Неприятности с физикой: Взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Одна вещь, которую я знаю по поводу вопроса, как представить время без его превращения в размерность пространства, заключается в том, что возникает в других областях, от теоретической биологии до компьютерных наук и права. В попытке свободно обменяться некоторыми новыми идеями философ Роберто Мангабейра Унгер и я недавно организовали небольшую рабочую группу в Пограничном институте, собрав вместе фантазеров из каждой из этих областей, чтобы поговорить о времени. Эти два дня были самым возбуждающим, что я испытал за годы.

Я не хочу больше говорить об этом, поскольку я хочу перейти к другим вопросам. Предполагаю, что интеллектуально амбициозная молодая персона с оригинальным и нетерпеливым мышлением захочет подумать глубже о пяти великих вопросах. Признавая нашу неудачу в определенном решении каждого из них, я не могу представить, почему такая персона могла бы желать быть ограниченной в работе над любой из текущих исследовательских программ. Ясно, что если бы теория струн или петлевая квантовая гравитация сами были ответом, мы могли бы знать об этом к сегодняшнему дню. Они могут быть стартовой точкой, они могут быть частью ответа, они могут содержать необходимые уроки. Но правильная теория должна содержать новые элементы, которые наша амбициозная молодая персона, вероятно, однозначно сочтет пригодными для поиска.

Что мое поколение могло бы завещать этому молодому ученому? Идеи и технологии, которые он может захотеть или может не захотеть использовать, вместе с предостерегающей историей о частичном успехе в некоторых направлениях, приведшем к общей неудаче в попытке завершить работу Эйнштейна, начатую сто лет назад. Худшая вещь, которую мы могли бы сделать, была бы утаить от него правду, настаивая, чтобы он работал над нашими идеями. Так что вопросом для последней части книги является вопрос, который я задаю себе каждое утро: Всё ли мы сделали, что могли, чтобы поддержать и поощрить молодого ученого – и посредством этого самих себя, – чтобы переступить пределы, которые мы воздвигали последние тридцать лет, и найти верную теорию, которая решит пять великих проблем физики?

IV. Обучаясь на опыте

16. Как вы боретесь с социологией?

В этой последней части книги я хочу возвратиться к вопросам, которые я поднял во Введении. Почему, несмотря на такие большие усилия тысяч самых талантливых и хорошо подготовленных ученых, в фундаментальной физике в последние двадцать пять лет сделан столь незначительный окончательный прогресс? И, фиксируя, что имеются многообещающие новые направления, что мы можем сделать, чтобы гарантировать, что темп прогресса восстановится до уровня, который существовал в течение двухсот лет до 1980?

Один из способов описать неприятности с физикой заключается в констатации, что за последние тридцать лет отсутствуют работы по теоретической физике элементарных частиц, которые уверенно можно было бы выбрать на Нобелевскую премию. Причина в том, что условием премии является проверка достижения экспериментом. Конечно, идеи вроде суперсимметрии или инфляции могут быть показаны экспериментом как правильные, и если это так, их изобретатели будут достойны Нобелевской премии. Но мы не можем сегодня сказать, что открытие любой гипотезы в физике за пределами стандартной модели элементарных частиц проверено.

Ситуация была совершенно иной, когда я поступил в аспирантуру в 1976. Было достаточно ясно, что стандартная модель, которая была доведена до конечной формы только тремя годами ранее, была решительным прогрессом. Уже имелось ее существенное экспериментальное подтверждение, а многие опыты были в процессе выполнения. Не было серьезных сомнений, что ее изобретатели раньше или позже будут удостоены за свой труд Нобелевской премии. Так со временем и произошло.

Ничего подобного сегодня нет. В последние двадцать пять лет имелось много премий, присужденных за работу в теоретической физике частиц, но не Нобелевских. Нобель не выдается за находчивость или успешность; он выдается за правильность.

