Помоги проекту - поделись книгой:
Но независимо от того, что еще можно будет открыть на более высоких энергиях, тот факт, что Большой адронный коллайдер до сих пор не нашел никаких новых элементарных частиц, означает, что верная теория, по стандартам физиков, неестественна. Фактически мы загнали себя в оксюморонную ситуацию, когда, согласно нашим собственным критериям красоты, сама природа оказывается неестественной.
«Обеспокоен ли я? Не знаю. Я сбит с толку, – признается Михаэль. – Я действительно в замешательстве. До Большого адронного коллайдера я думал, что-то должно случиться. Но теперь? Я обескуражен». Звучит знакомо.
• Физики используют много математики и по-настоящему гордятся тем, что она так хорошо работает.
• Но физика – не математика: разработка теорий требует данных для контроля.
• В некоторых областях физики новых данных не было уже много лет.
• В отсутствие экспериментов, направляющих исследование, теоретики прибегают к эстетическим критериям.
• И оказываются сбиты с толку, если это не срабатывает.
Глава 2
Как прекрасен мир
Откуда мы пришли
В школе я ненавидела историю, но с тех пор осознала целесообразность цитирования умерших людей для обоснования своих суждений. Я даже не притязаю на то, чтобы дать вам экскурс в историю роли красоты в науке, поскольку на самом деле я больше интересуюсь будущим, чем прошлым, и к тому же другие этим уже занимались 9. Однако, если мы хотим увидеть, как физика изменилась, мне нужно рассказать вам, какой она была.
До конца XIX века ученым было довольно привычно считать красоту природы за признак божественности. Хотя они искали – и находили – объяснения, которые прежде были в ведении Церкви, неизъяснимая гармония, раскрываемая законами природы, обнадеживала верующих в том, что наука не представляет риска для сверхъестественного.
Примерно на рубеже веков, когда наука отделилась от религии и стала более профессионализированной, ее приверженцы перестали приписывать красоту законов природы божественному влиянию. Они изумлялись благозвучию, царящему в законах, что управляют Вселенной, но вопрос интерпретации оставляли открытым или по меньшей мере отмечали собственные верования как личное мнение.
В XX веке эстетическая привлекательность трансформировалась из приятного бонуса научных теорий в главного советчика при их построении, пока в конце концов эстетические принципы не переросли в математический критерий. Сегодня мы больше не раздумываем над аргументами о красоте – их ненаучное происхождение «затерялось в математике».
Среди первых ученых, сформулировавших количественные законы природы, был немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630), работавший под сильным влиянием религиозных убеждений. У Кеплера была модель Солнечной системы, в которой известные тогда планеты – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн – вращались по круговым орбитам вокруг Солнца. Радиусы орбит определялись правильными многогранниками – платоновыми телами, – вставленными друг в друга, и полученные таким образом расстояния между планетами хорошо согласовывались с наблюдениями. Идея была привлекательной. Кеплер считал, что «совершеннейший из строителей… с необходимостью должен был создать творение, обладавшее безупречной красотой».
Благодаря таблицам, фиксировавшим точные положения планет, Кеплер позднее убедился, что его модель неверна, и сделал вывод, что планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, а не круговым. Его новая идея тут же была встречена неодобрением – она не соответствовала эстетическому стандарту того времени.
В частности, Кеплера критиковал Галилео Галилей (1564–1642), веривший, что «только круговое движение естественно подобает естественным телам, составляющим Вселенную и приведенным в наилучшее расположение»10[9]. Другой астроном, Давид Фабрициус (1564–1617), возмущался: «Своими эллипсами вы уничтожили кругообразность и равномерность движений, что представляется мне тем нелепее, чем больше я об этом думаю…» Фабрициус, как и многие в то время, предпочитал корректировать орбиты планет «эпициклами», то есть круговыми движениями меньшего радиуса вокруг круговых же орбит. «Если бы вы только могли сохранить идеальную круговую орбиту и обосновать свою эллиптическую орбиту другими небольшими эпициклами, – писал Фабрициус Кеплеру, – было бы намного лучше»11.
Но Кеплер был прав. Планеты действительно движутся вокруг Солнца по эллипсам.
После того как объективные данные вынудили его отказаться от безупречных многогранников, Кеплер, в более позднем возрасте, пришел к убеждению, что планеты при движении рождают музыку. В своем трактате «Гармония мира», изданном в 1619 году, он вывел, как звучит каждая из планет, и заключил, что «Земля поет ми-фа-ми». Это была не лучшая его работа. Однако кеплеровский анализ планетных орбит заложил основы для последующих исследований Исаака Ньютона (1643–1727), первого ученого, который строго использовал математику.
