Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле - Карло Ровелли

Наука работает, поскольку за гипотезами и рассуждениями, за интуицией и озарениями, за уравнениями и вычислениями следует проверка – на правильном мы пути или нет: теория дает предсказания о явлениях, которых мы еще не наблюдали, и можно проверить, верны они или нет. Сила науки именно в том, что ее надежность обоснована, и это позволяет нам быть в ней уверенными: мы можем проверить, верна теория или нет. Именно это отличает науку от других видов мышления, в которых решение о том, кто прав, а кто ошибается, представляет собой гораздо более трудный вопрос, порой даже лишенный смысла.

Когда Леметр защищал идею расширяющейся Вселенной, а Эйнштейн в это не верил, один из них ошибался, а другой был прав. Все достижения Эйнштейна, его слава, его влияние на научный мир, его колоссальный авторитет ничего не стоили. Наблюдения доказали, что он ошибался, – игра окончена. Скромный бельгийский священник оказался прав. Вот почему научное мышление обладает такой силой.

Социология науки проливает свет на сложность процесса научного понимания; как и любое другое начинание человека, этот процесс полон иррациональности, пересекается с борьбой за власть и подвержен всем видам социальных и культурных влияний. И тем не менее, несмотря на все это и вопреки преувеличениям некоторых постмодернистов, культурных релятивистов и им подобных, всё это не умаляет практической и теоретической эффективности научного мышления. Поскольку в итоге в большинстве случаев можно установить со всей ясностью, кто прав, а кто нет. И даже великий Эйнштейн может быть вынужден сказать: «Увы… Я ошибался!» – и он так говорил. Наука – это лучшая стратегия, если мы ценим надежность.

Это не значит, что наука – лишь искусство делать измеримые предсказания. Некоторые философы склонны ограничивать предназначение науки одними только численными предсказаниями. Они упускают суть, поскольку путают инструменты с целями. Проверяемые количественные предсказания – это инструмент верификации гипотез. Цель научного исследования не просто получение предсказаний, она состоит в понимании того, как устроен мир, в разработке и развитии картины мира – концептуальной структуры, позволяющей нам размышлять о нем. Прежде чем стать техничной, наука является эвристичной.

Проверяемые предсказания – это отточенный инструмент, позволяющий нам обнаруживать свое непонимание. Теория без эмпирического подтверждения – это теория, которая еще не сдала свои экзамены. Экзамены никогда не заканчиваются, и теория не подтверждается полностью ни одним, ни двумя, ни тремя экспериментами. Но она последовательно, шаг за шагом наращивает свою надежность по мере того, как ее предсказания оказываются верными. Такие теории, как квантовая механика и общая теория относительности, первоначально приводившие многих в замешательство, постепенно заслужили доверие, когда все их предсказания – даже самые экстравагантные – со временем подтверждались экспериментами и наблюдениями.

Важность экспериментальных доказательств, с другой стороны, не означает, что без новых экспериментальных данных мы не можем двигаться вперед. Часто говорят, что наука развивается только тогда, когда есть новые экспериментальные данные. Если бы это было правдой, у нас было бы мало надежды построить теорию квантовой гравитации, прежде чем мы сможем измерить что-то новое, но это определенно не так. Какие новые данные стали доступны Копернику? Никаких. У него были те же данные, что и у Птолемея. Какие новые данные получил Ньютон? Почти никаких. Главными составляющими для него были законы Кеплера и труды Галилея. Какие новые данные получил Эйнштейн, чтобы открыть общую теорию относительности? Никаких. Для него главными составляющими были специальная теория относительности и ньютоновская теория. Абсолютно неверно, будто физика развивается, только когда получает новые данные.

Достижения Коперника, Ньютона, Эйнштейна и многих других состояли в том, что, опираясь на ранее известные теории, в которых отражалось эмпирическое знание об огромных областях реальности, они находили пути их объединения и переосмысления для усовершенствования общей картины мира.

Это основа, на которой строятся лучшие исследования по квантовой гравитации. Источник знаний, как и всегда в науке, в конечном счете эмпирический. Однако данные, на которых строится квантовая гравитация, – это не новые эксперименты, а теоретические доктрины, которые уже структурировали наши знания о мире в формах, которые лишь отчасти согласованы между собой. «Экспериментальные данные» для квантовой гравитации – это общая теория относительности и квантовая механика. Опираясь на них, пытаясь понять, как можно сделать более согласованной картину мира, в котором есть и кванты, и искривленное пространство, мы пытаемся смотреть вперед, в неведомое.

Нас вдохновляет невероятный успех гигантов – Ньютона, Эйнштейна и Дирака, которые ранее уже оказывались в подобных ситуациях. Мы не претендуем на их масштаб, но у нас есть преимущество – возможность стоять на их плечах, и это позволяет нам смотреть дальше, чем они. Так или иначе, нам ничего не остается, кроме как пытаться это сделать.

Следует отличать улики от строгих доказательств. Улики – это то, что наводило Шерлока Холмса на правильный путь, позволяя ему распутывать загадочные дела. Строгие доказательства – это то, что нужно судье для вынесения обвинительного приговора. Улики подсказывают нам правильный путь к корректной теории. Строгие доказательства позволяют впоследствии с уверенностью говорить, хороша построенная нами теория или нет. Без улик мы будем вести поиски не в тех направлениях. Без доказательств теория не будет надежной.

Все сказанное применимо и к квантовой гравитации. Эта теория находится сейчас в младенческой стадии. Ее теоретический аппарат лишь обретает твердость, а фундаментальные идеи нуждаются в прояснении. Улики хороши и конкретны, но подтвержденных предсказаний пока нет. Эта теория еще не сдала свои экзамены.

Наиболее изученная альтернатива исследованиям, описанным в этой книге, – это теория струн. Большинство физиков, которые занимались теорией струн или связанными с ней теориями, ожидали, что как только начнет работать новый ускоритель частиц в ЦЕРНе (БАК, или Большой адронный коллайдер), сразу будут обнаружены частицы нового типа, которые никогда прежде не наблюдались, но предсказывались теорией, – суперсимметричные частицы. Теория струн нуждается в этих частицах для самосогласованности, вот почему струнные теоретики с нетерпением ждали их обнаружения. С другой стороны, петлевая квантовая гравитация хорошо определена даже без суперсимметричных частиц. Петлевые теоретики склонны думать, что этих частиц может и не существовать.

К огромному разочарованию многих исследователей, суперсимметричные частицы не были обнаружены. Фанфары, которыми было отмечено открытие бозона Хиггса в 2013 году, немного замаскировали это разочарование. Суперсимметричных частиц не оказалось в том диапазоне энергий, где многие струнные теоретики ожидали их найти. Это ничего не доказывает окончательно – об этом речи пока нет, – но природа подбросила небольшой аргумент в пользу петель.

За последние годы в области фундаментальной физики было получено три крупных экспериментальных результата. Первым из них стало открытие бозона Хиггса в ЦЕРНе (рис. 9.1). Второй – это измерения, сделанные спутником «Планк» (рис. 9.2), данные которого, подтверждающие стандартную космологическую модель, также были опубликованы в 2013 году. Третий результат – это впервые зарегистрированные гравитационные волны, о чем было объявлено в начале 2016 года. Эти три сигнала природа подала нам за последнее время.