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

Жалобы на других не помогают, потому что эту проблему мы вызвали сами – и сами же должны ее разрешить. Мы не сумели защитить свою способность выносить непредвзятые суждения. Мы позволили себе загнать самих же себя в угол и теперь вынуждены регулярно лгать, если хотим продолжать свою работу. То, что мы миримся с этим положением, – настоящий провал научного сообщества в целом, и ответственность за то, чтобы это исправить, лежит на нас.

Не очень-то принято критиковать свое собственное племя. Но этот шалаш воняет.

Критиковать легко, как говорят критики. Я посвятила девять глав тому, чтобы обосновать утверждение, согласно которому физики-теоретики застряли на идеалах красоты из прошлого, но теперь вы, вероятно, гадаете, что еще, по моему мнению, им следует делать. Предлагаю ли я какую-то альтернативу?

У меня нет чудодейственного средства, разом избавляющего от проблем, которые физики-теоретики пытаются решить, а если бы я сказала, что есть, вы имели бы полное право меня высмеять. Это проблемы серьезные, и сетования на эстетические предубеждения не заставят их раствориться в воздухе. В следующей подглавке я предлагаю некоторые идеи, откуда можно начать. Но и у меня, как и у всех, разумеется, есть личные предпочтения. Я тоже мыслю предвзято.

Однако мое беспокойство – более общего свойства, оно не ограничивается моей собственной дисциплиной. Когнитивные искажения, а среди них и социально обусловленные, угрожают научному методу. Они препятствуют прогрессу. Пусть мы никогда и не сможем полностью избавиться от человеческих ошибок восприятия и мышления, но мы не должны просто с ними мириться. Мы можем хотя бы научиться сознавать эти проблемы и не допускать их усугубления плохими подходами. Я собрала некоторые практические рекомендации в Приложении В.

Затерянная в математике

Я говорила вам, что математика заставляет нас быть честными. Не дает соврать ни другим, ни самим себе. Вы можете ошибаться с математикой, но не лгать. И это так – вы не можете обманывать с математикой. Однако она сильно способствует запутыванию.

Помните аналогию с храмом знаний, где самый нижний уровень составляют основания физики и мы пытаемся пробиться к более глубокому пониманию? К окончанию моих путешествий во мне прочно поселилось опасение, что находимые нами трещины в фундаменте – и не трещины вовсе, а всего лишь замысловатый узор. Мы копаем не там, где надо.

Как вы видели, большинство проблем, исследуемых нами сегодня в основаниях физики, связаны с численными случайностями. Тонкая настройка массы хиггсовского бозона, сильная CP-проблема, малость космологической постоянной – все это не противоречия и неувязки, а эстетические сомнения.

Но в истории нашей области науки математическая дедукция указывала путь, только если у нас действительно была проблема с несовместимостью. Несовместимость специальной теории относительности и ньютоновской теории тяготения вызвала к жизни общую теорию относительности. Несовместимость специальной теории относительности и квантовой механики породила квантовую теорию поля. Проблемы с вероятностной интерпретацией Стандартной модели позволили нам заключить, что в Большом адронном коллайдере должна обнаружиться новая физика, которая и проявилась в виде бозона Хиггса. Встречались вопросы, поддававшиеся решению с помощью математики. Но подавляющее большинство проблем, с которыми мы имеем дело сегодня, иного свойства. Одно исключение составляет квантование гравитации.

Поэтому первый извлеченный мною урок таков: если хочешь разрешить проблему с помощью математики, сначала убедись, что это действительно проблема.

Физики-теоретики гордятся своей умудренностью и чутьем. И я обеими руками за то, чтобы использовать интуицию, строя предположения, которые лишь позднее могут оказаться подтвержденными (или не оказаться). Но мы должны держать в голове эти предположения, иначе они рискуют превратиться в общепризнанные, несмотря на свою неподтвержденность. Предположения, основанные на интуиции, часто донаучны и попадают в сферу философии. А раз так, то нам необходимо сотрудничать с философами, чтобы понять, как сделать свои интуитивные представления более научными.

Отсюда второй урок: формулируйте свои предположения.

Естественность – одно из таких допущений. И простота тоже; редукционизм не подразумевает неуклонного увеличения простоты с уменьшением расстояний. Возможно, мы, наоборот, должны пройти через стадию (в смысле масштабов), где наши теории вновь усложняются. Упование на простоту, рядящуюся под объединение или под уменьшение числа аксиом, может сбить нас с пути.