Ньютон верил в существование Бога, чье влияние видел в законах, которым подчиняется природа. В 1726 году он написал: «Такое изящнейшее соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе, как по намерению и по власти могущественного и премудрого существа»12[10]. С момента их открытия ньютоновские законы движения и тяготения были радикально пересмотрены, но в качестве приближений остаются действующими и сегодня.
Ньютон и его современники без раздумий совмещали религию и науку – тогда это было общепринятой практикой. Вероятно, особенно к тому был склонен Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716), разработавший дифференциальное и интегральное исчисление примерно в то же время, что и Ньютон, но независимо от него. Лейбниц верил, что мир, который мы населяем, «наилучший из всех возможных миров», а все существующее зло необходимо. «Каждая вновь обретенная истина, каждый опыт или теорема – это новое зеркало, в котором отражается красота Бога»13. Лейбниц считал, что несовершенство мира «основывается только на том, что мы слишком мало знаем всеобщую гармонию Вселенной и скрытые основания деятельности Бога»14[11]. Иными словами, согласно Лейбницу, ужасное ужасно, поскольку мы не понимаем, что есть красота.
Аргумент Лейбница, как любят рассуждать философы и теологи, бесполезен без определения, что вообще означает «наилучший». Но сама идея, что наша Вселенная оптимальна в некотором смысле, закрепилась в науке и пробилась сквозь века. Как только она была выражена математически[12], она выросла в гиганта, на чьих плечах стоят все сегодняшние физические теории. Современные теории отличаются лишь тем, как они требуют от системы «наилучшего» поведения. Общая теория относительности Эйнштейна, например, может быть выведена из требования, чтобы искривление пространства-времени было как можно меньшим. Подобные методы существуют и для других взаимодействий. И до сих пор физики стараются найти всеобъемлющий принцип, в соответствии с которым наша Вселенная «наилучшая», – к этой проблеме мы вернемся позже.
Как мы сюда попали
По мере того как проходили столетия и математика становилась все эффективнее, отсылки к Богу в физике потихоньку сходили на нет или вплетались в сами законы природы. В конце XIX века Макс Планк (1858–1947) верил, что «святость непостижимого Божества как бы придает святость постижимым символам»[13]. Затем, когда XIX век перетек в XX, красота постепенно трансформировалась в руководящий принцип физиков-теоретиков, закристаллизовавшийся с развитием Стандартной модели.
Герман Вейль (1885–1955), математик, сделавший важный вклад в физику, даже и не думал оправдываться за свои не очень-то научные методы: «В своей работе я всегда пытаюсь объединить истину с красотой, но, когда мне приходилось выбирать одно или другое, я обычно выбирал красоту»15. Астрофизик Эдвард Артур Милн (1896–1950), авторитетный ученый в период разработки общей теории относительности, считал красоту «дорогой к знанию, а точнее единственным знанием, которым стоит обладать». В своем выступлении 1922 года в Клубе естественных наук Кембриджского университета он выражал недовольство изобилием неприглядных исследований:
Поль Дирак (1902–1984), нобелевский лауреат, в чью честь названо уравнение, пошел еще на шаг дальше и выдал инструкции: «Исследователь в своих усилиях выразить фундаментальные законы природы в математическом виде должен главным образом стремиться к математической красоте»17[14]. В другой раз, когда Дирака попросили кратко сформулировать свою философию физики, он подошел к доске и написал: «ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ ДОЛЖНЫ ОБЛАДАТЬ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ КРАСОТОЙ»18. Историк Хельге Крах завершил биографию Дирака следующим наблюдением: «…После 1935 года [ему], как правило, не удавалось достигать физических результатов непреходящей ценности. Не будет неуместным заметить, что принцип математической красоты направлял его мышление только в течение более позднего периода»19.
Альберт Эйнштейн (1879–1955), вообще не нуждающийся в представлении, довел себя до состояния, в котором верил, будто мышление само по себе способно раскрывать законы природы: «Я убежден, что посредством чисто математических конструкций мы можем найти те понятия и закономерные связи между ними, которые дадут нам ключ к пониманию явлений природы. <…> Поэтому я считаю в известном смысле оправданной веру древних в то, что чистое мышление в состоянии постигнуть реальность»20[15]. Справедливости ради отметим, что ученый в иных случаях все же подчеркивал необходимость наблюдений.
