Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Законы как сосиски

Если вам кажется, что в последнее время было больше прорывных открытий, чем когда-либо прежде, вы правы. В 2015 году исследователи из Нидерландов подсчитали прилагательные, использующиеся в научных статьях, и обнаружили, что частота слов «беспрецедентный», «прорывной» и «новый» выросла на 2500 % или больше с 1974 по 2014 год. На втором месте оказались слова «оригинальный», «поразительный» и «перспективный», которые стали встречаться более чем на 1000 % чаще ¹⁶⁴. Мы изо всех сил стараемся продать свои идеи.

Науку иногда называют «рынком идей», но он отличается от рыночной экономики прежде всего потребителями, нужды которых мы удовлетворяем. В науке специалисты удовлетворяют нужды только других специалистов, и мы оцениваем продукты друг друга. Окончательный вердикт основывается на нашей успешности в объяснении наблюдений. Однако в отсутствие экспериментальной проверки самым важным свойством, которым должна обладать теория, становится одобрение коллег.

Для нас, теоретиков, одобрение коллег, как правило, и определяет, будут ли вообще наши теории когда-либо подвергнуты проверке. Если оставить за скобками счастливое меньшинство, осыпанное призовыми деньгами, в современном научном мире судьба идеи зависит от анонимных рецензентов, выбираемых среди наших коллег[96]. Без их одобрения добыть финансирование на свои исследования сложно. Непопулярная теория, разработка которой требует больших затрат времени, чем может себе позволить исследователь без финансовой поддержки, скорее всего, обречена на скорую смерть.

Другое различие между рынком потребительских товаров и рынком идей состоит в том, что стоимость товара определяется рынком, а стоимость научного объяснения в конечном счете определяется его полезностью для описания наблюдений – просто эта стоимость зачастую неизвестна, когда исследователи должны решить, чему посвятить свое время. Таким образом, наука – не тот рынок, внутри которого создается стоимость, это скорее прогностическая платформа для определения стоимости извне. Функция научного сообщества и всех его институций – отбирать самые перспективные идеи и поддерживать их. Однако это означает, что в науке маркетинг не дает системе работать должным образом, поскольку искажает относящуюся к делу информацию. Ведь если все прорывное и новое, то ничто не таково.

Необходимость оценивать, какие идеи стоят того, чтобы получить отсутствующую экспериментальную поддержку, возникла сначала в фундаментальной физике, ведь в этой области исследований новые гипотезы проверить сложнее всего. Но эта проблема рано или поздно заявит о себе и в других дисциплинах. По мере того как добывать данные становится все сложнее, задержка по времени между разработкой теории и ее экспериментальной проверкой растет. И поскольку теории дешевы и изобильны, а эксперименты дороги и малочисленны, так или иначе нам приходится выбирать, какие теории стоят проверки.

Это не значит, что наши описания природы обречены оставаться социальными конструктами без всякой связи с реальностью. Наука – деятельность социальная, нет сомнений. Но пока мы осуществляем экспериментальные проверки, наши гипотезы завязаны на наблюдения. Вы могли бы возразить, что эксперименты тоже проводятся и оцениваются людьми, и это так – наука «определяется обществом» в том смысле, что ученые тоже люди и работают в сотрудничестве друг с другом. Но если теория работает, то она работает – и обзывание ее социальным конструктом становится бессмысленной претензией.

Однако это подразумевает, что мы вполне можем застрять на непроверенных гипотезах и устаревших идеях, когда нам не хватает новых данных. В фундаментальной физике мы словно канарейка в шахте. И лучше бы нам не сидеть безучастно на земле, потому что социальные конструктивисты глядят в оба, предвкушая добычу.

И канарейка чувствует себя неважно. Казалось бы, ученые, с их профессиональной обязанностью быть объективными, должны защитить свою творческую свободу и восстать против необходимости угождать коллегам, чтобы обеспечивать себе дальнейшее финансирование. Но они этого не делают.

