Физика будущего

Митио Каку

Физика будущего

Переводчик Наталья Лисова

Редактор Мария Миловидова

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректор О. Ильинская

Компьютерная верстка О. Морозова, А. Фоминов

Иллюстратор А. Андреев

Дизайнер обложки С. Тимонов

© Michio Kaku, 2011

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2017

Все права защищены. Произведение предназначено исключительно для частного использования. Никакая часть электронного экземпляра данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для публичного или коллективного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. За нарушение авторских прав законодательством предусмотрена выплата компенсации правообладателя в размере до 5 млн. рублей (ст. 49 ЗОАП), а также уголовная ответственность в виде лишения свободы на срок до 6 лет (ст. 146 УК РФ).

* * *

Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека фонда «Династия». Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время».

Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомые читательской аудитории: издание научно-популярных переводных книг «Библиотека фонда «Династия», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы «Просветитель».

* * *

Посвящается моей любимой жене Сицзуэ, а также моим дочерям Мишель и Элисон

Введение

Предсказание на 100 лет

Империи будущего будут империями разума.

Уинстон Черчилль

Когда я был маленьким, два события помогли сформировать меня таким, какой я сегодня, и заронили в душу две страсти, определившие всю мою жизнь.

Первое событие произошло, когда мне было восемь лет. Я очень хорошо помню, как гудела учительская, обсуждая последнюю новость: умер великий ученый. В тот вечер газеты напечатали фотографию его кабинета с незаконченной рукописью на столе. Заголовок гласил, что величайший ученый нашей эпохи не смог завершить свой величайший шедевр. Я снова и снова задавал себе вопрос: что может быть настолько сложным, чтобы такой великий ученый не смог закончить свой труд? Что вообще может быть настолько сложным и настолько важным? Постепенно этот вопрос стал для меня более интересным, чем любой детектив, более захватывающим, чем любые приключения. Я должен был узнать, что содержится в той неоконченной рукописи.

Позже я выяснил, что ученого звали Альберт Эйнштейн, а неоконченная рукопись должна была стать его величайшим достижением. Это была попытка создать «теорию всего», вывести общее уравнение, состоящее, может быть, всего из нескольких букв, которое приоткрыло бы для человечества тайны Вселенной и позволило бы его автору «понять замысел Бога».

Другим определяющим событием моего детства стали, как ни странно, телепередачи, особенно сериал «Флэш Гордон» с Бастером Краббом в главной роли. Каждую субботу утром я буквально прилипал к телевизору и волшебным образом переносился в загадочный мир инопланетных пришельцев, звездных кораблей, сражений с применением лучевого оружия, подводных городов и, конечно, чудовищ. Да, я заглотил наживку и попал на крючок. Прекрасно помню свои первые встречи с миром будущего и до сих пор испытываю детский восторг при мысли о нем.

Однако, посмотрев все серии фильма, я потихоньку начал понимать, что, хотя все лавры в нем доставались Флэшу, на самом деле главным действующим лицом сюжета был ученый – доктор Зарков. Без него действие застопорилось бы в самом начале. Именно он изобрел ракетный корабль, щит невидимости, источник энергии для небесного города и множество других необходимых вещей. Я понял, что без ученого будущее невозможно. И пусть молодые и красивые герои вызывают восторги зрителей, но все чудесные изобретения будущего – результат деятельности невоспетых и зачастую анонимных ученых.

Позже, в старших классах школы, я решил последовать примеру великих ученых прошлого и подвергнуть теоретические знания практической проверке. Я хотел быть частью той великой революции, которая, как я был убежден, в самом ближайшем будущем изменит мир. Я решил построить установку для столкновения атомов и попросил у мамы разрешения соорудить в гараже ускоритель частиц на 2,3 миллиона электронвольт. Она немного удивилась, но разрешила. После этого я обратился к фирмам Westinghouse и Varian Associates, добыл 400 фунтов трансформаторной стали и 22 мили медного провода и собрал в мамином гараже вполне приличный ускоритель-бетатрон.