Жюль Анри Пуанкаре (1854–1912), внесший большой вклад как в математику, так и в физику, но наиболее известный, пожалуй, благодаря своему открытию детерминированного хаоса, восхвалял практическое применение красоты: «Мы видим, таким образом, что поиски прекрасного приводят нас к тому же выбору, что и поиски полезного…»21[16] Пуанкаре считал «экономию мышления» (
Да и Вернер Гейзенберг (1901–1976), один из основателей квантовой механики, смело верил, что красота владеет истиной: «Когда сама природа подсказывает математические формы большой красоты и простоты… то поневоле начинаешь верить, что они “истинны”, то есть что они выражают реальные черты природы»23[18]. Как вспоминает его жена:
Опасайтесь прогулок под луной с физиками-теоретиками – иногда восторженность берет над нами верх.
Из чего мы сделаны
В мою бытность подростком, в 1980-е годы, не много было научно-популярных книг о современной теоретической физике или, не дай бог, математике. Биографии умерших людей – вот где приходилось искать. Просматривая книги в библиотеке, я воображала себя физиком-теоретиком, который пыхтит трубкой и думает великие думы, устроившись в кожаном кресле и рассеянно поглаживая бороду. Что-то в этой картинке казалось мне неправильным. Но идея, что математика плюс мышление способны раскрыть тайны природы, произвела на меня неизгладимое впечатление. Если это навык, которому можно выучиться, я хотела этому выучиться.
Одной из немногих научно-популярных книг, освещавших современную физику, в 1980-х годах была «Пугающая симметрия» Энтони Зи 25. Тогда и до сих пор профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, он писал: «Мои коллеги и я, мы интеллектуальные преемники Альберта Эйнштейна, нам приятно думать, что мы тоже ищем красоту». И Зи изложил программу: «В этом веке физики стали крайне дерзки. <…> Им уже мало просто объяснить то или другое явление, они преисполнились веры, что Природе внутренне присуща прекрасная простота».
Они не только «преисполнились веры» в красоту, но и изыскали способ выразить свою веру в математической форме. Как писал Зи, «физики выработали понятие симметрии как объективного критерия для оценки устройства Природы. Когда есть две теории, физики чувствуют, что более симметричная, как правило, является и более красивой. В глазах физика красота
Для физика симметрия – это организующий принцип, избавляющий от ненужного повторения. Любой тип регулярности, схожести или порядка может быть математически запечатлен как выражение симметрии. Наличие симметрии всегда изобличает избыточность и допускает упрощение. Следовательно, симметрии объясняют больше с меньшими затратами.
Например, вместо того чтобы объяснять вам, что небо чистое на западе, на востоке, на севере, на юге, на юго-западе и так далее, я просто могу сказать, что оно чистое в любом направлении. Эта независимость от направления есть вращательная симметрия, благодаря которой достаточно описать, как система выглядит в одном направлении, после чего добавить, что она такая же и во всех других. Выгода – меньшее количество слов или, как в наших теориях, меньшее число уравнений.
Симметрии, с которыми имеют дело физики, представляют собой более абстрактные версии этого простого примера – вроде вращений относительно нескольких осей во внутренних математических пространствах. Но все они работают одинаково: найдите преобразование, относительно которого законы природы остаются инвариантными, – и вы нашли симметрию. Подобным преобразованием симметрии может быть что угодно, для чего вы можете записать четкую процедуру, – сдвиг, отражение, поворот или любая другая операция, какую вы только можете придумать. Если эта операция не меняет законов природы – вы нашли симметрию. С ней вы экономите усилия, которые необходимо было бы затратить, чтобы объяснить, к каким изменениям ведет эта операция: вместо этого вы просто констатируете, что изменений нет. Это и есть «экономия мышления» Маха.
В физике мы используем много разных типов симметрии, но у них у всех есть одна общая черта: симметрия – очень сильный объединяющий принцип, поскольку объясняет, как вещи, некогда казавшиеся очень разными, на самом деле, связанные преобразованием симметрии, составляют одно целое. Часто, однако, непросто найти правильную симметрию, чтобы упростить большие объемы данных.