Есть несколько причин, почему ученые принимают участие в этом безобразии. Одна состоит в том, что те, кто не в силах терпеть подобную ситуацию, уходят, а тех, кто остается, все вполне устраивает – или, может, им просто удается убедить себя, что все в порядке[97]. Другая причина заключается в следующем: размышления о том, как лучше всего провести исследование, отнимают время у самого исследования и приводят к конкурентному отставанию. Несколько друзей из лучших побуждений пытались отговорить меня от написания этой книги.

Но главная причина в том, что ученые доверяются науке. Они не беспокоятся. «Такая система», – пожимают они плечами, а затем рассказывают себе и всем, кто готов слушать, что это не имеет значения, ведь они верят, что наука в любом случае работает, тем или иным образом. «Послушайте, – говорят они, – наука всегда работала». И проповедуют новаторство по наитию. Неважно, что мы делаем, гласит проповедь, все равно нельзя провидеть достижения. Все мы неглупые люди, так позвольте же нам заниматься своим делом и изумляться непредвиденным побочным результатам, когда те будут случайно появляться. Разве вы не слышали: Тим Бернерс-Ли изобрел Всемирную паутину для того, чтобы помочь специалистам по физике элементарных частиц обмениваться данными?

«Все сойдет» – это, конечно, славная идея, но если вы считаете, что неглупые люди лучше всего работают, когда свободно следуют своим интересам, то вы должны убедиться, что они могут-таки свободно следовать своим интересам. И ничегонеделания недостаточно.

Я насмотрелась этого в своей собственной области исследований, о чем и рассказывается в данной книге. Но это проблема не только оснований физики. Почти все ученые сейчас отягощены скрытым конфликтом интересов между финансированием и честностью. Даже от исследователей, работающих по бессрочным контрактам, сегодня ожидаются непрерывный поток высокоцитируемых публикаций и добывание грантов, а и то и другое требует постоянного одобрения коллег-рецензентов. Чем больше одобрят коллеги, тем лучше. И наоборот: открыто говорить о недостатках чьей-либо исследовательской программы – значит перечеркивать чьи-то шансы на финансирование в будущем. Мы заряжены на то, чтобы производить все больше того же самого.

Вы добьетесь куда большего в подобной игре, если вам удастся убедить себя в том, что это все еще хорошая наука. Очевидно, что я в этом не преуспела. «Законы, как и сосиски, уважают тем больше, чем меньше знают, как они делаются», – сострил Джон Годфри Сакс. Он имел в виду гражданские законы, но сегодня то же можно сказать и о законах природы.

Подкоп под темноту

В 1930 году Вольфганг Паули постулировал существование новой частицы – нейтрино, – чтобы объяснить загадочную потерю энергии при радиоактивном распаде. Он назвал это «отчаянным средством» и признался своему коллеге, астроному Вальтеру Бааде: «Сегодня я совершил ужасную вещь, совершенно недопустимую для физика-теоретика. Я выдвинул гипотезу, которую никогда нельзя будет подтвердить или опровергнуть экспериментально»[98]. Существование нейтрино было экспериментально подтверждено четверть века спустя.

Со времен Паули постулирование новых частиц стало любимым занятием теоретиков. У нас имеются: преоны, сфермионы, дионы, магнитные монополи, симпы, вимпы, вимпзиллы, аксионы, гигантские магноны, максимоны, «макро», скирмионы, стерильные нейтрино (и это я перечислила только самые популярные)[99]. У нас даже есть «нечастицы». Ни одну из них никто никогда не видел, но их свойства тщательно описаны в тысячах опубликованных научных статей.

Первое правило изобретения новой частицы звучит так: вам нужна уважительная причина, почему эта частица еще не была обнаружена. Вы можете постулировать, что для ее рождения нужна слишком большая энергия, или что эта частица взаимодействует слишком редко – и чувствительности существующих детекторов просто не хватает, или и то и другое.

Схоронить новые частицы подальше, на высоких энергиях, особенно модно в физике высоких энергий. Для рождения частицы много энергии может требоваться либо потому, что сама частица очень массивна, либо потому, что частица сильно взаимодействующая и, чтобы ее увидеть, связь нужно разорвать. Альтернативный вариант – объяснять отсутствие обнаружения предполагаемой слабостью взаимодействия – больше приветствуется в астрофизике, поскольку такие частицы становятся неплохими кандидатами на роль темной материи. В совокупности и те и другие частицы составляют так называемый скрытый сектор теории.

