всю Вселенную, некоторые коллеги Эйнштейна (особенно датский астроном Биллем де Ситтер) отметили, что согласно его теории Вселенная как таковая неустойчива в статичном положении. По уравнению Вселенная либо расширяется, либо сжимается. Сообразуясь с астрономическими данными того времени (1917), Эйнштейн предположил, что у нее нет каких-либо особых мест, направлений или границ и что она в целом неподвижна. К своему огорчению, он выяснил, что для сохранения стационарности Вселенной нужно внести в уравнения дополнительный член [в виде отрицательного давления], который бы уравновешивал силу притяжения. Этот член уравнения получил название космологической постоянной. Как ни старались некоторые астрономы отговорить его от этой затеи, Эйнштейн настоял на своем.