Еще раньше я соорудил камеру Вильсона с мощным магнитным полем и некоторое время фотографировал треки античастиц. Но этого мне было мало. Я поставил себе новую цель: получить пучок античастиц. Магнитные катушки ускорителя обеспечивали мне мощное магнитное поле напряженностью в 10 000 гаусс (примерно в 20 000 раз мощнее магнитного поля Земли; в принципе такого поля достаточно, чтобы вырвать из руки молоток). Машина пожирала шесть киловатт, забирая всю электроэнергию в доме; предохранители то и дело летели. (Должно быть, моя бедная мама не раз пожалела, что ее сын не уродился футболистом.)

Итак, моей жизнью управляли две страсти: во-первых, желание понять все физические законы Вселенной и свести их в единую непротиворечивую теорию, во-вторых, желание увидеть будущее. Со временем я понял, что на самом деле эти две страсти дополняют одна другую. Ключ к пониманию будущего – фундаментальные законы природы; новые изобретения, машины и методы лечения, созданные на их основе, определят будущее нашей цивилизации на многие десятилетия.

Я узнал, что во все времена человек пытался предсказывать будущее, и многие попытки такого рода были полезными и глубокими, но, увы, писали о будущем все больше историки, социологи, писатели-фантасты и «футуристы». Можно сказать, что сторонние наблюдатели пытались предсказывать мир науки, ничего достоверно о науке не зная. Ученые – те, кто, собственно, и создает будущее в своих лабораториях, – слишком заняты открытиями и прорывами, чтобы писать популярные книги о будущем.

Вот чем эта книга отличается от других. Я надеюсь, что она поможет читателю увидеть чудесные открытия, ожидающие нас в будущем, глазами непосредственного участника и представит самый подлинный и авторитетный взгляд на мир 2100 г.

Конечно, невозможно предсказать будущее с абсолютной точностью. Мне кажется, максимум, что можно сделать, – это заглянуть в мысли ученых, которые сегодня работают на переднем крае науки и старательно изобретают будущее. Именно они создают устройства, приспособления и лекарства, которые в будущем полностью изменят человеческую цивилизацию. Моя книга – рассказ об этих людях. У меня была редкая возможность наблюдать эту великую революцию из первых рядов; я брал интервью более чем у 300 лучших в мире ученых, мыслителей и мечтателей для телевидения и радио Америки. Я водил съемочные группы в лаборатории; мы снимали прототипы тех замечательных устройств, которые изменят наше будущее. Мне выпала редкая честь выступать ведущим многих научных передач на телеканалах BBC, Discovery и Science, рассказывать об изобретениях и открытиях современных прорицателей, которые осмеливаются не только заглядывать в будущее, но и творить его собственными руками. Я имел возможность заниматься собственными исследованиями – теорией струн – и одновременно знакомиться с самыми передовыми исследованиями, которые в XXI в. перевернут мир. Я, как мне кажется, занимался в науке самыми желанными вещами. Моя детская мечта осуществилась.

Но эта книга отличается от прежних моих книг. В таких книгах, как «Дальше Эйнштейна» (Beyond Einstein), «Гиперпространство» и «Параллельные миры», я рассказывал о свежих ветрах революционных перемен, дующих в моей области – теоретической физике – и открывающих новые пути к пониманию Вселенной. В «Физике невозможного» я говорил о том, что текущие открытия в физике со временем воплотят, вероятно, в жизнь даже самые смелые научно-фантастические идеи.

Из всех книг эта больше всего похожа на «Предчувствия» (Visions), где темой моего рассказа было развитие физики в ближайшие несколько десятилетий. Я рад, что многие предсказания, сделанные в той книге, сегодня реализуются точно по расписанию, что в значительной мере определялось мудростью и разумным предвидением множества ученых, с которыми я говорил в процессе подготовки этой работы.

