Тёмная материя, сознание и начало жизни: главные загадки науки, у которых пока нет ответа

Есть вопросы, на которые человечество отвечает уже сотни лет — и всё ещё не может. Не потому, что учёные плохо работают. А потому, что некоторые загадки устроены так, что упираются в сам предел наших приборов, теорий и воображения. Именно об этом вышел свежий выпуск подкаста Unexplainable от Vox: ведущий Ноам Хассенфельд поговорил с Рэйчел Фельтман, автором и ведущей научных подкастов Scientific American. Вместе они прошлись по списку вопросов, которые десятилетиями остаются открытыми, — от тёмной материи до природы сознания.

Почему эта тема цепляет? Да потому что мы привыкли к мысли, что наука всё объяснила. Что физики знают законы Вселенной, биологи — механизмы жизни, а нейробиологи вот-вот разберутся с мозгом. На деле же фундамент современной картины мира стоит на нескольких гигантских знаках вопроса. И это, как ни странно, хорошая новость.

Тёмная материя: мы точно знаем, что её не понимаем

Начнём с самого очевидного. По современным оценкам, обычное вещество — звёзды, планеты, газ, мы с вами — составляет всего около 5 процентов содержимого Вселенной. Ещё примерно 27 процентов приходится на тёмную материю, а остальное — на тёмную энергию. Обидное слово здесь — «тёмная». Оно означает не «злая», а «непонятная»: мы не видим её напрямую, только догадываемся о существовании по косвенным следам.

Следы эти, впрочем, серьёзные. Галактики вращаются быстрее, чем позволяла бы видимая масса, — значит, что-то удерживает их своим тяготением. Свет далёких объектов искривляется сильнее, чем предсказывает гравитация видимой материи. Реликтовое излучение хранит отпечатки структур, которые без дополнительной массы просто не собрались бы. Но поймать саму частицу не удаётся: ни коллайдеры, ни подземные детекторы вроде LZ и XENONn T пока не зафиксировали ничего убедительного.

• Вимпы — гипотетические тяжёлые частицы, которые слабо взаимодействуют с обычным веществом.
• Аксионы — лёгкие частицы, придуманные для другой задачи, но подходящие на роль тёмной материи.
• Стерильные нейтрино и целый зоопарк экзотических кандидатов.

Есть и радикальная альтернатива: может, никакой тёмной материи нет, а ошибается сама теория гравитации. Такие модели существуют, но пока плохо объясняют скопления галактик и структуру реликтового фона. Как бы то ни было, честный ответ сегодня звучит так: мы не знаем, из чего состоит больше четверти Вселенной.

А вас это не задевает? Лично меня — да. Мы отправили зонды к Плутону, увидели чёрную дыру, собрали геном, но понятия не имеем, из чего сделана большая часть мироздания.

Сознание: самая близкая и самая непонятная штука на свете

С тёмной материей хотя бы ясно, что искать — частицу. С сознанием всё хуже: непонятно даже, что именно считать ответом. Философ Дэвид Чалмерс назвал это «трудной проблемой»: почему нейронные процессы в мозге сопровождаются субъективным опытом? Почему, когда вы смотрите на закат, у вас возникает ощущение красного и тёплого, а не просто срабатывает набор алгоритмов?

Теорий много, и они конкурируют.

Проблема в том, что проверить их сложно. В последние годы исследователи запускали проекты вроде «соревнования теорий»: делали предсказания, ставили эксперименты и смотрели, чья модель совпадёт с данными. Пока результат скромный — каждая теория что-то объясняет и что-то проваливает.

И тут возникает вопрос, который любят задавать скептики: а вообще сознание — это научная проблема или философская? Может, мы просто никогда не сможем объяснить, каково это — быть человеком, потому что смотрим на себя теми же инструментами, которые пытаемся изучать.

Квантовая гравитация: там, где физика ломается

Есть два великих столпа: общая теория относительности, описывающая гравитацию и большие масштабы, и квантовая механика, описывающая микромир. Обе работают блестяще — по отдельности. Но в некоторых местах, например в центре чёрной дыры или в первые мгновения Большого взрыва, их нужно применять одновременно. И тогда уравнения начинают выдавать бессмыслицу.