Но даже если мы столкнулись со всамделишной проблемой и четко сформулировали свои предположения, все равно с математической точки зрения возможными могут оказаться несколько решений. И в конечном счете единственный способ выяснить, какая же теория верна, состоит в том, чтобы проверить, какая из них описывает природу; неэмпирическая оценка теорий тут не поможет. В поисках теории квантовой гравитации и улучшенного формализма квантовой физики единственный путь вперед – выводить и проверять разные предсказания.

И вот мой третий и последний урок: руководствоваться наблюдательными данными необходимо.

Физика – не математика. Физика – это выбор правильной математики.

Поиски продолжаются

22 июня 2016 года: появляются слухи, что дифотонный всплеск в новых данных с Большого адронного коллайдера исчезает.

21 июля 2016 года: экспериментальный проект LUX по поиску частиц темной материи объявляется завершенным, никаких свидетельств существования вимпов не найдено.

29 июля 2016 года: разговоры о том, что дифотонная аномалия развеялась как дым, звучат громче.

4 августа 2016 года: обнародованы новые данные с Большого адронного коллайдера. Они подтверждают, что дифотонный всплеск пропал без следа. За восемь месяцев с момента его «открытия» было написано свыше пятисот статей о статистической флуктуации. Многие из них опубликованы в ведущих журналах области. Самые популярные из этих статей уже процитированы больше трехсот раз. Если нас это хоть чему-то учит, так это тому, что существующая практика позволяет физикам-теоретикам моментально изобретать сотни объяснений чему угодно, какие бы данные им случайно ни подбросили.

В последующие недели Фрэнк Вильчек проигрывает пари Гарретту Лиси – суперсимметрию на Большом адронном коллайдере так и не нашли. Сходное пари, заключенное на конференции в 2000 году, тоже приносит победу «несуперсимметричной» стороне ²⁰³.

Тем временем, пока я дописываю свою книгу, я выигрываю пари у самой себя, сделав ставку на то, что мои коллеги потерпят череду неудач. Шансы были на моей стороне – коллеги потратили тридцать лет, снова и снова пытаясь делать одно и то же, но ожидая другого результата.

В октябре коллаборация CDEX-1 объявляет, что аксионы не обнаружены.

Сколько вообще можно ждать, чтобы теория получила экспериментальное подтверждение? Я не знаю. Я даже не думаю, что такая формулировка имеет смысл. Может, частицы, что мы ищем, где-то совсем близко – и на самом деле это только вопрос уровня технологического развития, когда мы их обнаружим.

Однако, найдем мы что-то или нет, уже очевидно, что ранее действовавшие правила для разработки теорий изжили себя. Пять сотен теорий для объяснения сигнала, которого не было, и 193 модели ранней Вселенной – более чем исчерпывающее доказательство того, что существующие стандарты качества больше не работают при оценке наших теорий. Чтобы отбирать перспективные будущие эксперименты, нам нужны новые правила.

В октябре 2016 года в Карлсруэ (Германия) запущен экспериментальный проект KATRIN. Его цель – измерить доселе неизвестные абсолютные массы нейтрино. В 2018 году радиотелескоп SKA (Square Kilometer Array), строящийся в Австралии и ЮАР, начнет искать сигналы от самых первых галактик. В течение следующих нескольких лет в экспериментах Muon g–2 в Фермилаб в США и J-PARC в Японии будет с беспрецедентной точностью измеряться магнитный момент мюона, чтобы разрешить давние противоречия между экспериментом и теорией. Европейское космическое агентство планирует создать космический лазерный интерферометр eLISA, который сможет регистрировать гравитационные волны в неисследованных частотных диапазонах и добывать новые данные о том, что происходило во время инфляции. Преобладающую часть данных с Большого адронного коллайдера еще только предстоит проанализировать, и мы все еще можем обнаружить признаки физики за пределами Стандартной модели.

Мы знаем, что известные нам сегодня законы природы неполны. Чтобы придать им полноту, мы должны постичь квантовое поведение пространства и времени, пересмотрев теорию гравитации или квантовую физику, а может, и обе. И то, что мы поймем, вне всяких сомнений, поднимет новые вопросы.

Может показаться, будто физика была историей успеха прошлого столетия, а теперь настал век нейронаук, или биоинженерии, или искусственного интеллекта (все зависит от того, кого спросить). Но я думаю, это не так. Мне дали новый исследовательский грант. Впереди много работы. Следующий прорыв в физике произойдет в этом столетии.