Самым ошеломительным успехом принципов симметрии было, вероятно, создание кварковой модели. С момента появления ускорителей в 1930-х годах физики соударяли частицы друг с другом со все возрастающей энергией. К середине 1940-х они достигли энергий, позволяющих прощупать структуру атомного ядра, – и количество частиц стало расти. Сначала были заряженные пионы и каоны. Затем нейтральный пион и нейтральный каон, первые дельта-резонансы, частица, прозванная «лямбда», заряженные сигма-частицы, ро-частицы, омега-мезон, эта-,
Всего физики детектировали сотни частиц, каждая из которых была нестабильной и быстро распадалась. Казалось, эти частицы никак друг с другом не связаны, и это шло вразрез с надеждой физиков на то, что законы природы будут упрощаться для более фундаментальных составляющих материи. К 1960-м годам главной исследовательской задачей стало вместить этот «зоопарк частиц» в целостную теорию.
Одним из наиболее популярных подходов в то время был следующий: попросту отказаться от желания получить объяснение и записывать свойства частиц в большую таблицу – матрицу рассеяния, или
Позднее стало понятно: закономерности мультиплетов означают, что наблюдаемые частицы состоят из более мелких объектов, которые – по тогда еще не вполне понятным причинам – никогда не детектировались сами по себе, по отдельности. Гелл-Манн назвал эти более мелкие составляющие «кварками»[19]. Более легкие объединения – мезоны – состоят из двух кварков, а более тяжелые – барионы – из трех. (Все мезоны нестабильны. К барионам относятся нейтроны и протоны, образующие атомное ядро.)
Симметрия получающихся систем, будучи однажды раскрытой, бросается в глаза (рис. 1). Примечательно, что, когда Гелл-Манн предложил эту идею, некоторые мультиплеты все еще были неполны. И поэтому требования симметрии побудили его предсказать существование частиц, необходимых для «дозаполнения наборов», в частности существование бариона омега-минус. Позднее тот был найден со свойствами, вычисленными Гелл-Манном, и ученый в 1969 году был награжден Нобелевской премией. Красота одержала победу над неприглядностью, постмодернистским
Рис. 1. Декуплет барионов – пример использования симметрий в теоретической физике. Гелл-Манн воспользовался его незавершенностью и предсказал существование частицы омега-минус (Ω—) в нижней вершине.
Этот случай был только началом череды успехов на счету симметрий. Принципы симметрии также управляли работой – увенчавшейся опять-таки успехом – над объединением электромагнитного взаимодействия со слабым в электрослабое взаимодействие. Аналогично сильное взаимодействие было объяснено симметрией между элементарными частицами. Теперь и теории относительности Эйнштейна – специальная и общая – могли восприниматься как выражение требований симметрии.
Таким образом, современная вера в красоту как ориентир основывается на применении этого критерия в развитии Стандартной модели и общей теории относительности. Его часто оправдывают экспериментальной полезностью: замечено, что он работает, и кажется крайне целесообразным продолжать его использовать. Гелл-Манн сам сказал, что «в фундаментальной физике красивая или элегантная теория с большей вероятностью оказывается верна, чем неэлегантная теория»[20]. Ледерман, молодой человек, спрашивавший Ферми о частице
Стивен Вайнберг, также удостоенный Нобелевской премии – за объединение электромагнитного и слабого взаимодействий, – любит проводить аналогию с коневодством: «[Коневод] смотрит на лошадь и говорит: “Прекрасная лошадь”. Хотя он или она может выражать чисто эстетическое чувство, я думаю, за этим стоит нечто большее. Коневод перевидал множество лошадей и по своему опыту работы с ними знает, что вот та лошадь, которая побеждает на скачках»28.
Однако как опыт работы с лошадьми не помогает при конструировании гоночных машин, так и опыт теорий прошедшего столетия, вероятно, несильно поможет при создании теорий лучше прежних. Да и без оправдательных отсылок к опыту красота остается такой же субъективной, какой была всегда. Современные физики осознают это очевидное противоречие научному методу, однако же применение эстетических критериев стало широко распространенным. И чем дальше область исследований от экспериментальной проверки, тем больше учитывается эстетическая привлекательность соответствующих теорий.
В фундаментальной физике, которая настолько далека от экспериментальных испытаний, насколько только наука может быть, все еще оставаясь наукой, оценивание красоты особенно ярко выражено. Многие из моих коллег даже не пытаются отрицать, что уделяют больше внимания теориям, которые считают привлекательными. Их типичное предостережение против субъективных оценок неизменно сопровождается последующим «но» и отсылкой к распространенной практике.