Но эта книга дает гораздо более широкую панораму будущего; в ней говорится о технологиях, которые, возможно, принесут плоды лишь через сто лет, но которые в свой срок определят судьбу человечества. От того, как мы справимся с вызовами и возможностями начавшегося века, будет зависеть, на мой взгляд, окончательная траектория дальнейшего движения человеческой расы.

Предсказания на ближайший век

Предсказать события ближайших нескольких лет – тем более заглянуть на целый век вперед – очень непросто, но именно такие задачи заставляют нас мечтать о технологиях, способных изменить судьбы мира.

В 1863 г. великий фантаст Жюль Верн написал свое, может быть, самое амбициозное произведение – пророческий роман под названием «Париж в XX веке», где в полном блеске проявился его необычайный дар предвидения. По крайней мере грядущий век он предсказал с удивительной точностью. К несчастью, рукопись затерялась в тумане времени; правнук писателя случайно наткнулся на нее в сейфе, где она пролежала почти 130 лет. Поняв, какое сокровище обнаружил, наследник Жюля Верна издал роман в 1994 г., и он сразу же стал бестселлером.

Тогда, в 1863 г., короли и императоры еще правили древними империями, а нищие крестьяне в поте лица своего трудились на полях. В Соединенных Штатах полыхала разрушительная Гражданская война, едва не разорвавшая страну на части, а паровой двигатель только начинал свое победное шествие по миру. Но Верн предсказал, что в Париже в 1960 г. будут стеклянные небоскребы, кондиционеры, телевидение, лифты, скоростные поезда, бензиновые автомобили, факс-машины и даже что-то напоминающее Интернет. С невероятной точностью Верн описал и жизнь в современном Париже.

Надо сказать, что это не случайная удача, ведь всего через несколько лет он сделал еще одно впечатляющее предсказание. В романе «С Земли на Луну» (1865) Жюль Верн привел немало точных подробностей тех необыкновенных путешествий, которые больше ста лет спустя, в 1969 г., привели американских астронавтов на Луну. Он предсказал размеры космической капсулы (с точностью до нескольких процентов), расположение стартовой площадки (во Флориде, на широте мыса Канаверал), число астронавтов, продолжительность путешествия, невесомость, которую испытают астронавты, и финальное приземление в океан. (Единственной серьезной ошибкой было то, что для доставки астронавтов на Луну автор романа воспользовался порохом, а не ракетным топливом. Но до изобретения жидкостных ракет оставалось еще семьдесят лет.)

Каким образом умудрился Жюль Верн предсказать будущее на сто лет вперед с такой поразительной точностью? Его биографы отмечают, что Верн, не будучи ученым, внимательно следил за развитием науки, постоянно встречался с учеными и выяснял, как каждый из них представляет себе будущее развитие своей области. Он собирал информацию обо всех серьезных научных открытиях своего времени и накопил обширный архив. Жюль Верн лучше, чем кто-либо другой, понимал, что именно науке в самом ближайшем будущем суждено потрясти основы цивилизации и ввести ее в новый век, полный удивительных событий и чудес. А главное, писатель понял, что наука способна преобразовать общество; именно в этом ключ к его глубочайшим прозрениям.

Еще одним великим пророком техники был Леонардо да Винчи, художник, мыслитель и мечтатель. Он оставил нам красивые и точные чертежи машин, которые должны были когда-нибудь подняться в небо: наброски парашютов, вертолетов, дельтапланов и даже самолетов. Замечательно, что многие из его изобретений действительно полетели бы, хотя придуманы в конце XV в. (Его летающим машинам не хватало одного-единственного ингредиента: мотора мощностью по крайней мере в одну лошадиную силу, которому предстояло появиться на свет лишь через 400 лет.)

Не менее поразителен тот факт, что Леонардо оставил нам набросок механического суммирующего устройства, обогнавшего время примерно на 150 лет. В затерявшейся рукописи, вновь открытой в 1967 г., был обнаружен проект суммирующей машины с цифровыми колесиками на тринадцать разрядов. При повороте ручки колесики внутри должны были прокручиваться и производить арифметические вычисления. (Машина, построенная по этому чертежу в 1968 г., на самом деле заработала.)