Это не мешает тому, что имелись великие технические достижения в каждой из исследовательских программ. Это говорит о том, что в настоящее время работают больше ученых, чем за всю историю науки. Это определенно верно для физики; в больших университетских департаментах сегодня имеется больше профессоров физики, чем было сто лет назад во всей Европе, где были получены почти все достижения. Все эти люди работают, и большая часть этой работы технически изощренная. Более того, технический уровень молодых физиков-теоретиков сегодня намного выше, чем это было поколение или два назад. Имеется больше возможностей для молодых людей стать мастерами, и они тем или иным образом умудряются делать это.

Однако, если вы судите по стандартам, которые действовали две сотни лет до 1980, оказывается, что темп необратимого прогресса в теории элементарных частиц замедлился.

Мы уже обсуждали простые объяснения неудач последних двадцати пяти лет. Это не является следствием недостатка данных; имеется изобилие необъясненных результатов, чтобы возбудить воображение теоретиков. Это не связано с тем, что теории требуют много времени для тестирования; редко проходит больше десяти лет между предсказанием нового явления новой теорией и его подтверждением. Это не является следствием недостатка усилий; сейчас гораздо больше людей работают над проблемами фундаментальной физики, чем за всю историю предмета в целом. И, определенно, ответственность не может быть возложена на недостаток таланта.

В предыдущих главах я предположил, что то, что потерпело неудачу, не столько особая теория, сколько особый стиль исследований. Если кто-то проводит время как в сообществе струнных теоретиков, так и в сообществе людей, работающих над независимыми от фона подходами к квантовой гравитации, он не может помочь, но будет поражен огромной разницей в стиле и в ценностях, выражаемых двумя сообществами. Эта разница отражает раскол в теоретической физике, который восходит более чем на полвека назад.

Стиль мира квантовой гравитации унаследован от того, что использовалось так называемым релятивистским сообществом. Он проводился студентами и партнерами Эйнштейна, и, в свою очередь, их студентами – такими людьми как Петер Бергман, Джошуа Голдберг и Джон Арчибальд Уилер. Стержневыми ценностями этого сообщества были уважение к индивидуальным идеям и исследовательским программам, подозрение к моде, доверие к математически ясным аргументам и убеждение, что ключевые проблемы тесно связаны с основополагающими вопросами о природе пространства, времени и квантов.

С другой стороны, стиль сообщества теории струн является продолжением культуры теории элементарных частиц. Это всегда было более дерзкой, агрессивной и состязательной атмосферой, в которой теоретики соперничают, чтобы быстро откликнуться на новые разработки (до 1980 они были обычно экспериментальными), и подозрительно относятся к философским проблемам. Этот стиль вытеснил более склонный к размышлениям, философский стиль, который характеризовал Эйнштейна и изобретателей квантовой теории, и он восторжествовал, когда центр науки переместился в Америку, а интеллектуальный фокус сместился от исследования фундаментальных новых теорий к их применениям.

Наука нуждается в различных стилях, чтобы обращаться к различным видам проблем. Моя гипотеза в том, что ошибкой с теорией струн является факт, что она развивалась с использованием стиля исследований физики элементарных частиц, который с трудом применим к открытию новых теоретических схем. Стиль, который привел к успеху стандартной модели, также тяжело поддерживать, когда разрывается связь с экспериментом. Этот соревновательный, ведомый модой стиль работал, когда он подпитывался экспериментальными открытиями, но потерпел неудачу, когда не оказалось никаких ведущих способов действий, кроме взглядов и вкусов нескольких выдающихся индивидуальностей.

Когда я начинал мое изучение физики в середине 1970х, оба этих исследовательских стиля процветали. Имелось намного больше физиков, занимающихся элементарными частицами, чем релятивистов, но имелось достаточно места для тех и других. Не было много мест для людей, которые хотели разрабатывать свои собственные решения глубоких фундаментальных проблем по поводу пространства, времени и квантов, но имелась достаточная поддержка тех немногих, кто имел хорошие идеи. С тех пор, хотя необходимость в релятивистском стиле возрастала, их место в академии сокращалось из-за доминирования теории струн и других больших исследовательских программ. За исключением одной исследовательской группы в Университете штата Пенсильвания, примерно с 1990 исследовательскими университетами США не был приглашен на работу ни один доцент, работающий над подходами к квантовой теории гравитации, не основанными на теории струн или высших измерениях.