Учёные ищут теорию квантовой гравитации больше полувека. Струнная теория, петлевая квантовая гравитация, асимптотически безопасная гравитация — все они красивы математически, но проверить их экспериментально почти невозможно. Нужны энергии порядка планковских, которые не воспроизвести ни на каком коллайдере, ни в обозримом будущем.

Получается странная ситуация: у нас есть кандидаты на «теорию всего», но нет способа узнать, кто из них прав. Некоторые физики считают, что выход найдётся в астрофизических наблюдениях — например, в гравитационных волнах или в излучении вокруг чёрных дыр. Другие настроены скептичнее и говорят, что мы упёрлись в стену.

Откуда взялась жизнь

Переходим от космоса к биологии. У нас есть неплохие представления о том, как шла эволюция, когда жизнь уже существовала. Но как химия превратилась в биологию? Как из смеси молекул возникло нечто, что умеет размножаться, ошибаться и передавать ошибки дальше?

Эксперимент Миллера и Юри в 1953 году показал, что аминокислоты могут образовываться сами в условиях древней атмосферы. С тех пор появились гипотезы «мира РНК», где молекула одновременно хранила информацию и катализировала реакции, и идеи о том, что жизнь зародилась у щелочных гидротермальных источников на дне океана — в пористых породах, где градиенты температуры и p H работали как природные батарейки.

Но между «получились аминокислоты» и «получилась клетка, способная к дарвиновской эволюции» — пропасть. Мы не знаем, был ли этот переход случайностью, редчайшим стечением обстоятельств или закономерным результатом химии. И от ответа зависит очень многое: одиноки ли мы во Вселенной, или жизнь — обычное дело.

Если вам интересны наука, книги и разговоры о том, как устроен мир, подписывайтесь на канал — будет ещё много материалов про большие вопросы и тех, кто их задаёт.

Короткий список загадок, которые не поместились выше

• Стрела времени. Почему время идёт в одну сторону, хотя уравнения физики симметричны?
• Сон и сны. Зачем нам треть жизни проводить в отключке, и почему мозг в это время показывает нам сюрреалистичные фильмы?
• Тёмная энергия. Почему расширение Вселенной ускоряется, и что заставляет её это делать?
• Что было до Большого взрыва? И был ли вопрос «до» вообще осмысленным?
• Мультивселенная. Существуют ли другие вселенные, или это математическая фикция?

Каждый пункт из этого списка — тема отдельного разговора. И заметьте: ни один из них не выглядит как «мелочь, которую докрутят в следующем десятилетии». Это фундаментальные вопросы о структуре реальности.

Почему незнание — это не провал науки, а её двигатель

Иногда от таких списков возникает лёгкое разочарование: мол, столько лет прошло, а мы всё ещё ничего не знаем. Но это взгляд с конца. Наука устроена не как энциклопедия с готовыми ответами, а как процесс постоянного уточнения вопросов. Ньютон описал закон всемирного тяготения, но честно признавался, что не знает, какова природа самой силы. Понадобилось два с лишним века и Эйнштейн, чтобы подойти к этому ближе.

Публичные разговоры учёных о незнании — это не признак слабости. Наоборот, именно честность в отношении границ собственного знания отличает науку от псевдонауки, у которой ответ есть всегда и на всё. В упомянутом выпуске Unexplainable, о котором сообщает Scientific American, Рэйчел Фельтман и ведущие подкаста как раз обсуждают эти открытые вопросы — и, судя по описанию, делают это без пафоса и лишней драматизации.

И вот что важно: сегодня многие прорывы приходят на стыках дисциплин. Астрофизики работают с биологами, нейробиологи — с философами, квантовые физики — с математиками. Возможно, ответы на самые большие загадки придут не из одной области, а из неожиданной комбинации.

Так что незнание — не приговор. Это приглашение. Вопрос только в том, кто первым найдёт дверь.

А какой вопрос вы бы задали Вселенной, если бы знали, что получите честный ответ? И согласны ли вы, что открытые вопросы — не повод разочароваться в науке, а наоборот, самое интересное в ней?

Если у вас есть свой опыт, любимые научные загадки или книги о них — напишите в комментариях, обсудим.

Если статья оказалась полезной, поддержите автора донатом.

Чтобы не пропустить новые публикации, подписывайтесь на канал.

Материал подготовлен на основе информации из открытых источников. Все права на исходные материалы принадлежат их авторам. Если вы являетесь правообладателем и возражаете против использования, свяжитесь с нами по адресу info@11st.press.