Кроме того, в 1950-х гг. была обнаружена еще одна рукопись Леонардо с наброском робота-воина в итало-германских доспехах, способного садиться, двигать руками, шеей и челюстью. Робот по этому проекту также был построен и оказался вполне функциональным.

Как и Жюль Верн, Леонардо общался с передовыми мыслителями своего времени и умел увидеть в этих беседах будущее; он входил в небольшой круг людей, находившихся на передовой современной ему науки. Кроме того, Леонардо постоянно экспериментировал, строил модели, чертил, а это очень важная черта любого, кто хочет превратить мысли в дела.

Рассматривая прогнозы Жюля Верна и Леонардо да Винчи и удивляясь их пророческому дару, мы невольно задаемся вопросом: можно ли сегодня предсказать мир 2100 г.? В полном соответствии с традициями Верна и да Винчи в этой книге мы подробно рассмотрим работы ведущих ученых, уже сегодня создающих прототипы технологий будущего. Эта книга – не фантастический роман, не продукт разыгравшегося воображения голливудского сценариста, она основана на результатах серьезных научных исследований, проводимых в настоящее время в крупнейших лабораториях мира.

Прототипы всех описанных в книге приборов и механизмов уже существуют. Автор «Нейроманта» Уильям Гибсон, пустивший в обращение слово «киберпространство», однажды сказал: «Будущее уже здесь. Оно просто распределено неравномерно».

Предсказывать, каким будет мир в 2100 г., трудно еще и потому, что мы с вами живем в эпоху глобального научного переворота, и темпы познания мира непрерывно возрастают. За последние несколько десятилетий человечество обрело больше научных знаний, чем за всю предыдущую историю. Логично предположить, что к 2100 г. объем научных знаний успеет удвоиться еще не один раз.

Возможно, лучший способ осознать сложность и необъятность взятой на себя задачи – вспомнить, каким был мир в 1900 г., как жили наши бабушки и дедушки.

Журналист Марк Салливан (Mark Sullivan) предлагает нам представить человека, читающего в 1900 г. обычную газету:

«В газете за 1 января 1900 года наш американец не нашел, к примеру, слова "радио", ибо до его появления оставалось еще двадцать лет; или "кино", ибо его расцвет тоже был еще впереди; или слова "шофер", ибо автомобиль только что появился и назывался пока "безлошадным экипажем"… Не было такого слова, как "авиатор"… Фермеры еще ничего не слышали о тракторах, а банкиры – о Федеральной резервной системе. Торговцы не слыхали ни о сетевых универсамах, ни о принципе самообслуживания; моряки не имели представления о дизельных двигателях… На сельских дорогах все еще попадались тяжелые повозки, запряженные парой волов… Упряжные лошади и мулы встречались повсеместно… Кузница под развесистым каштаном представляла собой вполне обычное зрелище».

Чтобы понять, насколько сложно делать прогнозы на 100 лет вперед, нам достаточно представить, каково было людям в 1900 г. предсказывать мир 2000 г. В 1893 г. в рамках Всемирной «колумбовской» выставки в Чикаго 74 знаменитости получили задание предсказать, какой будет жизнь через 100 лет. Общей проблемой для всех участников стала недооценка скорости, с которой развивается и будет развиваться наука. К примеру, многие респонденты верно предсказали, что будет действовать воздушное трансатлантическое сообщение, но сошлись на том, что средством сообщения будут управляемые воздушные шары. Сенатор Джон Инголлс (John J. Ingalls) сказал: «Приказание подать к подъезду дирижабль будет так же обычно, как сегодня приказание подать экипаж или башмаки». Кроме того, участники проекта дружно игнорировали автомобиль, а начальник почтового ведомства США генерал Джон Ванамейкер (John Wanamaker) даже сказал, что и через сто лет почта США будет развозиться в почтовых каретах и на вьючных лошадях.