Почему стиль, менее пригодный для решения находящихся под рукой проблем, стал доминирующим в физике, как в Штатах, так и в Европе? Это социологический вопрос, но мы должны на него ответить, если мы хотим сделать конструктивные предложения для восстановления нашей дисциплины до ее былой живости.

Чтобы вникнуть в суть проблемы, мы должны взглянуть на некоторые распространившиеся изменения в академическом ландшафте, которые молодая персона должна преодолеть, чтобы совершить карьеру в науке.

Наиболее замечательное изменение в том, что имеется намного большее давление на молодую персону, чтобы конкурировать за расположение более старых влиятельных ученых. Великое поколение, которое сделало науку Америки, теперь подошедшее к выходу в отставку, могло бы посоревноваться за высшие позиции в элите университетов и институтов, но от него не было много давления, если все, что вы хотели, это профессорство где-нибудь, которое давало бы свободу заниматься вашей работой. С 1940х по 1970е рост университетов был экспоненциальным, и для молодых ученых было нормальным иметь после окончания высшей школы несколько предложений профессорско-преподавательских позиций в университетах. Я встречал многих более старых коллег, которые никогда на самом деле не должны были обращаться с просьбой о работе.

Сегодня вещи иные. Университеты прекратили рост в начале 1970х; несмотря на это, профессора, приглашенные на работу в предыдущую эру, продолжали готовить аспирантов с неизменным темпом, что означало существенное перепроизводство новых докторов философии в физике и других науках. В результате имеется свирепая конкуренция за места в исследовательских университетах и колледжах на всех уровнях академической иерархии. Имеется также намного больший акцент на наемное профессорство, которое фондируют исследовательские агентства. Это великое сужение альтернатив для людей, которые хотели бы вести свои собственные исследовательские программы, но вместо этого следуют программам, инициированным вышестоящими учеными. Так что имеется все меньше углов, в которых творческая личность может спрятаться, охраняемая некоторым видом академической работы, и развивать рискованные и оригинальные идеи.

Связан с этим и факт, что университеты сегодня являются намного более профессионализированными, чем это было поколение или два назад. Хотя профессорско-преподавательский состав университетов прекратил рост, было заметное увеличение числа и мощи администраторов. Так что при найме имеется меньше надежды на решение индивидуальных профессоров и больше на статистические меры достижений, такие как уровни фондирования или цитирования. Это также затруднило молодым ученым сопротивление генеральному потоку и посвящение себя изобретению новых исследовательских программ.

В наших попытках сделать беспристрастные оценки нашей работе среди равных мы, профессора, почти рефлекторно стремимся наградить тех, кто согласен с нами, и оштрафовать тех, кто не согласен. Даже когда мы возвышаемся над академической политикой, мы часто попадаем в ловушку оценки равных по положению ученых на основании одномерной характеристики. На собраниях профессорско-преподавательского состава и в неформальных дискуссиях мы говорим о тех, кто "хороший", и тех, кто нет, как если бы мы на самом деле знали, что это означает. Может ли работа жизни личности быть сведена к "Анжела не так хороша, как Крис"? Часто кажется, будто достижения, не требующие ничего, кроме таланта и тяжелого труда, оцениваются более высоко, чем тщательные размышления или воображение. Интеллектуальные увлечения слишком важны, и люди, которые их игнорируют, имеют ненадежную академическую карьеру.

Как-то раз я работал над проектом с отставным генералом, который возглавлял колледж военных офицеров, а затем стал консультантом в бизнесе. Он говорил о его разочаровании в попытках работать с университетами. Я спросил его, как он понимает, в чем проблема. Он сказал: "Имеется простая, но существенная вещь, которую мы преподаем каждому морскому офицеру, и которую ни один университетский администратор, с кем я общался, кажется, не знает: имеется большое различие между управлением и лидерством. Вы можете управлять снабжением ресурсами, но как лидер вы должны вести солдат в бой". Я согласен с ним. В мое время в университетах я видел гораздо больше менеджмента, чем лидерства.