Вселенная что-то от нас скрывает. Мы знаем об этом с 1930-х годов, когда Фриц Цвики направил стодюймовый[100] телескоп Хукера на скопление Волосы Вероники – несколько сотен галактик, связанных взаимным гравитационным притяжением. Галактики движутся со средней скоростью, определяемой суммарной массой скопления, удерживающей их вместе. Цвики, к своему удивлению, обнаружил, что движутся они значительно быстрее, чем могла бы объяснить их общая масса. Он предположил, что скопление содержит дополнительное невидимое вещество, и назвал его dunkle Materie – темной материей.

Это не осталось единственной странностью в небе. Когда Вера Рубин сорок лет спустя изучала вращение спиральных галактик, то заметила, что звезды во внешних областях галактик обращаются вокруг центра быстрее, чем должны были бы. Так происходило в каждом из более чем шестидесяти исследованных ею случаев. Скорость, необходимая для того, чтобы звезда оставалась на устойчивой орбите, зависит от суммарной массы в центре траектории движения. И раз внешние рукава галактик так быстро вращаются, значит, галактики должны содержать больше вещества, чем можно увидеть. Они должны содержать темную материю.

По мере того как проводились все новые эксперименты, накапливались доказательства, что подобное происходит во Вселенной повсюду. Флуктуации реликтового излучения согласуются с другими данными, только если мы добавляем в расчеты темную материю. Темная материя также нужна, чтобы привести формирование галактических структур во Вселенной в соответствие с данными наших наблюдений. Без темной материи Вселенная просто не выглядела бы такой, какой мы ее видим. Следующее доказательство связано с гравитационным линзированием – искривлением траектории света, вызываемым искривлением пространства-времени. Скопления галактик отклоняют свет больше, чем может объяснить их видимая масса. Там должно быть что-то еще, чтобы столь сильно искривлять пространство-время.

Сначала родилось предположение, что галактики содержат неожиданно много трудноразличимых звездных объектов вроде черных дыр или коричневых карликов. Но такие объекты должны тогда присутствовать и в нашей Галактике, вызывая существенно большее гравитационное линзирование, – чего не наблюдается. Идея, согласно которой темная материя состоит из сверхкомпактных объектов с массами гораздо меньшими, чем у типичной звезды, не была полностью сброшена со счетов, поскольку они бы не искривляли траектории света в достаточной степени, чтобы вызвать поддающееся наблюдению гравитационное линзирование. Неясно, однако, как вообще подобные объекты сформировались бы. Поэтому физики сейчас оказывают предпочтение другому типу темной материи.

Объяснение, привлекшее больше всего внимания, заключается в следующем: темная материя состоит из частиц, которые собираются в облака и окружают видимые диски галактического вещества почти сферическими гало. Но известные частицы практически все слишком сильно взаимодействуют и слишком сильно сгущаются, чтобы образовывать такие гало. Исключение – нейтрино, но они чересчур легкие, слишком быстро движутся и недостаточно скучиваются. Получается, из каких бы частиц темная материя ни состояла, это нечто новое.

Второе правило изобретения новой частицы таково: вы должны обосновать, почему она вот-вот будет обнаружена, иначе никому до нее и дела не будет. Довод не обязан быть веским – все коллеги и так хотят вам поверить, – но вы должны предоставить людям объяснение, которое они смогут повторять. Распространенный способ сделать это – выискать какие-нибудь численные совпадения и затем объявить, что они намекают на новую физику в запланированном на будущее эксперименте, причем использовать при этом такие выражения, как «естественное объяснение» и «многообещающая связь». Если ваша идея таких совпадений не порождает, не волнуйтесь – просто попытайте удачи со следующей идеей. Чисто статистически вы иногда будете попадать в яблочко.

