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

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 Nature Оливер Лодж назвал вихревую теорию «прекрасной», такой, «которая, можно смело сказать, заслуживает того, чтобы быть верной»39. Альберт Майкельсон (впоследствии получивший Нобелевскую премию) написал в 1903 году, что вихревая теория «заслуживает быть истиной, если… [она] не есть истина в действительности»40[26]. Еще одним поклонником был Джеймс Клерк Максвелл, рассуждавший так:

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 есть – они не сделаны из чего-то еще, никаких шестеренок и пазов, никаких жидкостей и клапанов. Максвелл был недоволен собственной теорией, поскольку думал, что, только «когда физическое явление может быть полностью описано как изменение конфигурации и движения материальной системы, говорят, что мы имеем полное динамическое объяснение явления»[28]. Много лет Максвелл пытался дать объяснение электрическим и магнитным полям, которое согласовывалось бы с механистической картиной мира. Увы, тщетно.

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 следует применять, скорее просто указывает на то, что они применяются, и обеспечивает им оправдывающие основания. Поддержку философа специалисты по теории струн встретили с одобрением. Остальные – в меньшей степени.

В ответ на предложение Рихарда скорректировать научный метод космологи Джо Силк и Джордж Эллис в широко читаемом комментарии, опубликованном в журнале Nature, предостерегли об «отступлении от многовековых философских традиций определять научное знание как эмпирическое» и выразили опасение, что «теоретическая физика рискует превратиться в бесхозную землю на границе между математикой, физикой и философией, по-настоящему не удовлетворяя требованиям ни одной из них»48.

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.

В своей книге 2001 года Горди описал суперсимметрию как «удивительную, красивую и необыкновенную» и в то время казался уверенным, что Большой адронный коллайдер обнаружит частицы-суперпартнеры. Его уверенность основывалась на аргументе о естественности. Если предположить, что теория суперсимметрии содержит только «приличные» числа – не слишком большие, но и не слишком маленькие, – можно оценить массы суперпартнеров. «По счастью, ожидаемые массы достаточно малы, они намекают, что суперпартнеры скоро будут обнаружены», – писал Горди. И объяснил, что «массы суперпартнеров не могут значительно превышать массу Z-бозона, если весь этот подход правильный». Стало быть, если суперпартнеры существуют, Большой адронный коллайдер должен был давным-давно их засечь.

Оценка Горди основывается на одной из главных привлекательных особенностей суперсимметрии: она избавляет от необходимости выполнять тонкую настройку для массы бозона Хиггса, одной из двадцати пяти частиц Стандартной модели. Этот довод типичен, мы с такими еще не раз столкнемся, так что разберем его детально.

Бозон Хиггса – единственная известная частица своего типа, и он страдает от специфической математической проблемы, от которой другие элементарные частицы защищены: квантовые флуктуации вносят огромный вклад в его массу. Вклад квантовых флуктуаций обычно мал, но в случае бозона Хиггса он дает массу гораздо большую, чем наблюдаемая, – в 10¹⁴ раз больше. Не слегка неправильную, а недопустимо, катастрофически неверную[32].

[26] Майкельсон А. А. Эфир // Световые волны и их применения. Одесса: Mathess, 1912. Цитата приводится в современной орфографии. – Прим. перев.

[28] Максвелл Дж. К. О динамическом доказательстве молекулярного строения тел // Речи и статьи. М.; Л.: Гостехиздат, 1940. – Прим. перев.

[29] Дирак П. А. Новая классическая теория электронов // Собрание научных трудов. Т. 3. М.: Физматлит, 2004. – Прим. перев.

[30] Перевод наш. – Прим. перев.

[31] Лишь два физика удостаивались Нобелевской премии дважды, и то преимущественно за экспериментальную работу: Мария Склодовская-Кюри в 1903 году за открытие радиоактивности и в 1911-м за выделение чистого радия (последняя премия была присуждена по химии) и Джон Бардин в 1956 году за изобретение транзистора и снова в 1972-м, с Леоном Купером и Джоном Шриффером, за совместную разработку теории сверхпроводимости. Некоторые мои коллеги считают, что Бардина следует относить к физикам-теоретикам. Думаю, это серьезная натяжка, поскольку он окончил университет по специальности «электротехника» и обе Нобелевские премии получил за прикладные исследования. Но раз «физик-теоретик» – термин нечеткий, то я считаю, что споры по этому поводу бессмысленны. В любом случае это не имеет отношения к тому, о чем я говорю. Достижения Бардина уж точно не основывались на аргументах о красоте и естественности, о которых идет речь в этой книге.

[32] Напомню: 10 с верхним индексом x – это единица со шлейфом из x нулей. Например, 102 = 100.