Такая недооценка науки и инновационных технологий распространялась даже на патентное ведомство. В 1899 г. Чарльз Дуэлл (Charles H. Duell), комиссар Патентного бюро США, сказал: «Все, что можно изобрести, уже изобретено».

Иногда эксперты оказывались буквально слепы в собственной области и не видели, что происходит у них под носом.

В 1927 г., в эпоху немого кино, Гарри Уорнер (Harry M. Warner), один из основателей киностудии Warner Brothers, как-то заметил: «Ну кто, черт возьми, захочет слушать актеров?»

А Томас Уотсон (Thomas Watson), президент IBM, сказал в 1943 г.: «Я думаю, в мире есть рынок сбыта для компьютеров. Штук, скажем, для пяти».

Недооценка мощи научных открытий затронула и почтенную газету New York Times. В 1903 г. Times заявила, что летающие машины – пустая трата времени, ровно за неделю до того, как братья Райт успешно подняли в воздух свой аэроплан в городке Китти-Хок в Северной Каролине. В 1920 г. Times раскритиковала ученого-ракетчика Роберта Годдарда (Robert Goddard) и объявила его работу чепухой, потому что ракеты не могут двигаться в вакууме. Правда, к чести газеты следует отметить, что через 49 лет, когда астронавты «Аполлона-11» ступили на Луну, Times напечатала опровержение: «Теперь определенно установлено, что ракета может функционировать в вакууме. Times сожалеет о своей ошибке».

Из приведенных примеров видно, как опасно ставить на будущее.

Вообще, прогнозы на будущее, за редким исключением, всегда недооценивали скорость технического прогресса. Мы вновь и вновь убеждаемся, что историю делают не пессимисты, а оптимисты. Как однажды заметил президент США Дуайт Эйзенхауэр, «пессимизм не выиграл ни одной войны».

Несложно убедиться, что даже писатели-фантасты зачастую недооценивают скорость развития науки. Посмотрев повтор старого сериала «Звездный путь», снятого в 1960-х гг., можно заметить, что значительная часть показанных в нем «технологий XXIII века» уже рядом с нами. Тогда зрители с изумлением взирали на мобильные телефоны, портативные компьютеры, говорящие автоматы и пишущие машинки, способные печатать под диктовку. Тем не менее сегодня все эти устройства существуют в действительности. А совсем скоро появятся первые универсальные переводчики, способные переводить синхронно, и «трикордеры» – устройства, способные диагностировать болезни на расстоянии. (В общем, большинство научных открытий XXIII в., за исключением транспортеров и варп-двигателей, позволяющих летать со сверхсветовой скоростью, уже сделано.)

Учитывая вопиющие ошибки наших предшественников, которые упорно недооценивали будущее, задумаемся: как нам подвести более прочную научную базу под наши собственные прогнозы?

Разобраться в законах природы

Сегодня можно с уверенностью сказать, что темные века науки, когда молния или чума представлялись делом богов, закончились. У нас громадное преимущество перед Жюлем Верном и Леонардо да Винчи: мы гораздо лучше понимаем законы природы.

Предсказания, разумеется, никогда не станут абсолютно безупречными, но единственный способ сделать их как можно более достоверными – это разобраться в четырех фундаментальных силах природы, которые управляют Вселенной. Открытие и описание каждой из них в свое время изменило историю человечества.

Первой из сил, получивших научное объяснение, стала сила тяготения. Законы механики, открытые Исааком Ньютоном, объясняют движение объектов через силы и взаимодействия и показывают, что для этого не нужны ни мистические духи, ни метафизика. Законы Ньютона проложили путь промышленной революции и паровой тяге, в частности железным дорогам.

Второй силой, механизм действия которой удалось понять человеку, стала электромагнитная сила, которая освещает наши города и питает энергией всевозможные устройства. Томас Эдисон, Майкл Фарадей, Джеймс Кларк Максвелл и другие ученые и изобретатели разобрались в электричестве и магнетизме и поставили их на службу человечеству. Результатом стала электронная революция, которая принесла нам массу научных чудес. В этом можно убедиться всякий раз при аварийном отключении электричества, когда общество внезапно оказывается отброшенным на 100 лет назад.