Так, Фрэнк Вильчек, получивший в 2004 году вместе с Дэвидом Гроссом и Хью Дэвидом Политцером Нобелевскую премию за исследования сильного взаимодействия, пишет в своей книге «Красота физики», что «наше чувство прекрасного никак напрямую не приспособлено к фундаментальным работам Природы». Но: «Попробовав вкус красоты в сердце мира, мы жаждем большего. В этих поисках, я думаю, нет более многообещающего проводника, чем сама красота»29[21].
Герард Хоофт, первым сформулировавший математический критерий естественности, который теперь направляет значительную часть исследований в теоретической физике элементарных частиц (и тоже удостоенный Нобелевской премии), предостерегает: «Красота – опасное понятие, поскольку она всегда может вводить людей в заблуждение. Если у вас есть теория, оказавшаяся красивее, чем вы исходно ожидали, это служит намеком на то, что все верно, что вы правы. Но никаких гарантий и в помине нет. На ваш взгляд, теория, положим, и красива, но она может быть просто ошибочной. И с этим ничего не поделаешь». Но: «Разумеется, когда мы читаем о новых теориях и видим, как они красивы и просты, у них есть немалое преимущество. Мы верим, что такие теории имеют гораздо больше шансов оказаться успешными»30.
В своей книге-бестселлере «Элегантная Вселенная» специалист по теории струн Брайан Грин (не получивший Нобелевской премии) уверяет читателя: «…Эстетические аргументы не решают научных споров». Затем он продолжает: «Однако, несомненно, бывают случаи, когда решения, принимаемые физиками-теоретиками, основываются на эстетических соображениях, на ощущении того, что красота и элегантность той или иной теории соответствуют красоте и элегантности окружающего нас мира. <…> До настоящего времени такой подход не раз демонстрировал свою мощь и предсказательную силу»31[22].
Абстрактная математика трудно выразима, и этот человеческий поиск красоты может быть назван средством маркетинга научно-популярных книг. Но научно-популярные книги не просто доступно излагают трудные вопросы, а делают нечто большее – показывают, как физики-теоретики мыслят и работают.
Где обитает красота
Триумфы прошлого века все еще свежи в памяти ученых, сегодня приближающихся к выходу на пенсию, и их упор на красоту существенно повлиял на следующее поколение – мое поколение, неуспешное. Мы работаем с уже формализованными эстетическими идеалами прошлого – симметрией, объединением и естественностью.
Кажется вполне разумным опираться на опыт прошлых лет и пробовать то, что работало прежде. И вправду, мы были бы глупцами, если бы не следовали советам наших предшественников. Но мы также были бы глупцами, если бы зацикливались на этих советах. И я настороженна и становлюсь все настороженней с каждым нулевым результатом. Красота – проводник ненадежный, она уже много раз сбивала физиков с пути.
В 1958 году Гейзенберг написал эти строки в письме своей сестре Эдит. Прекрасные взаимосвязи, о которых он здесь говорит, как ни странно, не имеют отношения к его теории – квантовой механике. Нет, в тот период своей жизни он пытался – и не преуспел – разработать единую теорию, теперь это не более чем ремарка в книгах по истории физики.
А когда мы изучаем идеи Гейзенберга, оказавшиеся удачными, то обнаруживаем, что его научные работы отнюдь не производили впечатления чуда красоты. Его современник Эрвин Шрёдингер высказал замечание: «Конечно, я знал о его теории, однако меня отпугивали, если не сказать отталкивали, казавшиеся мне очень трудными методы трансцендентной алгебры и отсутствие наглядности»33[23].
Не то чтобы Гейзенберг любезнее отзывался об идеях Шрёдингера. Вольфгангу Паули он писал: «Чем больше я размышляю о физической стороне теории Шрёдингера, тем более отталкивающей она мне кажется. То, что Шрёдингер пишет о наглядности своей теории… чушь»34[24]. В итоге оба подхода – Гейзенберга и Шрёдингера – стали частью одной теории.
Красота дала сбой не только при создании квантовой механики. Платоновы тела, с помощью которых Кеплер вычислял орбиты планет, о чем мы говорили выше, – вероятно, самый известный пример конфликта между эстетическими идеалами и фактами. Более свежий случай, относящийся к первой половине XX века, – стационарная модель Вселенной.
