Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Если бы истина и красота были эквивалентны, выражение «неприглядная истина» в языке никогда бы не возникло. Пусть эти слова не связны напрямую с наукой; очевидно тем не менее, что то, что мы наблюдаем вокруг себя, не всегда красиво. Коллега Дарвина Томас Гекели прекрасно сформулировал это ощущение: «Наука — это исключительно здравый смысл, где множество красивых теорий пало под напором безобразных фактов».

Дополнительно осложняет ситуацию то, что физикам приходится признать: далеко не все наблюдаемые элементы Вселенной красивы. Мы видим вокруг путаницу явлений и целый зоопарк частиц, в которых хотелось бы разобраться. В идеале физики с огромным удовольствием нашли бы какую‑нибудь простую теорию, которая объяснила бы все наблюдения при помощи небольшого числа правил и еще меньшего — фундаментальных ингредиентов. Но, даже посвятив себя поискам простой и элегантной объединяющей теории, при помощи которой можно было бы прогнозировать результат любого эксперимента в физике элементарных частиц, ученый понимает: если ему и удастся найти такую теорию, потребуется еще многое сделать, чтобы согласовать ее с окружающим миром.

Вселенная сложна. Как правило, непросто подогнать простую лаконичную формулировку под далеко не простой окружающий мир. Случается, что дополнительные элементы разрушают всю красоту первоначально предложенной формулы, — точно так же, как поправки к законам часто ставят с ног на голову прекрасные намерения авторов законопроектов.

Но как же, зная об ожидающих всюду потенциальных ловушках, ученые все же умудряются расширять пределы человеческих знаний? Как нам удается интерпретировать неизвестные до сего момента явления? Эта глава посвящена идее красоты и роли эстетических критериев в науке, а также преимуществам и недостаткам красоты как критерия истины. Кроме того, в ней говорится о модели познания мира и уделяется внимание эстетическим критериям при попытках предсказать наше дальнейшее развитие.

Недавно один художник в разговоре со мной с юмором заметил, что современные ученые едва ли не чаще, чем современные художники, объявляют своей целью красоту. Конечно, художники не отказались от эстетических критериев, но тем не менее часто говорят об открытиях и изобретениях при обсуждении своих работ.

Но, несмотря на значение, которое многие ученые придают элегантности, они нередко по–разному оценивают ее. Точно так же,, как вы с соседом можете не сойтись во мнениях относительно какого‑нибудь современного художника, такого как Дэмьен Херст, разные ученые по–разному воспринимают одни и те же аспекты своей науки.

Я, как и мои единомышленники, предпочитаю искать фундаментальные принципы, которые раскрывали бы связи между совершенно независимыми на первый взгляд наблюдаемыми явлениями. Большинство моих коллег занимается тем, что разбирает при помощи конкретных разрешимых теорий и связанного с ними сложного математического аппарата так называемые модельные задачи (то есть задачи, не связанные с реальными физическими условиями). Возможно, позже эти задачи (и решения) найдут себе применение в связи с какими‑то наблюдаемыми физическими событиями, а может быть, и нет. Другие физики предпочитают сосредоточиться на одних только теориях с четким и элегантным аппаратом; такие теории дают множество экспериментальных прогнозов, которые можно систематизировать и просчитывать.

Интересные принципы, высшая математика и сложные численные модели — все это составные части физической науки. Большинство ученых ценит их все, но каждый из нас выбирает собственные приоритеты исходя из того, что ему больше всего нравится делать — или какой путь с наибольшей вероятностью приведет к научным результатам. В самом деле, часто мы выбираем свой подход в соответствии с тем, какой метод лучше всего соответствует нашим уникальным склонностям и талантам.

Представления о красоте меняются со временем, и не только в искусстве. Собственная специализация Мюррея Гелл–Манна — квантовая хромодинамика — хороший тому пример.

Выводы Гелл–Манна о законах сильного взаимодействия были сделаны на основании блестящей догадки о том, как организовать множество частиц, которые в 1960–е гг. открывали одну за другой, в разумную структуру, которая объяснила бы их многочисленность и разнообразие. Он предположил существование еще более фундаментальных элементарных частиц, известных сегодня как кварки, обладающих новым видом заряда — цветовым. В этом случае ядерному взаимодействию должны быть подвержены все объекты, обладающие этим зарядом; оно же должно удерживать кварки с образованием нейтральных объектов — точно так же, как электрическая сила связывает электроны с заряженными ядрами в нейтральные атомы. Если это так, то все открываемые частицы можно рассматривать как связанные состояния этих кварков — как составные объекты с нулевым суммарным цветовым зарядом.

Гелл–Манн понял, что если существует три типа кварков, каждый со своим цветовым зарядом, то из них сможет образоваться множество нейтральных («белых») связанных состояний. И это множество состояний должно соответствовать (и действительно соответствует) массе частиц, которые ученые находили тогда едва ли не каждую неделю. Таким образом, Гелл–Манн нашел красивое объяснение тому, что прежде казалось необъяснимым хаосом всевозможных частиц.

Однако, когда Мюррей и независимо от него физик (а позже нейробиолог) Джордж Цвейг опубликовали свою идею, многие даже не восприняли ее как настоящую научную теорию. Физика элементарных частиц исходит из того, что частицы на большом расстоянии не взаимодействуют — как следствие, мы можем рассчитать конечные эффекты взаимодействий, которые возникают при сближении. В таком контексте любое взаимодействие можно полностью представить как влияние локальных сил, которые проявляются лишь тогда, когда взаимодействующие частицы сближаются.

В то же время сила, о которой писал Гелл–Манн, становилась тем сильнее, чем дальше частицы находились друг от друга. Это означало, что кварки взаимодействуют всегда, даже если расстояние между ними очень велико. По общепринятым тогда критериям догадка Гелл–Манна не подходила даже на роль теории, которую можно использовать для достоверных вычислений. Поскольку кварки взаимодействуют всегда, любое их состояние — даже так называемое асимптотическое, когда кварк находится на значительном удалении от любого объекта — описывается очень сложно. И асимптотические состояния, постулированные в новой теории, были вовсе не тем же самым, что простые частицы, которые хотелось бы видеть в результате теоретического расчета. Разве это не отказ от красоты в пользу уродства?

Первоначально никто не знал, как организовать вычисления всех этих сложных состояний, связанных сильным взаимодействием. Однако современные физики относятся к сильному взаимодействию совершенно иначе. Мы теперь понимаем его намного лучше, чем в те времена, когда была впервые высказана эта идея. За разработку концепции «асимптотической свободы в теории сильных взаимодействий» Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек были удостоены Нобелевской премии. Согласно их расчетам, сила взаимодействия велика лишь при низких энергиях. При высоких энергиях ядерное взаимодействие лишь ненамного сильнее других типов взаимодействия, и расчеты дают ровно то, что ожидалось. Более того, некоторые физики сегодня считают теории, подобные теории сильного взаимодействия, единственными по–настоящему проработанными, — ведь сильное взаимодействие с ростом энергии быстро ослабевает, а не возрастает до бесконечности, как могло бы в противном случае.