Третьей и четвертой в процессе познания фундаментальных сил стали две ядерные силы: слабое и сильное взаимодействия. После того как Эйнштейн написал свою знаменитую формулу E = mc2 и в 1930-х гг. ученым впервые удалось расщепить атом, они начали понимать, какие силы заставляют пылать небеса. Была открыта тайна горения звезд. Результатом стала не только громадная мощь ядерного оружия, но и надежда на то, что когда-нибудь человек сможет обуздать эти невероятные силы здесь, на Земле.

Сегодня мы довольно хорошо разбираемся во всех четырех перечисленных видах взаимодействия. Первый из них – гравитационное взаимодействие – в настоящее время описывается в рамках общей теории относительности Эйнштейна. Остальные три силы описываются в рамках квантовой теории – теории, которая приоткрывает перед нами тайны мира элементарных частиц.

Квантовая теория, в свою очередь, подарила нам транзистор, лазер и цифровую революцию – движущую силу современного общества. Кроме того, с ее помощью ученые сумели раскрыть тайны молекулы ДНК. Стремительная поступь биотехнологической революции – непосредственный результат развития компьютерных технологий, ведь при секвенировании ДНК не обойтись без сложнейших автоматов, роботов и компьютеров.

Вследствие всего этого мы лучше, чем когда-либо, различаем путь, которым пойдут в новом веке наука и технология. Разумеется, на этом пути человечество ждут и совершенно неожиданные открытия, и захватывающие дух научные новинки, но фундамент современной физики, химии и биологии уже заложен и в обозримом будущем здесь не ожидается никаких серьезных изменений. Поэтому мы можем утверждать, что предсказания, содержащиеся в этой книге, – не продукт пустых спекуляций, а разумная оценка сроков, за которые пилотные технологии сегодняшнего дня смогут достичь зрелости и принести плоды.

В заключение назовем несколько соображений, дающих нам право считать, что мы сейчас в состоянии различить контуры мира, каким он будет в 2100 г.

1. Эта книга основана на беседах с более чем тремя сотнями лучших ученых, работающих на переднем крае науки.

2. Ни одна научная разработка из упомянутых в книге не противоречит известным законам физики.

3. Четыре фундаментальных взаимодействия и базовые законы природы в основном известны; никаких серьезных изменений здесь не ожидается.

4. Прототипы всех технологических новинок, упомянутых в книге, уже существуют.

5. Автор книги – человек науки, не понаслышке знакомый с технологиями переднего края научных исследований.

Бесчисленные эпохи человек был всего лишь пассивным наблюдателем величественного танца природы. Он мог только смотреть в изумлении и ужасе на кометы, молнии, извержения вулканов и страшные эпидемии. Он был уверен, что все это находится за пределами его понимания. Для древнего человека силы природы были вечной загадкой, их следовало бояться и почитать. Чтобы хоть как-то объяснить происходящее вокруг, человек создавал мифических богов и заселял ими землю и небо. Он надеялся, что, если усердно молиться этим богам, они проявят милосердие и даруют исполнение самых заветных желаний.

Сегодня человек становится хореографом природного танца. Иногда ему удается вносить в законы природы свои поправки. Я уверен, что к 2100 г. мы завершим этот процесс и окончательно подчиним себе силы природы.

2100 г.: встать вровень с богами

Если бы современный человек мог навестить своих древних предков и продемонстрировать им все богатство современной науки и техники, на него посмотрели бы как на волшебника. Чудеса науки окружают нас со всех сторон: самолеты взмывают в небеса, ракеты исследуют Луну и планеты Солнечной системы, магнитно-резонансные томографы помогают врачам заглядывать внутрь человеческого тела, сотовые телефоны связывают нас с абонентом, находящимся в любой точке планеты. Если бы можно было показать древнему человеку ноутбук, способный мгновенно передавать движущиеся картинки и сообщения на другой континент, он наверняка назвал бы это колдовством.