В 1927 году Жорж Леметр нашел решение уравнений общей теории относительности, которое натолкнуло его на предположение, что наполненная веществом вселенная вроде нашей расширяется. Он заключил, что Вселенная должна была иметь начало – «большой взрыв». Когда Эйнштейн впервые ознакомился с этим решением, он сообщил Леметру, что нашел идею «отвратительной»35. И, напротив, ввел в свои уравнения дополнительный член – космологическую постоянную, – чтобы вогнать Вселенную в статичное состояние.
Однако в 1930 году Артур Эддингтон, сыгравший важную роль в организации первой экспериментальной проверки общей теории относительности, показал, что решение Эйнштейна с космологической постоянной нестабильно: малейшее изменение в распределении вещества заставило бы Вселенную коллапсировать или расширяться. Эта нестабильность, вместе с наблюдениями Эдвина Хаббла, подтверждавшими идею Леметра, привела к тому, что в 1931 году Эйнштейн тоже признал расширение Вселенной.
С тех пор в течение многих десятилетий космология продолжала испытывать нехватку данных и оставалась площадкой для философских и эстетических дебатов. Артур Эддингтон особенно держался за статическую вселенную Эйнштейна, поскольку верил, что космологическая постоянная олицетворяет новую силу природы. Он отверг идею Леметра на следующем основании: «…Мысль о том, что у Вселенной есть начало, мне противна».
В свои последние годы Эддингтон разрабатывал «фундаментальную теорию», которая должна была объединить статическую космологию с квантовой теорией. В этой попытке он уплыл в какой-то свой космос: «В науке у нас иногда имеются убеждения о правильном решении проблемы, которые мы ценим, но не можем обосновать. Мы находимся под влиянием какого-то врожденного чувства надлежащего порядка вещей»[25]. Из-за растущих противоречий с данными фундаментальную теорию Эддингтона после его смерти в 1944 году дальше не развивали.
Тем не менее идея о неизменяющейся Вселенной оставалась популярной. Чтобы привести ее в соответствие с наблюдаемым расширением, Герман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл в 1948 году предположили, что между галактиками непрерывно образуется вещество. В таком случае мы жили бы в вечно расширяющейся Вселенной, но не имеющей ни начала, ни конца.
Соображения Фреда Хойла в особенности зиждились на эстетических основаниях. Он высмеял Леметра, назвав того «человек – большой взрыв» и признав, что имеет «эстетические предубеждения против Большого взрыва»36. В 1992 году, когда американец Джордж Смут объявил об измерении температурных флуктуаций космического реликтового излучения, что противоречило идее стационарного состояния, Хойл (он умер в 2001 году) отказался признать это. Он переработал свою модель в «космологию квазистационарного состояния», чтобы учесть полученные данные. Вот как он объяснил успешность идеи Леметра: «Причина, по которой ученым нравится Большой взрыв, заключается в том, что их разум затмила Книга Бытия»37.
Эстетические идеалы также вызвали, пожалуй, самый странный эпизод в истории физики – популярность «вихревой теории», пытавшейся объяснить разнообразие атомов узлами различных типов 38. Теория узлов – интересная область математики, которая сегодня действительно имеет применения в физике, но никак не связанные со структурой атома. Как бы то ни было, вихревая теория в период своего расцвета насчитывала около двадцати пяти сторонников, в основном из Великобритании, но также и из США, и эти ученые написали несколько десятков статей с 1870 по 1890 год. По тем временам – довольно многочисленное и продуктивное сообщество.
Приверженцы вихревой теории атома были убеждены в ее красоте, несмотря на полное отсутствие доказательств. В 1883 году в коротком обзоре для журнала
Независимо от того, чего она заслуживала, вихревая теория изжила себя с исследованием строения атома и появлением квантовой механики.
Но история науки богата не только красивыми идеями, оказавшимися ошибочными, бывало ведь и так, что неприглядные теории оказывались верными.
Максвеллу, например, самому не нравилась электродинамика в том виде, в каком он ее сформулировал, потому что он не мог придумать, какой могла бы быть лежащая в ее основе механистическая модель. В то время эталоном красоты служила вселенная с механическим заводом, но в теории Максвелла электромагнитные поля просто
Механизмы были повальным увлечением в то время. Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин) считал, что, только когда у физиков есть механистическая модель, они действительно вправе утверждать, что понимают определенное явление42. Людвиг Больцман, по словам его ученика Пауля Эренфеста, «определенно получал большое эстетическое удовольствие, позволяя своему воображению играть с клубком взаимосвязанных движений, сил, противодействий, пока не достигал состояния, когда их смысл можно было ухватить»43. Следующие поколения физиков просто заметили, что подобные подспудные механистические толкования излишни, и стали привыкать работать с полями.