Проблема, конечно, не ограничивается наукой. Темп инноваций в планировании курса обучения и методах преподавания положительно средневековый. Любые предложения по изменению должны быть одобрены профессорско-преподавательским составом, а в целом большинство профессоров не видит ничего ошибочного в том, как они преподавали в течение десятилетий. Я рано выучил, насколько университеты сопротивляются изменениям. Мне посчастливилось посещать колледж, где курсом физики первого года обучения была квантовая физика. Это редкость. Несмотря на факт, что квантовая физика заменила ньютоновскую механику восемьдесят лет назад, большинство колледжей и университетов в Северной Америке все еще откладывают квантовую механику до третьего года обучения, и даже тогда она предлагается только специализирующимся в физических науках. Поскольку я знал, как преподавать курс квантовой механики первокурсникам, я предложил сделать это как аспирант в Гарварде. Я заручился согласием молодого члена профессорского состава Говарда Джорджи преподавать это со мной, но на курс было наложено вето деканом искусств и наук. Джорджи сказал мне, что это не имело никакого отношения к нашему предложению, а было связано с фактом, что оно не прошло бы через требуемые комитеты. Он сказал: "Если бы мы позволили каждому профессору преподавать то, что он хочет, мы получили бы образовательный хаос". Я не уверен, что образовательный хаос является такой уж плохой идеей; в любом случае Гарвард все еще не имеет курса квантовой механики для первокурсников.

Это прискорбный факт, что число американских студентов, заканчивающих учебные заведения с дипломом по физике, уменьшилось за десятилетия. Вы можете подумать, что это должно бы уменьшить конкуренцию за позиции по физике. Это не так, поскольку уменьшение в студенческих дипломах более чем компенсируется увеличением степеней доктора философии, заработанных яркими, амбициозными студентами из развивающихся стран. Та же ситуация имеет место в других развитых странах.

Я иногда имел возможность, – как член комитета профессорско-преподавательского состава Йельского университета, сформированного для исследования этого явления, и поскольку одновременно страдали мои собственные интересы, – спросить студентов, которые покинули физику, почему они так сделали. Одной из причин, которую они дали, это что физический учебный план был скучный – первый год просто повторялось, что они уже изучали в средней школе, и не было никаких признаков возбуждающих тем вроде квантовой теории, космологии, черных дыр и так далее. В надеждах помочь обратить снижение количества студентов-физиков я предложил сделать квантовую механику курсом физики для первокурсников в каждом университете, который предоставит мне работу. Меня все время отвергали, хотя дважды мне позволили преподать маленькие ознакомления с квантовой теорией. Они были успешны, и несколько студентов, кто их воспринял, сейчас начали хорошие карьеры.

Моя цель здесь не заключается в обосновании реформы учебных планов, но эти примеры означают, что университеты не выполняют достаточно хорошо функцию проводников инноваций, даже когда ничего другого не остается, как модернизировать учебную программу, которая на восемьдесят лет отстает от науки.

Ученые по ту сторону сцены сокрушаются о темпе прогресса в их области. Я знаю несколько биологов и физиков-экспериментаторов, которые горько жаловались по поводу растраченных возможностей, поскольку вышестоящие ученые, управляя своими департаментами, потеряли смелость и воображение, которые они, несомненно, имели, будучи новыми докторами философии. Хорошие идеи в академическом мире не воспринимаются достаточно серьезно, когда они исходят от людей с низким статусом; и наоборот, идеи людей с высоким статусом часто воспринимаются слишком серьезно.

Нет возможности обратить внимание на эти разрушительные тенденции без исследования социологии, которая их питает. Если мы, физики, имеем самомнение пытаться объяснить фундаментальные законы природы, определенно мы обязаны суметь рационально обдумать социологию академии и контпродуктивное решение, делающее ее бедствием наших академических институтов.