Особенно удачное численное совпадение, инициировавшее много исследований в астрофизике, – так называемое WIMP-чудо. WIMP («вимп») означает «слабо взаимодействующая массивная частица» (Weakly Interacting Massive Particle). Эти частицы сейчас самые главные кандидаты на роль темной материи, не в последнюю очередь потому, что их легко включить в суперсимметричные теории. Исходя из их массы и силы взаимодействия, мы можем оценить, сколько вимпов образовалось бы в ранней Вселенной. Расчеты дают правильную распространенность темной материи – близко к измеренному значению в 23 %. Вот это соответствие и называют WIMP-чудом.

По мнению астрофизика Кэтрин Фриз, WIMP-чудо – «основная причина того, что вимпы так серьезно принимают за кандидатов на роль темной материи»¹⁶⁵. Джонатан Фэн, другой хорошо известный исследователь в этой области, считает такое численное соответствие «чрезвычайно волнующим», а остальные соглашаются, что оно «служило важнейшей движущей силой теоретиков в этой области на протяжении многих лет»¹⁶⁶. Оно служило движущей силой и для экспериментов.

Поскольку мы знаем суммарную массу, которую темная материя добавляет Млечному Пути, то можем оценить, сколько частиц темной материи определенной массы каждая должны проноситься сквозь нас. Число колоссальное: если брать для расчетов в качестве типичной массу вимпа в 100 ГэВ, получается, что около десяти миллионов этих частиц проходят через вашу ладонь ежесекундно. Но взаимодействуют они крайне редко: оптимистическая оценка показывает, что килограмм вещества детектора взаимодействует с одним вимпом в год ¹⁶⁷.

Однако редко – не значит никогда. Возможно, нам удастся найти доказательства существования вимпов, пристально следя за большими объемами вещества, защищенного от всех прочих взаимодействий частиц. Какая-нибудь частица темной материи нет-нет да и натолкнется на один из атомов нашего вещества, оставив по себе чуточку энергии. Экспериментаторы сейчас отслеживают три возможных намека на эту энергию: ионизацию (выбивание электронов из атомов, меняющее заряд), сцинтилляцию (испускание атомом вспышки света) и фононы (нагрев или колебания). Эксперименты такой чувствительности нередко проводятся глубоко под землей, где большинство частиц космических лучей отсеиваются окружающей породой.

О возможности отслеживать редкие взаимодействия темной материи первыми заговорили Марк Гудман и Эдвард Виттен в 1985 году ¹⁶⁸. Охота же на частицы темной материи началась задним числом: экспериментаторы, работавшие с детектором, исходно созданным для поимки нейтрино, в 1986 году сообщили о первых «интересных ограничениях для галактической холодной темной материи и легких бозонов, испущенных Солнцем»¹⁶⁹. На обычном языке «интересные ограничения» означают, что не найдено ничего. В нескольких других экспериментах, связанных с нейтрино, тогда тоже были получены интересные ограничения.

[96] В США неравенство доходов в научной сфере сейчас больше, чем в промышленности или правительстве. См.: Lok C. 2016. Science’s 1 %: how income inequality is getting worse in research. Nature. 537: 471–473.

[97] Важно: это означает, что плохие методики в науке могут начать преобладать даже в том случае, если ни один конкретный ученый не меняет своего поведения. См., например, Smaldino P. E., McElreath R. 2016. The natural selection of bad science. Roy. Soc. Open Sci. 3: 160384. arXiv:1605.09511 [physics.soc-ph].

[98] Hoyle F. 1967. Concluding remarks. Proc. Royal Soc. A. 301: 171. Хойл также рассказал следующее: Бааде не упустил шанса поспорить с Паули, что нейтрино будут-таки обнаружены. В итоге Бааде получил свой выигрыш – шампанским, – когда Райнес и Коуэн объявили об успешном обнаружении частицы.

[99] Сюда, в примечание, вынесены те частицы из перечня автора, которые, по-видимому, еще не успели обзавестись устоявшимися названиями на русском языке: флаксионы (англ. flaxions), эребоны (erebons), «рога изобилия» (cornucopions), браноны (branons), кускутоны (cuscutons), планконы (planckons). Так они, скорее всего, именовались бы. – Прим. перев.

[100] 2,54 метра в диаметре. – Прим. перев.