Полвека спустя квантовая электродинамика – квантованная версия электродинамики Максвелла – также страдала от кажущегося недостатка эстетической привлекательности. Теория породила бесконечности, которые надлежало убрать искусственными методами, введенными исключительно для того, чтобы дать осмысленные результаты. Это был прагматичный подход, Дираку совсем не нравившийся: «Недавняя работа Лэмба, Швингера, Фейнмана и других была очень успешной… <…> Однако окончательная теория оказывается весьма некрасивой и неполной, так что ее нельзя рассматривать как решение проблемы электрона»44[29]. Когда Дирака спросили, что он думает о недавних разработках квантовой электродинамики, он ответил: «Я считал бы, что новые идеи верны, не будь они так безобразны»45[30].
В последующие десятилетия для работы с бесконечностями были найдены способы получше. Квантовая электродинамика оказалась хорошей теорией, в рамках которой от бесконечных величин можно честно избавиться, введя два параметра, подлежащих экспериментальному определению: массу и заряд электрона. Эти методы так называемой перенормировки используются и поныне. И несмотря на неодобрение Дирака, квантовая электродинамика – все еще часть оснований физики.
Закруглим мой исторический экскурс: эстетические критерии работают до тех пор, пока не перестают работать. Возможно, самое убедительное доказательство того, что полагаться на прошлый опыт и руководствоваться чувством прекрасного неэффективно, состоит в следующем: ни один физик-теоретик не получал Нобелевскую премию дважды[31].
Зачем доверять теоретику?
Декабрь. Я в Мюнхенском центре математической философии на конференции, обещающей дать ответ на вопрос «Зачем доверять теоретику?». Мероприятие организовано австрийским философом Рихардом Давидом, чья последняя книга «Теория струн и научный метод» вызвала среди физиков некоторое беспокойство 46.
Теория струн – сегодня самый популярный кандидат на роль единой теории взаимодействий. Она гласит, что Вселенная и все, что в ней есть, состоит из крошечных вибрирующих струн, которые могут быть замкнуты сами на себя или иметь свободные концы, могут растягиваться и закручиваться, сливаться и разделяться. И это объясняет все: вещество, пространство-время и, да, вас тоже. По крайней мере, такова идея. Экспериментальных свидетельств, говорящих в пользу теории струн, пока нет. Историк Хельге Крах, тоже присутствующий на конференции, сравнил теорию струн с вихревой теорией атома 47.
Рихард Давид в своей книге привел теорию струн как пример, иллюстрирующий «неэмпирическую оценку теории», имея в виду, что способность описывать наблюдения – не единственный критерий для выбора хорошей теории. Он утверждает, что определенные критерии, не опирающиеся на наблюдения, тоже философски обоснованны, и делает вывод, что научный метод следует скорректировать так, чтобы гипотезы можно было оценивать с чисто теоретической точки зрения. В качестве критериев такой неэмпирической оценки Рихард перечисляет – и все это аргументы, традиционно приводимые сторонниками теории струн в ее поддержку, – (1) отсутствие альтернативных объяснений, (2) использование математики, которая работала раньше, и (3) открытие неожиданных связей.
Рихард не говорит прямо уж, что эти критерии
В ответ на предложение Рихарда скорректировать научный метод космологи Джо Силк и Джордж Эллис в широко читаемом комментарии, опубликованном в журнале
Я могу нагнать еще страху. Если мы примем новую философию, ратующую за выбор теорий на основании чего угодно, кроме фактов, то зачем ограничиваться физикой? Мне представляется будущее, в котором климатологи выбирают модели, руководствуясь критериями, выдуманными неким философом. От этой мысли я холодею.
Однако основная причина, по которой я принимаю участие в этой конференции, заключается в том, что я хочу получить ответы на вопросы, которые и привели меня в физику. Хочу узнать, как возникла Вселенная, состоит ли время из отдельных моментов и действительно ли все возможно объяснить с помощью математики. Я не рассчитываю на то, что философы ответят на эти вопросы. Но возможно, они правы – и причина, по которой мы не продвигаемся вперед, в том, что наша неэмпирическая оценка теорий ни к черту не годится.
Философы, бесспорно, правы: чтобы формулировать теории, мы используем критерии и помимо адекватности наблюдениям. Да, наука работает за счет генерирования и последующей проверки гипотез – но это лишь часть истории. Подвергать все гипотезы проверке попросту невозможно, и потому бо́льшая часть научной деятельности сегодня – от получения ученых степеней до рецензирования и рекомендаций по научному руководству – посвящена выявлению хороших гипотез, с которых можно было бы начать. Стандарты, принятые научным сообществом, в разных областях сильно различаются, и в каждой применяются свои собственные фильтры качества, но все мы какие-то да используем. Как минимум на практике оценка теории для предварительного отбора гипотез уже давно составляет часть научного метода. Это не освобождает нас от экспериментальной проверки, это производственная необходимость, чтобы вообще добраться до испытаний экспериментом.
Таким образом, в основаниях физики мы всегда выбирали теории по соображениям, не связанным с проверкой в опыте. Нам приходится так поступать, ведь часто наша цель – не объяснить существующие данные, а разработать теории, которые, мы надеемся, будут проверены позднее, если мы сумеем убедить кого-то это сделать. Но как же мы должны решать, над какой теорией работать, до ее экспериментальной проверки? И как экспериментаторам определять, какую теорию стоит проверять? Разумеется, мы прибегаем к неэмпирической оценке. Просто, в отличие от Рихарда, я не думаю, что критерии, используемые нами, очень уж философские. Они скорее преимущественно социальные и эстетические. И я сомневаюсь, что они саморегулирующиеся.
Аргументы о красоте уже подводили нас в прошлом, и я боюсь, что наблюдаю очередной провал прямо сейчас.
«Ну и что? – можете вы спросить. – Разве всегда все в итоге не налаживалось?» Налаживалось. Однако, не говоря уже о том, что мы были бы далеко впереди, не отвлекайся ученые на красоту, физика изменилась – и продолжает меняться. Раньше мы как-то выкарабкивались, потому что данные заставляли физиков-теоретиков пересматривать непродуманные эстетические идеалы. Однако в последнее время нам все чаще исходно нужны теории, чтобы выбрать, какие эксперименты с большей вероятностью выявят новый феномен, эксперименты, на проведение которых затем потребуются десятилетия и миллиарды долларов. Данные к нам больше не приходят сами – мы должны знать, где их добыть, и мы не можем позволить себе искать везде. Следовательно, чем сложнее становятся новые эксперименты, тем больше теоретики должны заботиться о том, чтобы не загнать себя в тупик в ослеплении прекрасной мечтой. Новые вызовы требуют новых методов. Но каких методов?
Надеюсь, у философов есть план.
Место проведения конференции – главное здание Мюнхенского университета Людвига – Максимилиана. Это здание было построено в 1840 году и затем перестроено из-за частичного разрушения во время Второй мировой войны. Полукруглые арки под потолком, мраморные полы, по обеим сторонам коридора высятся колонны, кое-где декорированные витражным стеклом и огнетушителем. В конференц-зале умершие взирают с картин, написанных маслом и оправленных в золотые рамы. Мероприятие начинается ровно в десять утра.
В конференции также принимает участие Гордон (Горди) Кейн, американский специалист по физике элементарных частиц. Горди – автор нескольких научно-популярных книг о физике частиц и суперсимметрии, еще известный своими попытками объединить теорию струн со Стандартной моделью. Он утверждает, будто может вывести из теории струн заключение, что суперсимметричные частицы должны появиться в Большом адронном коллайдере.
Во время выступления Кейна среди физиков вспыхивает спор. Некоторые из них дискутируют с докладчиком, пока какой-то философ громко не жалуется, что хочет услышать конец выступления. «И это составляющая того, что мы зовем научным методом…» – ворчит Дэвид Гросс, давний сторонник теории струн (который «от всего сердца рекомендует»49 книгу Рихарда Давида), но затем садится обратно. Действительно ли предсказания Кейна следуют из теории струн, или он сделал дополнительные специальные допущения, чтобы воспроизвести то, что мы уже знаем о Стандартной модели? Сомнения остаются.
Горди, возможно, и переоценивает строгость своих выкладок, но выполняет трудную работу: он один из немногих, кто пытается отыскать тропинку от красивой идеи теории струн назад к запутанной реальности физики элементарных частиц. Тропинка Горди ведет через суперсимметрию, необходимый элемент теории струн. Хотя открытие суперпартнеров и не доказало бы истинность теории струн, оно стало бы первой вехой на пути объединения теории струн со Стандартной моделью.
Поделиться книгой: